馮虎崔竹君高榮

文章編號：1000033X（2016）12010105

收稿日期：20160530

摘要：為了減小攤鋪機提升液壓系統的吸空現象對路面質量的影響，從結構和液壓2個角度對提升系統進行分析，通過對液壓系統的研究，使用AMESim仿真軟件構建攤鋪機提升液壓系統模型，優化原提升系統存在的吸空問題，并驗證了優化方案。結果表明，優化方案能夠有效改善提升液壓系統吸空現象對路面平整度的影響，仿真分析方法具有可行性。

關鍵詞：攤鋪機；提升液壓系統；仿真；吸空現象

中圖分類號：U415.521文獻標志碼：B

Simulation of Hydraulic Lifting System of Paver

FENG Hu1，CUI Zhujun2，GAO Rong1

（1. Road Machinery Branch of XCMG Construction Machinery Co.， Ltd.， Xuzhou 221004， Jiangsu， China；

2. XCMG Research Institute， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： In order to reduce the impact of suction phenomenon of pavers hydraulic lifting system on the construction quality of pavement， the lifting system was analyzed in aspects of structure and hydraulics. AMESim， the simulation software， was applied to build a model for the hydraulic system of paver. Solution to the suction problem was proposed and later tested. The results indicate that the solution helps to reduce the impact of suction phenomenon on the pavement roughness， proving the simulation analysis to be feasible.

Key words： paver； hydraulic lifting system； simulation； suction phenomenon

0引言

瀝青混凝土攤鋪機是公路、市政道路、機場等道路建設過程中必不可少的路面施工機械之一，主要用于完成瀝青混凝土的攤鋪，以形成一定厚度、寬度及密實度的平整路面，在各種路面建設工程中被廣泛應用，可大大提高施工效率，降低勞動強度，同時顯著提高路面質量[12]。

平整度作為高等級路面質量的關鍵評價參數之一，在路面施工過程中需進行重點控制[3]。提升系統是攤鋪機的一個液壓系統，其主要作用是通過改變提升油缸的工作狀態，調整熨平板的姿態[4]。目前在施工用戶反饋中發現提升液壓系統在熨平板浮動狀態下存在吸空現象，直接影響攤鋪路面的平整度。為進一步研究提升系統的工作過程，本文運用AMESim軟件對提升液壓系統進行仿真研究，再現提升油缸的吸空現象，并分析原因，提出新的方案，為以后攤鋪機提升液壓系統的設計提供支撐。

1攤鋪機工作裝置

攤鋪機工作裝置主要包括熨平裝置和振搗梁，其作用是將攤鋪槽內全幅寬度的瀝青混凝土攤平、搗實和熨平，如圖1所示。攤鋪機在停車起步階段，提升油缸處于閉鎖狀態，避免熨平板產生位移；攤鋪機在工作狀態中，熨平板處于浮動狀態，提升油缸大小腔均與油箱連通，回路壓力較低，在浮動過程中易出現吸空現象，產生負壓。因此，提升油缸由浮動狀態切換至閉鎖狀態時，由于吸空存在負壓[5]，建壓需要一定時間，此過程中熨平板會產生向上或向下的位移，造成路面出現起拱或壓痕。

圖1攤鋪機工作裝置

2仿真模型建立

2.1AMESim軟件

AMESim（Advaneed Modeling Enviroment for Simulation of engineering systems）是法國IMAGINE公司在1995年推出的一種涉及液壓、機械、電氣等多學科領域的仿真建模平臺軟件。該軟件采用基于物理模型的圖形化建模方式，使用戶在仿真過程中無需推導復雜的數學公式，不要求仿真建模人員具備高水平的編程能力，降低了對操作人員專業知識的要求，使更多的用戶能夠更高效地將仿真分析方法運用到物理系統的設計中。

工程機械液壓系統仿真建模常用庫包括Signal&Control、Mechanical、Hydraulic三個元件庫。如果現有元件庫中沒有合適的模型，可以運用元件設計庫來搭建適合的元件模型。

