基于AMESim的混凝土泵擺動系統的仿真分析

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備，它能連續進行水平和垂直輸送，輸送效率高、勞動強度低、施工質量好，能實現安全、文明施工，因此得到廣泛使用［1］。其擺動系統的主要作用是配合泵送系統工作，準確、平穩、迅速地控制S管閥的擺動，并為泵送系統電液換向閥提供控制油。擺動液壓系統的換向性能的好壞直接影響到混凝土泵泵送性能［2］，包括設備穩定性、泵送連續性等重要性能。目前主要依靠經驗與類比方式設計，還沒有非常成熟的設計指導思路，本文作者旨在通過對擺動系統的特性分析，運用AMESim軟件建立液壓仿真模型。包括管道、油缸、搖擺機構與負載模型，較為系統地反映各部分壓力損失及振動沖擊特性。為混凝土泵擺動系統的分析、設計及優化，提供理論依據。

1 擺動系統原理分析

如圖1所示:電控換向擺動系統主要由齒輪泵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、相應管道及油箱組成［3］。其換向信號由主油缸接近開關或壓力傳感器獲取，通過控制電磁鐵DT1/DT2的失得電來控制擺缸的左右擺動。

圖1 電控換向混凝土泵擺動系統液壓原理圖

擺動系統是一個快速輸出的系統，其系統流量在短時期內迅速增大，通常在0.2～0.3 s內完成一次換向動作，輸出油液1～1.5 L，瞬時流量最高可達500～700 L/min。其換向速度的快慢與系統負載、通流能力直接相關。換向性能主要受擺缸、管道、電液換向閥、搖擺機構及系統負載等因素影響，在匹配系統時，這些因素必須綜合考慮，因此在建立仿真模型時，對這些部分建模及設定參數的準確性，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 仿真環境介紹

AMESim軟件是法國Imagine公司推出的基于鍵合圖的液壓、機械系統建模、仿真及動力學分析軟件，其為用戶提供了一個時域仿真建模環境，可使用已有模型或建立新的子模型元件，構建優化設計所需的實際原型，它的求解器可以根據系統的動態特性，在17種可選算法中自動選擇最佳積分算法，具有精確的不可連續性處理能力，為機械、液壓、控制、電磁等工程提供了一個較為完善的綜合仿真環境和解決方案［4］。

2.2 關鍵子模型建立

2.2.1 擺缸模型

擺缸的結構與原理如圖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，為了達到擺動系統啟動快、緩沖平滑的目的，在油缸底部開有節流槽1，在節流槽的兩側安裝有單向閥2與阻尼孔3。當壓力油進入無桿腔時，油液主要通過單向閥，油缸快速啟動;當無桿腔油液回油箱時，活塞桿進入節流槽后，單向閥關閉，油液只能通過阻尼孔3及節流槽縫隙回油箱，起到節流調速作用，實現擺缸緩沖。其中節流槽與緩沖桿的參數，單向閥的大小、壓降，阻尼孔的大小等直接影響擺缸的啟動速度、緩沖時間與緩沖效果，油缸的這3個特性必須同樣在仿真模型上得到體現。

圖2 擺缸結構與原理圖

根據擺缸原理圖，運用HCD庫進行建模，如圖3所示。

圖3 擺缸液壓仿真模型

2.2.2 搖擺機構及負載模型

圖4為S閥及其驅動油缸安裝結構圖，油缸作為動力輸出元件，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系統換向性能有直接影響，但不在文中討論范圍之內，僅按實際尺寸進行建模。

圖4 搖擺機構結構圖

系統所受負載通過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。而實際上通過試驗發現，泵送同類混凝土時，當擺缸速度越快，其所受阻力矩越大。可以分析了解到，S管同時受混凝土阻尼的影響，當混凝土越黏稠，擺動速度越大時，其所受阻力越大。通過試驗數據分析得出，對于C25混凝土來講，這個力矩大小一般在1 200～2 500 N·m范圍內。而摩擦力矩大小則與機構安裝精度、混凝土性能、輸送管內反壓大小等因素有關。一般取值范圍在2 000～3 000 N·m之間。

