混凝土泵车泵送液压系统的仿真研究

混凝土泵车泵送液压系统的仿真与试验研究摘要：简单介绍了混凝土泵车的工作原理与液压系统，重点分析了泵送液压系统中的液压缸元件。使用高级建模仿真软件AMESim自带的HCD库基本元件库对液压缸进行建模与仿真，得到了液压系统的压力特性，与试验结果一致。仿真对于液压系统的优化设计具有借鉴作用。关键词：混凝土泵车；泵送液压系统；油缸；AMESimSimulationandTestingonConcretePumpHydraulicSystemAbstract:Introducedtheworkingprincipleandhydraulicpumpingofconcretepumpsimply.Thefocuswasthehydrauliccylinderofthepumpinghydraulicsystem.BasedonthecommercialhydraulicsimulationsoftwareAMESimanditsHCDlibrary,asimulationmodelofhydrauliccylinderwasestablished.Thenthepressurecharacteristicwerederivedwhichfittedtheexperimentalresult.Simulationcouldprovidehelpfulreferencefordesignandoptimizationofthehydraulicsystem.KeyWords:Concretepump;Pumpinghydraulicsystem;Hydrauliccylinder;AMESim前言混凝土泵车是现代建筑施工中使用的一种利用管道，依靠压力输送混凝土的设备，广泛应用于道路、桥梁、水电等施工中[1]。随着国内工程机械技术的不断发展，对混凝土泵车的稳定性和智能化要求越来越高。泵车性能的提高需要大量的试验数据，但受到试验条件及成本的限制，很多数据难以获取。本文对混凝土泵车的液压系统进行建模仿真，尤其对油缸部分采用HCD（HydraulicComponentDesign）建模仿真，对系统的压力，流量等的动态特性进行全面研究。不仅为了证明仿真的正确，更为以后混凝土泵车液压系统的改进与完善提供依据与良好的工具，将仿真运用于实际工作中对系统的分析，优化和改进中。1混凝土泵车泵送系统的工作原理1.1泵送系统简介以某公司某型混凝土泵车为例，液压系统由泵送、臂架、支腿、搅拌和冷却等部分的液压系统组成。泵送系统采用开式回路恒功率控制。开式系统的工作原理为：主油缸换向采用全液压换向，即在主油缸运动至行程终端时油缸输出一个液压信号来控制大流量液控换向阀换向，使主油缸改变方向。主油缸采用液压换向，虽然液压元件多，回路复杂，但电气控制非常简单。它具有成本低、维修简单等优点，缺点是泵送主油缸换向冲击较大。1.2油缸结构泵送系统主油缸如图1所示。在主液压缸的两端分别有两根连通管，由管道与一个单向阀组成。图1混凝土泵车泵送系统主油缸2系统仿真模型的建立2.1仿真环境介绍AMESim（AdvancedModelingEnvironmentforSimulationofEngineeringSystm）是一个系统高级工程建模和仿真平台。它基于直接图形接口，在整个仿真过程中系统始终显示在软件的操作窗口中[2]。AMESim使用户能够借助其友好的、面向工程应用的操作模式，通过模型库的概念来实现对元件或回路的动力学特性研究。模型库可以不断升级和改进，以满足用户更高级建模需求。2.2关键模型的建立虽然大部分的液压元件模型都能在AMESim中的液压库里面找到，但是考虑到元件的多样性，以及不同场合其作用的多样性，液压库依然不能满足客户的需要。这时候我们就需要用到AMESim中的HCD库。HCD库通过工程结构单元细分的方法,使得用户可以通过尽可能少的结构单元模型构建尽可能多的工程系统模型。