混凝土泵液压系统建模与仿真研究.pdf

2 0 1 0年 1 1 月 第 3 8 卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL & HYDRAUL I CS NO V 2 0l 0 Vo l I 3 8 No 21 D OI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 13 8 8 1 2 0 1 0 2 1 0 2 8 混凝土泵液压系统建模与仿真研究 刘会勇 ，李伟。 ，赵青。 ( 1 贵州大学机械 工程与 自动化 学院，贵 州贵 阳 5 5 0 0 0 3 ； 2 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭州 3 1 0 0 2 7 ； 3 贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳 5 5 0 0 0 3 ) 摘要：根据流变学原理，混凝土在输送管道中的流动为 “ 柱塞流” 。采用 A ME S i m建立混凝土泵开式液压系统仿真模 型，并进行仿真。结果表明，混凝土泵液压系统压力冲击主要出现在泵送开始时和泵送结束后换向阀换向时。在换向阀换 向之前降低进入主油缸油液流量，可以降低换向压力冲击。此外，根据液压系统压力和活塞位移之间的相关性，通过测量 液压系统压力和活塞位移，并对压力和位移变化曲线进行分析，可以计算混凝土泵实时排量。 关键词：混凝土泵；液压系统；A M E S i m；压力冲击；排量 中图分类号：T H 3 2 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1( 2 0 1 0 )2 1 0 9 9 3 St ud y o n M o d e l i ng a nd Si mu l a t i o n o f Co n c r e t e Pump Hy dr a ul i c S y s t e m L I U H u i y o n g ， L I We i ， Z H A O Q i n g ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g a n d A u t o m a t i o n ，G u i z h o u U n i v e r s i t y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2 S t a t e K e y L a b o rat o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i ang U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 2 7 ，C h i n a ； 3 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ，G u i z h o u U n i v e r s i t y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f r h e o l o g y，t h e fl o w o f c o n c r e t e i n t h e t r a n s p o r t p i p e l i n e i s“ p l u g fl o w” T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f c o n c r e t e p u mp o p e n h y d r a u l i c s y s t e m W as e s t a b l i s h e d b y u s i n g AMES i m ，a n d t h e s i mu l a t i o n W as c a r r i e d o u t T h e s i mu l a t i o n r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e p r e s s u r e s h o c k o f c o n c r e t e p u mp h y d r a u l i c s y s t e m o c c u r s a t t h e t i me o f t h e b e g i n n i n g a n d t h e e n d o f p u mp i n g w h i l e c h a n n g t h e d i r e c t i o n o f t h e s w i t c h v a l v