基于AMESim的混凝土泵车排量调节系统的仿真与研究

高凤阳，张 亚，王 珊，贾财运

（沈阳建筑大学 交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）

基于AMESim的混凝土泵车排量调节系统的仿真与研究

高凤阳，张 亚，王 珊，贾财运

（沈阳建筑大学 交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）

针对混凝土泵车液压双向变量泵排量调节系统，阐述了其结构、组成元件及工作原理，利用AMESim软件平台建立该系统的仿真模型，进行了各个仿真元件的参数设置和模拟仿真。特别是对使用HCD分体元件库构成的液控伺服阀和变量伺服油缸的构成过程以及其参数的设置过程进行了详细的描述。模拟仿真表明基于AMESim的该系统的仿真模型符合实际系统的运行结果，为该系统实际排量调节控制提供理论依据，节省实验费用和时间。

AMESim；排量调节系统；混凝土泵车；建模与仿真

0 引言

混凝土泵车是集输送成品混凝土和浇筑工序于一体的建筑机械，是可以连续均匀地泵送混凝土至某一高度的专用车型，其最大的优点在于能够方便的垂直输送混凝土至预定地点，已成为现代建筑业中不可缺少的一种工程机械。

随着国内工程机械技术的不断发展，对混凝土泵车的可靠性要求越来越高，而其液压系统可靠性对混凝土泵车的可靠性起着决定作用，其中双向主液压泵排量的调节对整个泵车液压系统的可靠性，对整个混凝土泵车泵送混凝土的连续和稳定，以及泵送排量大小的调节起到关键性作用。这种排量调节系统具有典型性，能够广泛适用于多种工程机械和矿山机械的液压系统。

主液压泵排量调节通过操作排量控制的比例控制阀使主泵排量由零至最大无级变量。该调节系统由排量比例控制阀接受不同信号，给出不同的压差，进而控制伺服阀油口开启大小、方向发生变化，使得伺服油缸活塞两端产生不同压差，伺服油缸杆牵动主泵斜盘从而调节主泵输出压力油的流量大小、方向变化。这一过程是一相对复杂的控制过程，对这一过程的模拟和仿真可以了解其变化规律，有利于实际控制过程中采取正确的策略。所以研究此问题比较有意义。

1 混凝土泵车液压系统介绍及排量调节系统工作原理分析

工程实践中混凝土泵车液压系统分为开式和闭式两种液压系统。开式系统压力损失大，冲击力大，工作时噪音大，但整个系统的控制容易；闭式系统的压力损失小，换向的冲击小，工作时相对安静，液压油的用油量少，但系统的控制较复杂。

本文所研究的混凝土泵车主驱动系统是由主泵和驱动油缸组成的闭式液压回路系统，实际应用中主泵为双向变量泵，其两口直接分别与两个驱动油缸连接，两油缸同侧腔（无杆腔）相连。本文主要研究和讨论排量调节系统，为简化仿真，在泵车的主驱动系统中用一个双出杆油缸代替两个驱动油缸。

排量调节系统由排量比例控制阀、三位四通电磁换向阀、伺服阀、变量伺服油缸以及主泵组成，主泵为双向变量泵，推动液压油缸动作，其液压原理图如图1所示。图中排量调节系统由补油泵1供油，分两路，一路通过伺服阀7到达伺服油缸 4，伺服油缸4通过铰链推动主泵 2的斜盘；另一路通过三位四通电磁阀到伺服阀阀芯两侧，并通过调节排量比例控制阀8，实现调节控制油路压力，在伺服阀7两端有不同的压差，推动阀芯产生不同的位移，使伺服阀7的油口开启方向、大小变化。从而由补油泵1输出的压力油经伺服阀后产生不同的压降作用于变量伺服油缸4两侧，变量伺服油缸活塞在两端不同的控制压力作用下，克服弹簧力移动，并由连杆机构牵动主泵斜盘偏转，从而使主泵输出压力油的流量大小，方向变化，达到调节主泵排量的目的。其中伺服阀7与伺服油缸4之间通过弹簧杆3连接，起到反馈调节作用。当伺服阀7在右位时，即伺服阀7向左运动，此时伺服油缸4右腔供油，推动伺服油缸4向左动作，并通过弹簧杆3反作用于伺服阀7，使得伺服阀7向右移，油口开口变小，进入伺服油缸4右腔的液压油减少，从而起到调节作用。

图1 排量调节系统液压原理图

2 基于AMESim的液压系统建模

根据混凝土泵车排量调节系统的工作原理，在AMESim软件平台中，调用软件所提供的液压库、机械库、控制信号库和HCD库建立如图2所示的液压系统的仿真模型。根据实际情况，基本参数设置如表1所示。

在AMESim软件平台中的液压元件库中由于没有所需要的变量伺服油缸和伺服阀，因此要运用HCD库中的分体元件进行搭建。

液控伺服阀由HCD库中的4种分体元件的构成，其组合结果如图3所示，根据实际情况设定阀径均为15mm，中间杆径均为5mm。由液压原理图知液控伺服阀为类似于带阻力的H型阀，在阀处于中位时，四个油口相通但带有一定阻尼， 故零位移时每个带孔活塞轴孔径应有一定的开口量。 考虑到伺服阀流量不大，因此采用节流孔部件为非全圆的，设定孔径为1mm，数量12个。由于运用HCD库中构成的伺服阀不能定位，因此选择加入了可限制位移的质量块，由节流孔部件的孔径为 1mm，即阀芯运动1mm就可以覆盖整个孔，故可限制的质量块位移限制范围为－1mm～1mm，质量块大小为0.5kg。由于排量比例控制阀调定的压力范围为6～18bar，即伺服阀的预压力为6bar，而伺服阀两侧压力为18bar时，伺服阀两侧压力应能够与伺服阀两侧弹簧力平衡，并能使伺服阀位移达到最大，由以上两点最终选定伺服阀两侧的弹簧刚度为22N/mm。

