高鳳陽(yáng)，張 亞，王 珊，賈財(cái)運(yùn)

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

基于AMESim的混凝土泵車(chē)排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真與研究

高鳳陽(yáng)，張 亞，王 珊，賈財(cái)運(yùn)

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

針對(duì)混凝土泵車(chē)液壓雙向變量泵排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，闡述了其結(jié)構(gòu)、組成元件及工作原理，利用AMESim軟件平臺(tái)建立該系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了各個(gè)仿真元件的參數(shù)設(shè)置和模擬仿真。特別是對(duì)使用HCD分體元件庫(kù)構(gòu)成的液控伺服閥和變量伺服油缸的構(gòu)成過(guò)程以及其參數(shù)的設(shè)置過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。模擬仿真表明基于AMESim的該系統(tǒng)的仿真模型符合實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，為該系統(tǒng)實(shí)際排量調(diào)節(jié)控制提供理論依據(jù)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和時(shí)間。

AMESim；排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；混凝土泵車(chē)；建模與仿真

0 引言

混凝土泵車(chē)是集輸送成品混凝土和澆筑工序于一體的建筑機(jī)械，是可以連續(xù)均勻地泵送混凝土至某一高度的專(zhuān)用車(chē)型，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便的垂直輸送混凝土至預(yù)定地點(diǎn)，已成為現(xiàn)代建筑業(yè)中不可缺少的一種工程機(jī)械。

隨著國(guó)內(nèi)工程機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)混凝土泵車(chē)的可靠性要求越來(lái)越高，而其液壓系統(tǒng)可靠性對(duì)混凝土泵車(chē)的可靠性起著決定作用，其中雙向主液壓泵排量的調(diào)節(jié)對(duì)整個(gè)泵車(chē)液壓系統(tǒng)的可靠性，對(duì)整個(gè)混凝土泵車(chē)泵送混凝土的連續(xù)和穩(wěn)定，以及泵送排量大小的調(diào)節(jié)起到關(guān)鍵性作用。這種排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有典型性，能夠廣泛適用于多種工程機(jī)械和礦山機(jī)械的液壓系統(tǒng)。

主液壓泵排量調(diào)節(jié)通過(guò)操作排量控制的比例控制閥使主泵排量由零至最大無(wú)級(jí)變量。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)由排量比例控制閥接受不同信號(hào)，給出不同的壓差，進(jìn)而控制伺服閥油口開(kāi)啟大小、方向發(fā)生變化，使得伺服油缸活塞兩端產(chǎn)生不同壓差，伺服油缸桿牽動(dòng)主泵斜盤(pán)從而調(diào)節(jié)主泵輸出壓力油的流量大小、方向變化。這一過(guò)程是一相對(duì)復(fù)雜的控制過(guò)程，對(duì)這一過(guò)程的模擬和仿真可以了解其變化規(guī)律，有利于實(shí)際控制過(guò)程中采取正確的策略。所以研究此問(wèn)題比較有意義。

1 混凝土泵車(chē)液壓系統(tǒng)介紹及排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理分析

工程實(shí)踐中混凝土泵車(chē)液壓系統(tǒng)分為開(kāi)式和閉式兩種液壓系統(tǒng)。開(kāi)式系統(tǒng)壓力損失大，沖擊力大，工作時(shí)噪音大，但整個(gè)系統(tǒng)的控制容易；閉式系統(tǒng)的壓力損失小，換向的沖擊小，工作時(shí)相對(duì)安靜，液壓油的用油量少，但系統(tǒng)的控制較復(fù)雜。

本文所研究的混凝土泵車(chē)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由主泵和驅(qū)動(dòng)油缸組成的閉式液壓回路系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中主泵為雙向變量泵，其兩口直接分別與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸連接，兩油缸同側(cè)腔（無(wú)桿腔）相連。本文主要研究和討論排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化仿真，在泵車(chē)的主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中用一個(gè)雙出桿油缸代替兩個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸。