e Th e p r e s s u r e s h o c k c a n b e r e d u c e d t h r o u g h r e d u c i n g t h e fl o w r a t e o f o i l w h i c h fl o w s i n t o t h e ma s t e r c y l i n d e r b e f o r e c h a n g i n g t h e d i r e c t i o n o f t h e s wi t c h v a l v e T h e r e al t i me d i s c h a r g e o f t h e c o n c r e t e p u mp c a n b e c alc u l a t e d b y me asu r i n g a n d a n a l y z i n g t h e h y d r a u l i c s y s t e m p r e s s u r e a n d t h e p i s t o n d i s p l a c e me n t o n t h e b a s e o f t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e m Ke y wo r d s ：C o n c r e t e p u mp；Hy d r a u l i c s y s t e m ；AME S i m ；P r e s s u r e s h o c k；Di s c h arg e 混凝 土泵在泵送混凝土 时，两个主油缸在压力油 的作用下交替动作 ，油管 中液压油 的压力和流向在换 向阀换 向时发生变化 ，在液压系统 中就会不可避免地 产生液压冲击和振动 ，将导致混凝土泵使用寿命 大大降低，严重时会发生 “ 泵”毁人亡的事故。因 此，对于混凝土泵液压系统，在设计时仅作静态分析 不能满足设计要求，同时还要进行动态分析 ，以了解 液压系统的动态性 能和过 渡品质 。 A M E S i m是 法 国 I M A G I N E公 司 开发 的 高级 工 程 系统仿真建模环境 ，为液压、机械、控制等系统提供 了一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案， 可以建立复杂的多学科领域系统的数学模型，并在此 基础上进行仿真计算和分析 。 作者在分析混凝土泵液压系统工作原理的基础 上，采用 A M E S i m建立混凝土泵液压系统仿真模型， 进行动态仿真，分析混凝土泵液压系统动态特性。 1 混凝土泵液压 系统工作原理 混凝土泵的工作方式 是通过压力油推动主油缸活 塞 ，从而推动 混凝 土缸 活塞 来实 现泵 送混 凝 土 的过 程 。其工作原理如图 1 所示 。 图 1 混凝土泵液压系统原理图 7 5 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 91 6 基金项目：贵州省自然科学基金项 目 ( 黔科合 J 字 2 0 0 9 2 2 3 4号) ；贵州大学引进人才基金项 目 ( 贵大人基合字 ( 2 0 0 8 ) 0 3 9号) ；国家自然科学基金资助项 目 ( 5 0 4 7 5 1 0 3 ) ；贵州省重大专项基金项 目 ( 黔科合重大专项字 ( 2 0 0 9 ) 6 0 0 3号 ) 作者简介 ：刘会 勇 ( 1 9 7 9 一 ) ，男 ，博 士 ，副教 授 ，研 究 方 向为机 电系统 的测量 和 控 制。 电话 ：1 3 5 9 5 1 4 9 1 2 5 ，Em a i l ： hu i y o ngl i u s o hu c o rn 。 1 0 0 机床与液压 第 3 8 卷 电机 5带动液压泵 4转动 ，液压泵 4输 出的压力 油经三位 四通阀 7进入主油缸 8的无 杆腔 ，主油缸 活 塞 l 0 前进 ，推动混凝土缸 活塞 l 4 ，将混凝 土排 出混 凝土缸 1 6 。主油缸 8和 9的有杆腔通过油管连通 ，当 主油缸活塞 1 0前进时 ，主油缸活塞 1 1 后退 ，因此混 凝土缸活塞 1 5后退 ，将混凝 土吸入混凝 土缸 l 7 ，从 而实现混凝土的连续泵送 。 2混凝土泵液压系统仿真模型 2 1 泵送 混凝 土流动 状 态分析 混凝土在输送 管道 中流动时 ，要承受泵送压力 和 输送管道管壁的摩擦 力 ，其流动状态可用宾哈姆体 流 变模型进行研究 ，其流变方程为 r ： r 。 + ( 1 ) r r o + L 式 中：7 - 为剪切应力 ； 为屈服剪切应力 ； 7 7 为黏性 系数 ； 半 为速度梯度。 对于泵送混凝土，可认为是宾哈姆体在推力作用 下沿管道的流动，如图2 所示 J 。 