因此系統負載是由摩擦力+阻尼+慣性組成，三者都應該在仿真模型中得到體現。

綜上所述，運用AMESim中的平面機構庫建立搖擺機構以及負載的模型，如圖5所示。

圖5 搖擺機構及負載仿真模型

2.2.3 管道模型

管道對系統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，為匹配系統管道提供參考，因此在按照實際管道長度與通徑建模的同時，還考慮了膠管兩端接頭孔徑、管道粗糙度等因素。具體參照系統仿真模型。

2.2.4電液換向閥模型

電液換向閥雖是擺動系統的關鍵元件，但其對系統換向性能的影響只通過響應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品，優化空間較小，而對于擺動系統匹配設計，更關注的是系統壓力損失、振動沖擊等因素，系統中默認的三位四通換向閥模型可以調節通流能力、閥口壓降及開啟速度等關鍵參數，能夠滿足仿真需求。

圖6 擺動系統液壓仿真模型

2.3 系統模型建立

為提高仿真效率，對模型進行如下簡化:

(1)假定系統與外界無熱交換;

(2)忽略油泵及各閥的內泄漏。

整體仿真模型如圖6所示，主要元件的關鍵參數設置如表1所示。

表1 系統仿真各主要參數設置

3 仿真及結果分析

按照上述表格數據對負載及其他元件進行參數設置，初始位置為中位(S管位于料斗中心時)，電液換向閥按照3 s的循環周期進行換向，仿真時間為16.5 s，步長為0.001 s，根據試驗所獲取的油缸速度及各點壓力曲線，各獲取一組穩定后的油缸速度及各測試點壓力仿真曲線進行對比，結果如圖7—10所示。

圖7 各測試點試驗壓力曲線

圖8 各測試點仿真結果曲線

圖9 試驗油缸速度曲線

圖10 仿真油缸速度曲線

改變負載參數，模擬泵送水的工況，同樣得到一組數據，并取穩定后某時刻的壓力值進行對比，表2是泵送水與泵送C25混凝土時的某時刻測試點壓力數據對比。

表2 某時刻試驗數據與仿真結果對比MPa

通過對比分析，可以發現:

(1)由于試驗采樣頻率為100 Hz，相當于0.01 s的步長，在0.3 s的換向時間內，取點數量較少，因而出現鋸齒形曲線;而仿真步長0.001 s，得出曲線較平滑。但擺動系統各點壓力變化趨勢是基本一致的，并且取點讀數對比表明，仿真數據與試驗結果相差在5%以內，能夠準確地反映實際情況。

(2)擺動系統的大部分壓力損失在沿程管道中，系統效率有待提升;左右兩擺缸無桿腔壓力差代表此時擺動系統獲得的動力大小，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，說明此時系統流量達到管道流量承載上限，速度達到最高后穩定并略有下降(因蓄能器壓力逐步降低)，穩定狀態下左右擺缸壓力差代表了系統的負載大小，S管所受合力為0，S管換向是一個加速—勻速—減速的運動過程。

(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時間較長的振動，與油缸緩沖性能、油液彈性模量、油液黏度等有較大關系。減小油缸的到位振動對于提高混凝土泵的穩定性，延長擺缸壽命等意義重大，仍有較大的提升空間。

4 結論

針對典型電控換向混凝土泵的擺動系統運用AMESim軟件進行了建模與仿真，提出了符合泵送C25混凝土實際工況的系統負載加載方式，結果表明所建模型準確，仿真結果與實際試驗數據匹配度非常好，能夠反映擺動系統的壓力變化規律、運動規律以及振動特性。在此仿真模型的基礎之上，還可以詳細分析各參數對換向系統的影響，并提出更好的優化匹配方案，對于換向系統的優化設計，能夠起到理論指導作用，并節約大量用于試驗研究的成本。

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

［2］劉昕暉，陳偉．拖式混凝土泵擺動系統緩沖試驗研究與分析［J］．工程機械，2007，39(38):22－24．

［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仿真技術及其在液壓系統中的應用［J］．液壓氣動與密封，2005，25(3):28－31．

［5］王術冬．混凝土泵S管換向系統動力學分析與仿真［D］．重慶:重慶大學，2004．