排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)由排量比例控制閥、三位四通電磁換向閥、伺服閥、變量伺服油缸以及主泵組成，主泵為雙向變量泵，推動(dòng)液壓油缸動(dòng)作，其液壓原理圖如圖1所示。圖中排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)由補(bǔ)油泵1供油，分兩路，一路通過(guò)伺服閥7到達(dá)伺服油缸 4，伺服油缸4通過(guò)鉸鏈推動(dòng)主泵 2的斜盤(pán)；另一路通過(guò)三位四通電磁閥到伺服閥閥芯兩側(cè)，并通過(guò)調(diào)節(jié)排量比例控制閥8，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制油路壓力，在伺服閥7兩端有不同的壓差，推動(dòng)閥芯產(chǎn)生不同的位移，使伺服閥7的油口開(kāi)啟方向、大小變化。從而由補(bǔ)油泵1輸出的壓力油經(jīng)伺服閥后產(chǎn)生不同的壓降作用于變量伺服油缸4兩側(cè)，變量伺服油缸活塞在兩端不同的控制壓力作用下，克服彈簧力移動(dòng)，并由連桿機(jī)構(gòu)牽動(dòng)主泵斜盤(pán)偏轉(zhuǎn)，從而使主泵輸出壓力油的流量大小，方向變化，達(dá)到調(diào)節(jié)主泵排量的目的。其中伺服閥7與伺服油缸4之間通過(guò)彈簧桿3連接，起到反饋調(diào)節(jié)作用。當(dāng)伺服閥7在右位時(shí)，即伺服閥7向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)伺服油缸4右腔供油，推動(dòng)伺服油缸4向左動(dòng)作，并通過(guò)彈簧桿3反作用于伺服閥7，使得伺服閥7向右移，油口開(kāi)口變小，進(jìn)入伺服油缸4右腔的液壓油減少，從而起到調(diào)節(jié)作用。

圖1 排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓原理圖

2 基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模

根據(jù)混凝土泵車(chē)排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理，在AMESim軟件平臺(tái)中，調(diào)用軟件所提供的液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、控制信號(hào)庫(kù)和HCD庫(kù)建立如圖2所示的液壓系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)實(shí)際情況，基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在AMESim軟件平臺(tái)中的液壓元件庫(kù)中由于沒(méi)有所需要的變量伺服油缸和伺服閥，因此要運(yùn)用HCD庫(kù)中的分體元件進(jìn)行搭建。

液控伺服閥由HCD庫(kù)中的4種分體元件的構(gòu)成，其組合結(jié)果如圖3所示，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定閥徑均為15mm，中間桿徑均為5mm。由液壓原理圖知液控伺服閥為類(lèi)似于帶阻力的H型閥，在閥處于中位時(shí)，四個(gè)油口相通但帶有一定阻尼， 故零位移時(shí)每個(gè)帶孔活塞軸孔徑應(yīng)有一定的開(kāi)口量。 考慮到伺服閥流量不大，因此采用節(jié)流孔部件為非全圓的，設(shè)定孔徑為1mm，數(shù)量12個(gè)。由于運(yùn)用HCD庫(kù)中構(gòu)成的伺服閥不能定位，因此選擇加入了可限制位移的質(zhì)量塊，由節(jié)流孔部件的孔徑為 1mm，即閥芯運(yùn)動(dòng)1mm就可以覆蓋整個(gè)孔，故可限制的質(zhì)量塊位移限制范圍為－1mm～1mm，質(zhì)量塊大小為0.5kg。由于排量比例控制閥調(diào)定的壓力范圍為6～18bar，即伺服閥的預(yù)壓力為6bar，而伺服閥兩側(cè)壓力為18bar時(shí)，伺服閥兩側(cè)壓力應(yīng)能夠與伺服閥兩側(cè)彈簧力平衡，并能使伺服閥位移達(dá)到最大，由以上兩點(diǎn)最終選定伺服閥兩側(cè)的彈簧剛度為22N/mm。

圖2 液壓排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型

表1 仿真模型中的基本參數(shù)

圖3 伺服閥HCD模型

伺服油缸的HCD模型搭建相對(duì)于伺服閥簡(jiǎn)單，模型如圖4所示，伺服油缸也由HCD庫(kù)中4個(gè)分體元件構(gòu)成。根據(jù)實(shí)際要求活塞直徑設(shè)定為10mm，桿徑設(shè)定為 5mm。同樣伺服油缸選用可限制位移質(zhì)量塊，根據(jù)油缸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍，質(zhì)量塊的位移限制范圍為－0.15m～0.15m，質(zhì)量塊大小為0.5kg。考慮伺服油缸內(nèi)置彈簧與油缸兩腔的壓力平衡，即當(dāng)排量比例控制閥調(diào)定最大開(kāi)啟壓力時(shí)，伺服油缸兩腔的壓力應(yīng)達(dá)到34bar，且伺服油缸的位移能達(dá)到最大，最終確定伺服油缸活塞桿上的彈簧的彈簧剛度為1N/mm。

圖4 伺服油缸HCD模型

前面提到由于在實(shí)際當(dāng)中伺服閥與變量伺服油缸之間有一種反饋的關(guān)系，而這種反饋是建立在一根彈簧桿上的，因此為模擬實(shí)際當(dāng)中的這種反饋，在變量伺服油缸一端加上了位移傳感器，在伺服閥一側(cè)加上彈簧，而由位移傳感器發(fā)出的位移信號(hào)不能直接給到彈簧，彈簧輸出的是位移和速度，因此在彈簧一端加linearxvfromxcon元件，再由此元件傳遞給彈簧，并通過(guò)彈簧傳給伺服閥，從而形成反饋，這樣能夠真實(shí)的模擬反饋過(guò)程，如圖5所示。而為使得這個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)，模擬彈簧桿的外加彈簧的參數(shù)，最終調(diào)定彈簧剛度為10N/mm。