在该泵送系统中，油箱，电磁换向阀，溢流阀，单向阀等元件可以从AMESim的液压元件库中直接选取，而带缓冲结构的油缸则找不到直接的模型。这时候我们就要利用HCD库，根据元件自身的工作原理和实际结构自己搭建。油缸的模型如图1所示，可以分为有杆腔，无杆腔与两个连通管。连通管的结构主要包括活塞，连通管，阻尼孔等部分。搭建的仿真模型如图2所示：图2油缸仿真模型2.3泵送系统模型建立泵送液压系统原理图如图3所示：图3混凝土泵车液压系统原理图将其中的主泵送系统分离出来，对其进行建模。泵简化为恒流源，换向阀简化为电磁换向阀，由电信号控制其换向。模型如图4所示，参数见表一：图4泵送液压系统模型表一仿真参数设定参数数值泵流量(L/min)432溢流阀(Mpa)31.5活塞直径(mm)130活塞杆直径(mm)80活塞行程(m)1.991质量块质量(kg)5003仿真结果分析与验证3.1仿真结果验证为了验证所建模型的正确性，对模型进行检验。设定步长为0.01s，仿真时长50s。3.1.1活塞位移仿真验证图5活塞位移曲线图5是仿真得到的活塞位移曲线图。它符合泵送系统主油缸的运动规律，作周期性的往返运动。其运动轨迹在油缸的行程0-1.991m之内，与实际情况一致。3.1.2有杆腔压力仿真验证图6有杆腔压力曲线图7实测有杆腔压力曲线图6是仿真得到的有杆腔压力曲线，图7是实测得到的有杆腔压力曲线。活塞从缸头开始运动，有杠腔进油，无杆腔出油。此时的有杆腔是系统的压力油腔。压力由0开始上升到15Mpa推动活塞开始运动，随着活塞运动的逐渐稳定，压力的波动逐渐减小直至稳定在8Mpa。当活塞向缸尾运动时，在连通管位置附近轻微的来回运动直至停下。压力在此时呈波动状。当另一个主缸的活塞运动到头时，系统压力突然上升至一个相当大的压力。图6中该位置系统的压力直接上升到溢流阀压力。这是由于所建模型对泄漏的建模还不完善导致的，以后需要继续改进。换向后，无杆腔进油，有杆腔回油。有杆腔变成系统的回油腔。此时有杆腔压力稳定在回油压力。当活塞运动到缸头时，压力陡然下降为0。这是油缸内部的实际运动规律，仿真得到的有杆腔压力曲线与实测得到的压力曲线相吻合，符合这一运动规律。3.1.3回油压力仿真验证图8回油压力图9实测回油压力上图的图8为仿真得到的回油压力，图9则是实测的回油压力。活塞刚开始运动时，系统压力的波动由大至小逐渐稳定，回油压力也是逐渐稳定在0.27Mpa。当有杆腔为回油腔的这条油缸的活塞运动到有杆腔端的连通管时，对于系统来说，其负载实际上是增加了，因此系统的压力上升，回油压力也随着上升。紧接着，有杆腔为压油腔的活塞运动到无杆腔端的连通管，压力油通过连通管直接回到油箱，系统压力陡然下降直至活塞运动到顶端。此时T口不与压油相连，系统回油压力为0。这是回油压力随活塞运动的规律，仿真得到的回油压力与实测回油压力相吻合，符合这一运动规律。3.2缓冲功能仿真分析对现有的泵送液压系统进行仿真，得到活塞的位移与速度曲线：图10活塞的位移与速度曲线图10中虚线为活塞位移，实线为活塞的速度。活塞行程为0时，无杆腔容积为0，反之亦然。缓冲时行程曲线斜率的变化与负载和油缸面积有关，负载越大，斜率越小：有杆腔面积较无杆腔小，斜率较大；无杆腔斜率接近水平。其速度曲线也符合其变化规律。该仿真结果可以作为优化设计的参考。3.3仿真结果分析分析之前得到的结果，说明利用AMESim对泵送系统进行仿真是正确，有效，方便的。不仅活塞的位移符合其运动规律，有杆腔压力与回油压力的仿真结果与实际结果也非常吻合。对缓冲功能的仿真，也满足我们的期望，可以作为优化设计的参考。3.4总结与展望本章将仿真结果与实测数据相比较，得到结论：利用计算机软件对液压系统进行仿真研究是有效并且符合实际的。当然，仿真还有不少值得改进的地方：系统的换向阀未用HCD建模；模型的泄漏与现实还有较大出入；由于时