胡任，黃勃，李碩

(三一重工股份有限公司，湖南長沙 410100)

0 前言

混凝土泵是一種利用管道輸送和澆灌混凝土的施工設(shè)備，它能連續(xù)進(jìn)行水平和垂直輸送，輸送效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工質(zhì)量好，能實(shí)現(xiàn)安全、文明施工，因此得到廣泛使用［1］。其擺動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是配合泵送系統(tǒng)工作，準(zhǔn)確、平穩(wěn)、迅速地控制S管閥的擺動(dòng)，并為泵送系統(tǒng)電液換向閥提供控制油。擺動(dòng)液壓系統(tǒng)的換向性能的好壞直接影響到混凝土泵泵送性能［2］，包括設(shè)備穩(wěn)定性、泵送連續(xù)性等重要性能。目前主要依靠經(jīng)驗(yàn)與類比方式設(shè)計(jì)，還沒有非常成熟的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思路，本文作者旨在通過對(duì)擺動(dòng)系統(tǒng)的特性分析，運(yùn)用AMESim軟件建立液壓仿真模型。包括管道、油缸、搖擺機(jī)構(gòu)與負(fù)載模型，較為系統(tǒng)地反映各部分壓力損失及振動(dòng)沖擊特性。為混凝土泵擺動(dòng)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)及優(yōu)化，提供理論依據(jù)。

1 擺動(dòng)系統(tǒng)原理分析

如圖1所示:電控?fù)Q向擺動(dòng)系統(tǒng)主要由齒輪泵1、溢流閥2、單向閥3、蓄能器4、左擺缸5、搖臂6、右擺缸7、電液換向閥組8、相應(yīng)管道及油箱組成［3］。其換向信號(hào)由主油缸接近開關(guān)或壓力傳感器獲取，通過控制電磁鐵DT1/DT2的失得電來控制擺缸的左右擺動(dòng)。

圖1 電控?fù)Q向混凝土泵擺動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖

擺動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)快速輸出的系統(tǒng)，其系統(tǒng)流量在短時(shí)期內(nèi)迅速增大，通常在0.2～0.3 s內(nèi)完成一次換向動(dòng)作，輸出油液1～1.5 L，瞬時(shí)流量最高可達(dá)500～700 L/min。其換向速度的快慢與系統(tǒng)負(fù)載、通流能力直接相關(guān)。換向性能主要受擺缸、管道、電液換向閥、搖擺機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)負(fù)載等因素影響，在匹配系統(tǒng)時(shí)，這些因素必須綜合考慮，因此在建立仿真模型時(shí)，對(duì)這些部分建模及設(shè)定參數(shù)的準(zhǔn)確性，直接影響了整體模型的性能，尤為重要。

2 仿真模型建立

2.1 仿真環(huán)境介紹

AMESim軟件是法國Imagine公司推出的基于鍵合圖的液壓、機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件，其為用戶提供了一個(gè)時(shí)域仿真建模環(huán)境，可使用已有模型或建立新的子模型元件，構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型，它的求解器可以根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在17種可選算法中自動(dòng)選擇最佳積分算法，具有精確的不可連續(xù)性處理能力，為機(jī)械、液壓、控制、電磁等工程提供了一個(gè)較為完善的綜合仿真環(huán)境和解決方案［4］。

2.2 關(guān)鍵子模型建立

2.2.1 擺缸模型

擺缸的結(jié)構(gòu)與原理如圖2所示。擺缸為典型的單出桿活塞缸，其中活塞直徑100 mm，活塞桿直徑70 mm，為了達(dá)到擺動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)快、緩沖平滑的目的，在油缸底部開有節(jié)流槽1，在節(jié)流槽的兩側(cè)安裝有單向閥2與阻尼孔3。當(dāng)壓力油進(jìn)入無桿腔時(shí)，油液主要通過單向閥，油缸快速啟動(dòng);當(dāng)無桿腔油液回油箱時(shí)，活塞桿進(jìn)入節(jié)流槽后，單向閥關(guān)閉，油液只能通過阻尼孔3及節(jié)流槽縫隙回油箱，起到節(jié)流調(diào)速作用，實(shí)現(xiàn)擺缸緩沖。其中節(jié)流槽與緩沖桿的參數(shù)，單向閥的大小、壓降，阻尼孔的大小等直接影響擺缸的啟動(dòng)速度、緩沖時(shí)間與緩沖效果，油缸的這3個(gè)特性必須同樣在仿真模型上得到體現(xiàn)。

