基于AMESim的混凝土泵送系統機電液耦合仿真及參數優化

王勇剛 賀電 羅斌

摘要：混凝土泵送系統在換向階段會存在明顯的壓力沖擊，其與機電液匹配特性相關。本文首先根據系統工作原理及元件型號，等效建立AMESim動態特性仿真模型;然后以試驗數據為依據，進行系統模型調試，完成模型驗證;最后，進行參數優化，降低泵送系統換向過程中的壓力沖擊現象。

關鍵詞：AMESim仿真? 壓力沖擊;動態特性;參數優化

前言

泵送系統是混凝土泵車的重要組成部分，其通過機械結構、液壓傳動、電氣控制協同工作共同實現泵送功能。機電液耦合性能的好壞，對總體泵送性能起決定性作用。依據試驗數據，泵送系統在換向過程中，額定工況下的沖擊壓力幅值達到11MPa，導致系統故障率高，壽命降低。本文將通過匹配性分析和參數優化，降低換向過程中的壓力沖擊幅值。

技術路線

泵送系統機電液耦合仿真技術路線（圖1）。整個過程分析建模過程、調試過程和參數優化過程。

建模過程按照機械系統、液壓系統和電控系統單獨建模后進行耦合。機械系統主要體現為負載，根據實際情況完成負載等效簡化。液壓系統是由多個液壓元件組成的，首先根據樣本和實測數據完成液壓元件建模，然后依據液壓原理圖完成液壓系統創建。電控系統主要為各液壓元件的控制策略，包含信號處理、延遲等功能，依據試驗過程中的控制策略，完成電控系統建模。三個系統模型的耦合則依據系統總圖完成。

調試過程是指試驗現象復現和模型參數修正。依據試驗數據，完成機電液耦合模型中的參數修正，完善系統模型，是參數優化的基礎。

參數優化過程是指液壓系統優化和控制策略優化。以降低換向過程中的沖擊現象為目標，優化液壓系統中的液壓元件選型參數、各閥件的控制策略等。

液壓元件建模

泵送系統機電液耦合模型中，液壓系統模型是最重要的，而液壓元件是液壓系統的基礎，故需保證液壓元件模型的準確性。圖2所示為液壓元件建模流程，主要的液壓元件均按照此流程進行。圖3所示為液壓元件建模示例，通過尺寸測量、數據縮放，并根據截面原理，完成AMESim模型創建。

機電液耦合模型創建

依據技術路線和液壓元件建模流程，結合系統總圖、液壓原理圖等，完成泵送液壓系統機電液耦合AMESim模型創建，如圖4所示。機械系統模型包含：S管、等效負載、質量塊、彈簧阻尼器等;液壓系統模型中包含：恒功率主泵、主油缸換向閥、擺缸換向閥、主油缸、擺缸、單向閥、換向閥、溢流閥、節流閥等;電控系統模型包含：位移傳感器、速度傳感器、信號采樣、觸電信號開關、信號限幅、信號處理等。

模型修正及調試

泵送系統AMESim仿真模型創建完成后，必須進行試驗驗證和修正，以試驗數據為對標基礎，修正仿真模型中的相關參數。在本階段，主要修正的模型參數有：管路表面粗糙度、容積腔體積、阻尼特性、信號延遲時間、信號階躍梯度、信號限幅等。

圖5所示為仿真的主泵壓力出口曲線，圖6所示為試驗的主泵壓力出口曲線，壓力波谷階段為系統的換向階段。對比主泵最大壓力，仿真結果為19.7MPa，試驗結果為19.7MPa，兩者一致。對比換向階段的壓力沖擊幅值，仿真結果為10.5MPa，試驗數據為11MPa，兩者誤差較小。對比壓力變化曲線，兩者的壓力變化趨勢一致，只是在上升階段的壓力數值會存在誤差。分析原因為：壓力上升的過程就是系統流量上升的過程，在此過程中，混凝土存在壓縮以及流速增大的現象，而混凝土的壓縮特性和流動特性變化范圍大，仿真時只能采用某一工況下的數值進行替代，與試驗情況會存在差別。但是，仿真結果和試驗結果在壓力數值和變化趨勢保持一致，可用于后續的液壓系統優化和控制策略優化。

控制策略優化

5.1 優化方案

泵送系統目前采用的換向階段控制策略為：電控系統收到換向信號后，主換向閥和擺缸換向閥同時換向，先導溢流閥失電，主泵排量降低，持續數秒后再增大排量。該控制策略的目的是減低主泵壓力沖擊，以及保證泵送系統輸送的連續性。

本控制策略的優化點集中在主泵控制，主泵為恒功率泵，由電氣控制，在換向期間會降低排量。本優化方案為：在換向期間，主泵的恒功率控制失效，其排量為換向前的主泵排量減去1/3主泵額定排量。

5.2 優化效果

根據優化方案，修改泵送系統AMESim機電液耦合模型中的主泵排量控制模型及參數，并以相同的試驗工況進行泵送系統機電液耦合仿真。

圖7所示為控制策略優化后的主泵壓力曲線，壓力幅值和變化趨勢與試驗現象保持一致，控制策略的優化不會改變泵送系統的整體功效。圖8所示為換向階段壓力曲線，壓力沖擊的幅值為5.3MPa，試驗結果為11MPa，幅值降低52%，效果明顯。但是，在換向階段，依然存在多次的壓力沖擊現象。

液壓系統優化

6.1 優化方案

泵送系統在控制策略優化后，換向階段的壓力沖擊降低了52%，但是依然存在多個沖擊波形，需要進行液壓系統優化。

在換向階段，先導溢流閥會失電，使系統壓力降低，此時的溢流閥相當于單向閥。而單向閥在入口壓力變化過程中，其行程改變而導致通流面積的變化，一旦單向閥特性選擇不合適，會造成明顯的壓力沖擊現象。本次優化時，采用節流閥+開關閥的組合功能代替先導溢流閥。非換向工況，開關閥關閉，節流閥不起作用;換向工況，開關閥打開，節流閥起作用，降低系統壓力。

6.2 優化效果

根據優化方案，修改泵送系統AMESim機電液耦合模型，先導溢流閥更改為節流閥+開關閥的組合，并以相同的試驗工況進行泵送系統機電液耦合仿真。

圖9所示為液壓系統優化后的主泵壓力曲線，壓力幅值和變化趨勢與試驗現象保持一致，液壓系統的優化不會改變泵送系統的整體功效。圖10所示為換向階段壓力曲線，先前的壓力沖擊現象消失，效果明顯。

結論

本文運用AMESim軟件對某泵送液壓系統進行了動態特性仿真及參數優化，得到如下結論：

（1）泵送系統AMESim建模以及參數設置時，嚴格按照元件樣本參數和工作原理進行，并用試驗數據對AMESim模型進行驗證，確保了AMESim建模的正確性。

（2）本文通過優化控制策略和液壓系統，消除了換向階段的壓力沖擊現象，效果明顯。

（3）后續還可以用該模型進行其他特性優化，使泵送系統的性能更優。

綜上所述，優化后的泵送系統在換向階段的壓力沖擊現象基本消除。

參考文獻

[1]付永領等.LMS Imagine. Lab AMESim系統建模和仿真[M].京航天航空出版社，2011

[2]安林超等.基于AMESim的安全閥動態特性仿真[J].機械工程，2008

[3]金勝秋等.基于AMESim的液壓同步閥仿真分析及結構改進研究[J].液壓與氣動，2009

[4]石磊，孫凱.基于AMESim克令吊起升液壓系統仿真與分析[J].機電設備，2011

責編/馬銘陽