图2 宾哈姆体沿管道流动 在 目前 的泵送条件下 ，泵送混凝土在输 送管中的 流动理论上属于层流。根据 图 2可求 得层流 的流速变 化规律 ( r ) ( 2 ) 即流速随半径成二次抛物线变化 ， r = 0 处 V = V ； r = 尺处 = 0。层流的剪切应力随管道半径变化的规律为 d v d ( 吖 。 ) p 一 叼 一 叼 一 j 即剪切应力随半径成直线变化 ， r = 0处 r ：0； r = R 处 ： R ，为最大 。 根据宾哈姆体的流变方程式( 1 ) 可知，当rf 。 开始流动 。而由层 流的剪切应力 变化规 律式( 3 )可 知近管壁处的剪切应力 最大。因而在混凝土泵的推 动下，泵送混凝土在输送管中产生柱塞流动 J 。 2 2 泵送混凝土负载计算 混凝土泵在泵送 混凝 土时其泵送负载包括输送管 道 中混凝土的流动阻力和混凝土与管壁间 的摩擦力和 黏附力，在垂直管中还要克服混凝土的重力。S M o r i n a g a 提出的泵送负载计算公式为 p = K 2 ( 1 + ) 小 s in ( 4 ) K =( 3 00 1 S)1 0 ( 5 ) = ( 4 0 0 1 S )1 0 ( 6 ) 式中 ： P为混凝土泵送压力 ，P a ； 为混凝土容重 ，k g ( m s ) ； 5 - 为混凝土在输送 管道 中平均流速 ，m s ； 为输送管道长度 ，m； t 为活塞推动时混凝土流动时问 ，s ； t ， 为分配阀换向时混凝土停止流动时间，s ； r 为输送管道 内径 ，m； 为 黏着系数 ，P a ； 为速度系数，P a s m； s为混凝土坍落度 ，m m。 假定混凝土不可压缩，则输送管道内混凝土的平 均流速 和混凝土泵 输送缸 中活塞速度 的关 系为 ： 1 、2 一 c D ， 1、 1 D 2 式中： D 为混凝土泵输送缸直径，m m； D 为输送管道直径 ，m m。 将式( 7 ) 代人式( _4 ) ，则泵送负载计算公式为： p ： + 筹】 + n 2 3 混凝土泵液压 系统仿真模型 A M E S i m的建模需 要依次完 成草 图模式 、 子模型模式、参数模 式 和 运 行 模 式 。启 动 A M E S i m 之 后 ，首 先进 入 草 图 模 式 ，在 机 械 库 、信 号 和 控 制 库 、液 压 库 和 液 压 阀 库 中选 取 适 当的 元件 如 液 压 泵 、油 缸 、溢 流 阀及电磁换 向阀等 ， 绘制混凝土泵液压 系 统仿真模型草 图。其 次，进入 子模 型模式 选择 各 个 元 件对 应 的 子模 型。各个元 件一 般有多个子模 型可供 选择 ，也 可 以 自定 义 子模型 ，A ME S i m还提 供 了各 个 元 件 的默认 子模 型 ( P r e m i e r S u b m o d e 1 ) 。然 后 ，进 入 图 3 混凝土泵液压系统 A ME S i m仿真模型 第 2 1 期 刘会勇 等：混凝土泵液压系统建模与仿真研究 1 0 1 参数模式 ，设置各个元件对应子模型的参数。其 中： 主油缸直径 为 1 3 0 m m，活塞 杆直 径 为 8 0 m m，行 程 为 I 8 n l ，质 量设 定 为 1 5 0 k g ；溢 流 阀调 定 压 力 为 4 0 MP a ；电机输 出转速 为 1 4 8 0 r m i n 。最 后 ，进 入 运行模式设置仿真参数，仿真时间为 4 S ，仿真步长 为 0 0 0 1 s 。设置完成 后即可运行仿 真。 此外 ，为了实现泵送负载的动态加载 ，在模 型 中 添加了两个速度传感器和力单元 ，通过判断主油缸速 度的正负实现泵送负载的动态加载：若速度传感器输 出值为正 ，说明混凝土缸处于排料行程 ，则应该添加 泵送负载 ；当速度传感器输出值为负 ，说明混凝土缸 处于吸料行程 ，则负载为 0 。 3 仿真结果和分析 泵送工况 。输送管道水平布置 ，泵送距离 =1 0 1T I ， 混凝土缸直径 D =2 0 0 m m，输送 管道 直径 D 。 = 1 5 0 m m，混凝土坍落度 S =1 5 c m，密度 p = 2 3 51 0 k g m 。不计混凝土重力 和惯性 的影 响 ，忽略 电机 内 特性和动态特性 ，不计活塞与主油缸和混凝土缸摩擦 力 ，仿真结果如 图 4示 。 3 2 塞 交i 0 一O 时 间 s ( a ) 液压 泵 出 口压力 曲线 时间， s 星 收 出 1一主 油 缸8 无 杆腔 压 力 2 一主 油 缸9 无 杆腔 压 力 1 2 时 间， s ( b ) 主油 缸8 和9 无 杆 腔压 力 曲线 l 一 混凝 土泵 活 塞1 O 位 移 2一 混凝 土泵 活 塞l 1 位 移 1 鲁 1 0 0 O ( c ) 主 油缸8 和9 连通腔 压 力 曲线 ( d ) 混凝土 泵 活塞 位 移 曲线 1 一 混 凝土 泵 活塞l 0 速 度 1 0 i 0 氲 一 0 1 一1 时 间 s ( e ) 混凝土泵活塞速度 曲线 图4 仿真结果 仿真结果分析： ( 1 )图4( a )为主液压泵出口压力曲线。