圖5 伺服閥與伺服油缸反饋HCD模型

3 仿真結(jié)果及分析

以上模型建立完畢，運(yùn)行仿真，能夠得到仿真模型的各參數(shù)曲線及分析仿真結(jié)果的特性。

給定排量比例控制閥一個(gè)輸入信號(hào)，運(yùn)行仿真后，得到仿真結(jié)果。

圖6 為伺服閥的位移曲線，圖7為伺服油缸的位移曲線，其中實(shí)線均為輸入信號(hào)為9，虛線均為輸入信號(hào)為18的情況。由以下兩圖可知，輸入信號(hào)越大則伺服閥的位移就越大，其開(kāi)口量也變大，使得伺服油缸的位移也變大。而由圖7中標(biāo)注的四點(diǎn)可知，不論輸入信號(hào)為9或18時(shí)，伺服油缸位移從一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)用時(shí)均在0.2s內(nèi)，由于伺服油缸通過(guò)鉸鏈牽動(dòng)主泵的斜盤(pán)，即主泵的換向是在0.2s內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用中混凝土泵車(chē)主泵換向的要求，能夠達(dá)到持續(xù)泵送混凝土的目的。

圖8 為伺服油缸右腔的壓力圖，由于左腔壓力類(lèi)似，故沒(méi)有列出曲線。其中虛線和實(shí)線所代表的壓力曲線為伺服油缸內(nèi)置彈簧彈簧剛度分別為 1N/mm、0.5N/mm的壓力曲線，由此知伺服油缸的油壓力跟內(nèi)置的彈簧剛度有關(guān)，可以調(diào)節(jié)彈簧剛度來(lái)調(diào)節(jié)伺服油缸的壓力。為使得混凝土泵車(chē)液壓系統(tǒng)中的 SN系統(tǒng)能夠起作用，要求伺服油缸壓力應(yīng)達(dá)到 30bar以上，由圖8知當(dāng)內(nèi)置彈簧彈簧剛度為1N/mm時(shí)完全能夠滿足要求。

圖9 為主泵排量曲線圖，虛線為當(dāng)排量比例控制閥達(dá)到最大開(kāi)啟壓力時(shí)的主泵排量曲線，可以看出，給定排量比例控制閥最大開(kāi)啟壓力值時(shí)，主泵達(dá)到最大排量。實(shí)線為當(dāng)輸入信號(hào)為9時(shí)運(yùn)行仿真得到的主泵排量曲線。由上圖對(duì)比可知，給定排量比例控制閥不同的值，則主泵輸出不同的排量，即可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸入的信號(hào)值來(lái)調(diào)節(jié)主泵排量。

4 結(jié)論

（1）液壓雙向變量泵排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果可以說(shuō)明該模型能夠?qū)崿F(xiàn)主泵系統(tǒng)的排量調(diào)節(jié)及過(guò)程，且關(guān)鍵參數(shù)伺服油缸兩腔的壓力、主泵的換向時(shí)間等能達(dá)到實(shí)際要求，為后續(xù)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制奠定基礎(chǔ)。

圖6 伺服閥位移

圖7 伺服油缸位移

圖8 伺服油缸右腔壓力曲線

圖9 主泵排量

（2）運(yùn)用AMESim軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)混凝土泵車(chē)液壓雙向變量泵排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模與仿真，且仿真結(jié)果可信，運(yùn)用該平臺(tái)大大降低了數(shù)據(jù)的獲取難度和試驗(yàn)成本。

（3）本文所研究的排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以運(yùn)用到其他工程機(jī)械的液壓泵排量調(diào)節(jié)中，為該系統(tǒng)實(shí)際排量調(diào)節(jié)控制提供理論依據(jù)。

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Modeling and Analysis of Displacement System in Concrete Pump Truck Based on AMESim

GAO Feng-Yang，ZHANG Ya，WANG Shan，JIA Cai-Yun
(School of Transport and Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang Liaoning 110168,China)

This article aims at hydraulic bidirectional variable pump displacement system of the concrete pump truck,expounds the displacement system of the structure,components and working principle,built the simulation model of the system using AMESim software platform, have each simulation component parameter Settings and simulation.Especially to the process and its parameter setting process of hydraulic controlled servo valve and the structure of variable cylinder used of HCD fission element library were described in details.Simulation shows that results of the system based on AMESim simulation conform to the actual system,provides the theory basis for the actual displacement control of the system,and save the experiment cost and time.

AMESim；displacement system；concrete pump truck；modeling and simulation

TP319.9

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.034

1002－6673（2014）03－085－03

2014－03－16

高鳳陽(yáng)（1955-），男，教授。研究方向：液壓傳動(dòng)、控制工程、機(jī)電一體化等方面科研教學(xué)。