图2 液压排量调节系统仿真模型

表1 仿真模型中的基本参数

图3 伺服阀HCD模型

伺服油缸的HCD模型搭建相对于伺服阀简单，模型如图4所示，伺服油缸也由HCD库中4个分体元件构成。根据实际要求活塞直径设定为10mm，杆径设定为 5mm。同样伺服油缸选用可限制位移质量块，根据油缸的实际运动范围，质量块的位移限制范围为－0.15m～0.15m，质量块大小为0.5kg。考虑伺服油缸内置弹簧与油缸两腔的压力平衡，即当排量比例控制阀调定最大开启压力时，伺服油缸两腔的压力应达到34bar，且伺服油缸的位移能达到最大，最终确定伺服油缸活塞杆上的弹簧的弹簧刚度为1N/mm。

图4 伺服油缸HCD模型

前面提到由于在实际当中伺服阀与变量伺服油缸之间有一种反馈的关系，而这种反馈是建立在一根弹簧杆上的，因此为模拟实际当中的这种反馈，在变量伺服油缸一端加上了位移传感器，在伺服阀一侧加上弹簧，而由位移传感器发出的位移信号不能直接给到弹簧，弹簧输出的是位移和速度，因此在弹簧一端加linearxvfromxcon元件，再由此元件传递给弹簧，并通过弹簧传给伺服阀，从而形成反馈，这样能够真实的模拟反馈过程，如图5所示。而为使得这个系统达到平衡状态，模拟弹簧杆的外加弹簧的参数，最终调定弹簧刚度为10N/mm。

图5 伺服阀与伺服油缸反馈HCD模型

3 仿真结果及分析

以上模型建立完毕，运行仿真，能够得到仿真模型的各参数曲线及分析仿真结果的特性。

给定排量比例控制阀一个输入信号，运行仿真后，得到仿真结果。

图6 为伺服阀的位移曲线，图7为伺服油缸的位移曲线，其中实线均为输入信号为9，虚线均为输入信号为18的情况。由以下两图可知，输入信号越大则伺服阀的位移就越大，其开口量也变大，使得伺服油缸的位移也变大。而由图7中标注的四点可知，不论输入信号为9或18时，伺服油缸位移从一侧运动到另一侧用时均在0.2s内，由于伺服油缸通过铰链牵动主泵的斜盘，即主泵的换向是在0.2s内，满足实际应用中混凝土泵车主泵换向的要求，能够达到持续泵送混凝土的目的。

图8 为伺服油缸右腔的压力图，由于左腔压力类似，故没有列出曲线。其中虚线和实线所代表的压力曲线为伺服油缸内置弹簧弹簧刚度分别为 1N/mm、0.5N/mm的压力曲线，由此知伺服油缸的油压力跟内置的弹簧刚度有关，可以调节弹簧刚度来调节伺服油缸的压力。为使得混凝土泵车液压系统中的 SN系统能够起作用，要求伺服油缸压力应达到 30bar以上，由图8知当内置弹簧弹簧刚度为1N/mm时完全能够满足要求。

图9 为主泵排量曲线图，虚线为当排量比例控制阀达到最大开启压力时的主泵排量曲线，可以看出，给定排量比例控制阀最大开启压力值时，主泵达到最大排量。实线为当输入信号为9时运行仿真得到的主泵排量曲线。由上图对比可知，给定排量比例控制阀不同的值，则主泵输出不同的排量，即可以通过调节输入的信号值来调节主泵排量。

4 结论

（1）液压双向变量泵排量调节系统建模与仿真结果可以说明该模型能够实现主泵系统的排量调节及过程，且关键参数伺服油缸两腔的压力、主泵的换向时间等能达到实际要求，为后续整个系统的调节和控制奠定基础。

图6 伺服阀位移

图7 伺服油缸位移

图8 伺服油缸右腔压力曲线

图9 主泵排量

（2）运用AMESim软件平台可以实现混凝土泵车液压双向变量泵排量调节系统的建模与仿真，且仿真结果可信，运用该平台大大降低了数据的获取难度和试验成本。

（3）本文所研究的排量调节系统可以运用到其他工程机械的液压泵排量调节中，为该系统实际排量调节控制提供理论依据。

[1]刘钊．变量泵控制方式及其应用[J]．中国工程机械学报，2004，7．

[2]卢长耿.液压控制系统的分析与设计[M].北京:煤炭工业出版社,2001.

[3]江玲玲，张俊俊.基于AMESim的液压位置伺服系统动态特性仿真[J].机械工程与自动化，2007，1.

[4]高明，吴智勇，刘海明，黄罡．基于AMESim的混凝土泵车泵送液压系统仿真研究[J].建筑机械，2010，11.

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

高凤阳（1955-），男，教授。研究方向：液压传动、控制工程、机电一体化等方面科研教学。