2.2現有系統仿真模型

以某型號攤鋪機的提升液壓系統工作回路為研究對象，該回路由提升油缸、提升換向閥、閉鎖閥、浮動閥等部件組成。當攤鋪機正常攤鋪時，提升換向閥處于中位，閉鎖閥、浮動閥都處于導通位，提升液壓缸大小腔通過閉鎖閥、浮動閥、提升換向閥與油箱相通，從而使提升液壓缸處于浮動狀態。

（1）在AMESim仿真軟件中，以草圖模式建立提升液壓系統仿真模型。按照提升液壓系統工作原理，利用Sketch模式，調用系統提供的液壓庫、信息庫、機械庫建立提升系統工作回路模型，如圖2所示。

圖2提升系統仿真模型

（2）在子模型模式下，為每個圖形模塊選取子模型。模型中不考慮熱工水力學，因此所有的元件模型均選取默認子模型。

（3）在參數模式下，按照實際系統參數設置仿真模型各元件相應參數。設置液壓油液參數如表1所示；設置提升油缸參數如表2所示；設置浮動閥前阻尼孔參數如表3所示；設置提升換向閥參數如表4所示。

為搭建好系統各元件子模型，提升換向閥信號、閉鎖閥信號、浮動閥信號、負載信號均為實測數據，如圖3所示，將實測數據保存為文本文檔，并導入模型中。根據實測數據中提升油缸的兩腔壓力和面積，忽略結構、摩擦、油液滲漏、管路損失等因素的影響，得出提升油缸在作業過程中所承受的負載信號，如圖4、5所示。通過設置負載信號、各個閥的換向信號，模擬了提升液壓系統的實際工作過程。其中，5792～7591 s為提升油缸浮動時刻。

（4）在運行模式下，進行提升液壓系統仿真，設置仿真時間為80 s、仿真步長為001 s、運行方式為單個仿真，仿真結果如圖6所示。提升油缸無桿腔壓力實測與仿真對比如圖7所示。

由圖6、7可知，實測數據曲線與仿真數據曲線趨勢基本吻合，但由于仿真模型中忽略了提升油缸結構等的影響，致使曲線存在一些區別。在仿真模型中，由于浮動狀態下提升油缸的兩腔連通，當油缸中一腔出現吸空現象時，油液無法及時補充，受負載力的影響，導致兩腔壓力都出現負值。在實際提升液壓系統中，當熨平板處于浮動時刻時，提升油缸的活塞桿由于受負載力較大，加速了油缸向上或者向下運動[67]；此時提升油缸的有桿腔和無桿腔從T口管路吸油，但由于提升油缸安裝位置高于油箱液位，且提升液壓系統油液會有一定泄漏，致使油液無法及時補充至提升油缸兩腔，導致提升油缸產生吸空現象，出現負壓。

2.3優化后仿真模型

為了減小提升系統吸空現象對攤鋪路面質量的影響，對攤鋪機提升液壓系統進行優化，提出一種新的提升液壓系統。該系統通過引入先導式溢流閥、二位二通電磁換向閥，使提升液壓系統具有了二級調壓功能，即提升系統在提升、下降、閉鎖狀態時與浮動狀態具有不同的系統工作壓力；在浮動狀態下，系統以較低的壓力值工作，同時向提升油缸的兩腔及時補油；在回油路上通過單向閥建立一定的背壓，防止浮動狀態下提升油缸出現吸空現象導致的負壓，減小或消除攤鋪機停車起步過程中因提升油缸產生位移而造成路面的壓痕和起拱。

（1）改進方案的仿真模型如圖8所示。通過壓力控制閥的組合，等效了先導溢流閥的兩級設定值，利用兩位兩通電比例閥的換向，實現換向前后壓力控制閥先導口具有不同的先導作用力，然后再與先導作用面積系數相乘，從而使壓力控制閥實現了在提升、下降、閉鎖狀態與浮動狀態不同的壓力開啟設定值，進一步使提升液壓系統具有了不同的工作壓力。