泵送 开始时主液压泵出口压力在 0 0 2 s内从0 MP a 上升到 8 5 MP a ，经过 0 1 3 s 振荡后 ，压力稳定在 7 0 M P a 。 这是由于混凝土缸活塞接触混凝土时，负载突然增加 引起的冲击。在泵送过程中，主液压泵出口压力保持 恒定。泵送结束时 ，主液压泵出口压力在 0 0 3 7 s 内 从 7 0 M P a上升到 3 8 7 5 MP a ，这 是 由于电磁换 向阀 的换向引起的冲击。电磁阀换向结束后 ，主液压泵出 口压力迅速降低 。 ( 2 ) 图 4 ( b )为 主油缸 8和 9无杆腔压力 曲线 。 可见当泵送开始和泵送结束电磁阀换向时，主油缸压 力会产生较大的换向冲击 ；而在泵送过程中，主油缸 压力保持不变 。 ( 3 )图 4 ( C )为主油缸 8和 9连通腔压力 曲线 。 泵送开始时连通腔压力在 0 0 2 8 s 内从 0 MP a 上升到一 个较大值，之后做周期性振荡至一稳定值 0 4 2 3 M P a 。 在泵送 过 程 中 ，连 通 腔 压 力 保 持 不 变 ，其 压 力 为 o 4 2 3 M P a 。泵送结束后连通腔压力下降为0 0 0 1 M P a 。 ( 4 )图4( d )为混凝土泵活塞位移曲线。当混 凝 土缸 8通压力油时 ，混凝 土泵活塞 1 0的位移从 0 n l 逐 渐增加 到 1 8 i n ，混凝土泵活塞 1 1 的位移从 1 8 m 逐渐减少 到 0 n l 。活塞 l 0运动 至行 程末 端后 ，等待 换 向系统换 向。之后 ，混凝土缸 9通压力油 ，混凝土 泵活塞 1 O的位移从 1 8 m逐渐减少到0 11 1 ，混凝土泵 活塞 1 1 的位移从 0 n q 逐渐增加到 1 8 m。 ( 5 )图4 ( e )为混凝土泵活塞速度曲线。泵送 开始时 ，活塞速度振动较大 ，这是由于混 凝土缸 活塞 接触混 凝土时 ，负载 突然增 加造成 的。泵送 过程 中， 活塞速度保持不变 ，其值为 0 9 2 m s ；泵送结束后 电磁阀换向时，活塞速度迅速下降。 4结论 ( 1 )泵送开始时和泵送结束后 电磁阀换 向时， 液压系统会产生压力冲击，特别是电磁阀换向时压力 冲击很大。换向压力冲击不容忽视，应在换向阀换向 之前，降低进入主油缸油液流量，以减小活塞运动速 度，从而降低换向压力冲击。 ( 2 )主液压泵 出口压力与泵送混凝土过程和混 凝 土泵 活塞位 移密切 相关 。压力 的上升 、稳定和下降 过程分别对应混凝土的压实 、稳定泵送和泵送结束。 ( 3 )可 以通 过测 量 主液压 泵 出 口压 力和 混凝 土 泵活塞位移，对主液压泵出口压力和活塞位移进行分 析 ，计算混凝土泵实时排量 。 参 考文 献 ： 【 1 】张大庆， 郝鹏， 何清华， 等 液压冲击对混凝土泵车结构 振动性能影响的试验研究 J 机床与液压， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 1 031 0 7 【 2 】彭秀英 混凝土泵开式液压系统液压 冲击分析与对策 J 液压与气动， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 1 21 4 【 3 】 付永领 ， 祁晓野 A M E S i m系统建模和仿真从入门 到精通 M 北京 ： 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 I 4 】刘海丽， 李华聪 液压机械系统建模仿真软件 A M E S i m 及其应用 J 机床与液压， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 1 2 4 1 2 6 【 5 】余佑管， 龚国芳 ， 胡国良 A M E S i m仿真技术及其在液压 系统中的应用 J 液压气动与密封， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 2 8 3 1 【 6 】赵 击 缙 泵送混 凝土 M j E 京： 中国建 材工业出 I i ， 1 9 8 5 【 7 】 冯乃谦 流态混凝土 M 北京 ： 中国铁道出版社， 1 9 8 8 【 8 】B r o w n e R o g e r D ， B a m f o r t h P h i l l i p B T e s t s t o e s t a b l i s h c o n c r e t e p u mp a b i l i t y J J o u rna l A C I ， 1 9 7 7 ( 5 ) ： 1 9 32 0 3