圖2 擺缸結(jié)構(gòu)與原理圖

根據(jù)擺缸原理圖，運(yùn)用HCD庫進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3 擺缸液壓仿真模型

2.2.2 搖擺機(jī)構(gòu)及負(fù)載模型

圖4為S閥及其驅(qū)動(dòng)油缸安裝結(jié)構(gòu)圖，油缸作為動(dòng)力輸出元件，安裝在料斗底座上，通過搖臂互相連接，其安裝尺寸及搖臂尺寸雖對(duì)系統(tǒng)換向性能有直接影響，但不在文中討論范圍之內(nèi)，僅按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。

圖4 搖擺機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)所受負(fù)載通過S管所受力矩反映，S管所受力矩又通過搖臂作用到擺缸上，通常S管受6種阻力矩［5］，分別可以通過摩擦力、慣性來體現(xiàn)。而實(shí)際上通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泵送同類混凝土?xí)r，當(dāng)擺缸速度越快，其所受阻力矩越大?？梢苑治隽私獾?，S管同時(shí)受混凝土阻尼的影響，當(dāng)混凝土越黏稠，擺動(dòng)速度越大時(shí)，其所受阻力越大。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，對(duì)于C25混凝土來講，這個(gè)力矩大小一般在1 200～2 500 N·m范圍內(nèi)。而摩擦力矩大小則與機(jī)構(gòu)安裝精度、混凝土性能、輸送管內(nèi)反壓大小等因素有關(guān)。一般取值范圍在2 000～3 000 N·m之間。

因此系統(tǒng)負(fù)載是由摩擦力+阻尼+慣性組成，三者都應(yīng)該在仿真模型中得到體現(xiàn)。

綜上所述，運(yùn)用AMESim中的平面機(jī)構(gòu)庫建立搖擺機(jī)構(gòu)以及負(fù)載的模型，如圖5所示。

圖5 搖擺機(jī)構(gòu)及負(fù)載仿真模型

2.2.3 管道模型

管道對(duì)系統(tǒng)的影響雖然只通過壓力損失反映，但精確建立管道模型有利于研究具體某段管道的影響，為匹配系統(tǒng)管道提供參考，因此在按照實(shí)際管道長度與通徑建模的同時(shí)，還考慮了膠管兩端接頭孔徑、管道粗糙度等因素。具體參照系統(tǒng)仿真模型。

2.2.4電液換向閥模型

電液換向閥雖是擺動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，但其對(duì)系統(tǒng)換向性能的影響只通過響應(yīng)速度與通流能力反映，目前通常都采用力士樂、威格士等公司的定型產(chǎn)品，優(yōu)化空間較小，而對(duì)于擺動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)，更關(guān)注的是系統(tǒng)壓力損失、振動(dòng)沖擊等因素，系統(tǒng)中默認(rèn)的三位四通換向閥模型可以調(diào)節(jié)通流能力、閥口壓降及開啟速度等關(guān)鍵參數(shù)，能夠滿足仿真需求。

圖6 擺動(dòng)系統(tǒng)液壓仿真模型

2.3 系統(tǒng)模型建立

為提高仿真效率，對(duì)模型進(jìn)行如下簡化:

(1)假定系統(tǒng)與外界無熱交換;

(2)忽略油泵及各閥的內(nèi)泄漏。

整體仿真模型如圖6所示，主要元件的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真各主要參數(shù)設(shè)置