（2）在子模型模式下，同樣不考慮熱工水力學，所有元件模型均選取默認子模型。

（3）在參數模式下，按照實際系統參數設置仿真模型中各元件相應參數，壓力控制閥端口的壓力作用面積比分別設置為0、1、12 N；設置兩位兩通電比例閥的信號如圖9所示；設置單向閥開啟壓力為25 bar。

（4）在運行模式下，運行改進后的提升液壓系統仿真模型，設置仿真時間為80 s、仿真步長為001 s，仿真結果如圖10所示。

由圖6、10可以看出，改進后提升油缸兩腔壓力不再出現負壓，提升油缸吸空現象得到了明顯改善。改進后，當提升油缸開始浮動時，受負載力影響較大，大約有2 s處于吸空狀態，此時系統以低壓向提升油缸供油，及時補充吸空狀態供油不足的情況，并使油缸兩腔壓力達到基本一致，有效地減小了攤鋪機停車起步過程中因提升油缸產生位移造成路面的壓痕和起拱；同時，在浮動狀態下，提升液壓系統以較小的壓力值溢流，降低了系統的壓力損失。

3實測數據驗證

以某型號改進前后的攤鋪機為作業對象，分別在同一段穩定土層上進行攤鋪作業。打開前進開關，在熨平板浮動狀態下，通過壓力傳感器記錄提升油缸兩腔的壓力變化，壓力曲線如圖11、12所示。

由圖12可以看出，在同一穩定土層上攤鋪，當熨平板處于浮動狀態時，改進前提升油缸的無桿腔壓力長時間處于負壓狀態，改進后提升油缸的無桿腔壓力為負壓的時間大大縮短，提升系統的吸空現象得到了明顯改善。

4結語

（1）運用AMESim仿真軟件可以方便快捷地構建提升液壓系統的圖形化仿真模型；按照實際系統參數設置模型元件參數，對提升液壓系統存在的問題進行分析及改進，可有效提高研發效率，降低研發成本。

（2）在現有提升液壓系統的基礎上，提出通過使用先導式溢流閥、二位二通電磁換向閥，使提升系統在提升、下降、閉鎖狀態與浮動狀態具有不同的工作壓力，實現了二級調壓。在浮動狀態下，系統以較低的壓力值向提升油缸補油；在回油路上通過單向閥建立了一定背壓，防止浮動狀態下提升油缸出現吸空現象導致長時間的負壓，減小或消除攤鋪機停車起步過程中因提升油缸產生位移造成路面的壓痕和起拱，從而提高攤鋪路面質量。

（3）通過對改進后的提升液壓系統進行仿真分析，得出以下結論：提升油缸兩腔出現負壓的時間明顯縮短，吸空現象明顯改善；同時，浮動狀態下，提升液壓系統以較小的壓力值溢流，降低了系統的壓力損失。

（4）實際攤鋪作業驗證結果顯示：改進后的提升液壓系統相比改進前吸空現象明顯改善，與仿真分析結果趨勢一致，驗證了攤鋪機提升液壓系統仿真模型的準確性及AMESim仿真分析方法的可行性。

參考文獻：

[1]張偉.基于ANSYS的瀝青混凝土攤鋪機熨平板有限元分析[D].西安：長安大學，2013.

[2]龔敬.履帶式攤鋪機行走液壓系統啟動及轉向工況研究[D].長春：吉林大學，2014.

[3]付久長，王永杰，馬龍，等.仿真技術在液壓系統中的運用及展望[J].液壓氣動與密封，2014，34（9）：12.

[4]王威，戴錦春，巫世晶，等.AMESim在液壓傳動教學中的應用[J].液壓氣動與密封，2014，34（10）：5255.

[5]韓慧仙，曹顯利.基于AMESim的輪胎式起重機行走液壓系統仿真與優化[J].起重運輸機械，2009（7）：1316.

[6]金勝秋.基于AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結構研究[D].長春：吉林大學，2009.

[7]李家柱.基于AMEsim的車輛關鍵點振動仿真及分析[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[責任編輯：高甜]