3 仿真及結(jié)果分析

按照上述表格數(shù)據(jù)對(duì)負(fù)載及其他元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，初始位置為中位(S管位于料斗中心時(shí))，電液換向閥按照3 s的循環(huán)周期進(jìn)行換向，仿真時(shí)間為16.5 s，步長為0.001 s，根據(jù)試驗(yàn)所獲取的油缸速度及各點(diǎn)壓力曲線，各獲取一組穩(wěn)定后的油缸速度及各測試點(diǎn)壓力仿真曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7—10所示。

圖7 各測試點(diǎn)試驗(yàn)壓力曲線

圖8 各測試點(diǎn)仿真結(jié)果曲線

圖9 試驗(yàn)油缸速度曲線

圖10 仿真油缸速度曲線

改變負(fù)載參數(shù)，模擬泵送水的工況，同樣得到一組數(shù)據(jù)，并取穩(wěn)定后某時(shí)刻的壓力值進(jìn)行對(duì)比，表2是泵送水與泵送C25混凝土?xí)r的某時(shí)刻測試點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)對(duì)比。

表2 某時(shí)刻試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比MPa

通過對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn):

(1)由于試驗(yàn)采樣頻率為100 Hz，相當(dāng)于0.01 s的步長，在0.3 s的換向時(shí)間內(nèi)，取點(diǎn)數(shù)量較少，因而出現(xiàn)鋸齒形曲線;而仿真步長0.001 s，得出曲線較平滑。但擺動(dòng)系統(tǒng)各點(diǎn)壓力變化趨勢(shì)是基本一致的，并且取點(diǎn)讀數(shù)對(duì)比表明，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果相差在5%以內(nèi)，能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

(2)擺動(dòng)系統(tǒng)的大部分壓力損失在沿程管道中，系統(tǒng)效率有待提升;左右兩擺缸無桿腔壓力差代表此時(shí)擺動(dòng)系統(tǒng)獲得的動(dòng)力大小，隨著速度的提升，壓力差逐步減小，而在后半段此壓力差基本保持不變，說明此時(shí)系統(tǒng)流量達(dá)到管道流量承載上限，速度達(dá)到最高后穩(wěn)定并略有下降(因蓄能器壓力逐步降低)，穩(wěn)定狀態(tài)下左右擺缸壓力差代表了系統(tǒng)的負(fù)載大小，S管所受合力為0，S管換向是一個(gè)加速—?jiǎng)蛩佟獪p速的運(yùn)動(dòng)過程。

(3)從速度曲線及壓力曲線可以看出，擺缸在到位后有一段持續(xù)時(shí)間較長的振動(dòng)，與油缸緩沖性能、油液彈性模量、油液黏度等有較大關(guān)系。減小油缸的到位振動(dòng)對(duì)于提高混凝土泵的穩(wěn)定性，延長擺缸壽命等意義重大，仍有較大的提升空間。

4 結(jié)論

針對(duì)典型電控?fù)Q向混凝土泵的擺動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用AMESim軟件進(jìn)行了建模與仿真，提出了符合泵送C25混凝土實(shí)際工況的系統(tǒng)負(fù)載加載方式，結(jié)果表明所建模型準(zhǔn)確，仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配度非常好，能夠反映擺動(dòng)系統(tǒng)的壓力變化規(guī)律、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及振動(dòng)特性。在此仿真模型的基礎(chǔ)之上，還可以詳細(xì)分析各參數(shù)對(duì)換向系統(tǒng)的影響，并提出更好的優(yōu)化匹配方案，對(duì)于換向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠起到理論指導(dǎo)作用，并節(jié)約大量用于試驗(yàn)研究的成本。

［1］彭秀英．混凝土泵開式液壓系統(tǒng)液壓沖擊分析與對(duì)策［J］．液壓與氣動(dòng)，2003，28(11):12－13．

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［3］易秀明，王尤毅，譚凌群．混凝土泵車［R］．長沙:三一重工股份有限公司，2007:71－73．

［4］余佑官，龔國芳，胡國良．AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．液壓氣動(dòng)與密封，2005，25(3):28－31．

［5］王術(shù)冬．混凝土泵S管換向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與仿真［D］．重慶:重慶大學(xué)，2004．