基于AMESim的混凝土泵摆动系统的仿真分析

胡任，黄勃，李硕

(三一重工股份有限公司，湖南长沙 410100)

0 前言

混凝土泵是一种利用管道输送和浇灌混凝土的施工设备，它能连续进行水平和垂直输送，输送效率高、劳动强度低、施工质量好，能实现安全、文明施工，因此得到广泛使用［1］。其摆动系统的主要作用是配合泵送系统工作，准确、平稳、迅速地控制S管阀的摆动，并为泵送系统电液换向阀提供控制油。摆动液压系统的换向性能的好坏直接影响到混凝土泵泵送性能［2］，包括设备稳定性、泵送连续性等重要性能。目前主要依靠经验与类比方式设计，还没有非常成熟的设计指导思路，本文作者旨在通过对摆动系统的特性分析，运用AMESim软件建立液压仿真模型。包括管道、油缸、摇摆机构与负载模型，较为系统地反映各部分压力损失及振动冲击特性。为混凝土泵摆动系统的分析、设计及优化，提供理论依据。

1 摆动系统原理分析

如图1所示:电控换向摆动系统主要由齿轮泵1、溢流阀2、单向阀3、蓄能器4、左摆缸5、摇臂6、右摆缸7、电液换向阀组8、相应管道及油箱组成［3］。其换向信号由主油缸接近开关或压力传感器获取，通过控制电磁铁DT1/DT2的失得电来控制摆缸的左右摆动。

图1 电控换向混凝土泵摆动系统液压原理图

摆动系统是一个快速输出的系统，其系统流量在短时期内迅速增大，通常在0.2～0.3 s内完成一次换向动作，输出油液1～1.5 L，瞬时流量最高可达500～700 L/min。其换向速度的快慢与系统负载、通流能力直接相关。换向性能主要受摆缸、管道、电液换向阀、摇摆机构及系统负载等因素影响，在匹配系统时，这些因素必须综合考虑，因此在建立仿真模型时，对这些部分建模及设定参数的准确性，直接影响了整体模型的性能，尤为重要。

2 仿真模型建立

2.1 仿真环境介绍

AMESim软件是法国Imagine公司推出的基于键合图的液压、机械系统建模、仿真及动力学分析软件，其为用户提供了一个时域仿真建模环境，可使用已有模型或建立新的子模型元件，构建优化设计所需的实际原型，它的求解器可以根据系统的动态特性，在17种可选算法中自动选择最佳积分算法，具有精确的不可连续性处理能力，为机械、液压、控制、电磁等工程提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方案［4］。

2.2 关键子模型建立

2.2.1 摆缸模型

摆缸的结构与原理如图2所示。摆缸为典型的单出杆活塞缸，其中活塞直径100 mm，活塞杆直径70 mm，为了达到摆动系统启动快、缓冲平滑的目的，在油缸底部开有节流槽1，在节流槽的两侧安装有单向阀2与阻尼孔3。当压力油进入无杆腔时，油液主要通过单向阀，油缸快速启动;当无杆腔油液回油箱时，活塞杆进入节流槽后，单向阀关闭，油液只能通过阻尼孔3及节流槽缝隙回油箱，起到节流调速作用，实现摆缸缓冲。其中节流槽与缓冲杆的参数，单向阀的大小、压降，阻尼孔的大小等直接影响摆缸的启动速度、缓冲时间与缓冲效果，油缸的这3个特性必须同样在仿真模型上得到体现。

图2 摆缸结构与原理图

根据摆缸原理图，运用HCD库进行建模，如图3所示。

图3 摆缸液压仿真模型

2.2.2 摇摆机构及负载模型

图4为S阀及其驱动油缸安装结构图，油缸作为动力输出元件，安装在料斗底座上，通过摇臂互相连接，其安装尺寸及摇臂尺寸虽对系统换向性能有直接影响，但不在文中讨论范围之内，仅按实际尺寸进行建模。

图4 摇摆机构结构图

系统所受负载通过S管所受力矩反映，S管所受力矩又通过摇臂作用到摆缸上，通常S管受6种阻力矩［5］，分别可以通过摩擦力、惯性来体现。而实际上通过试验发现，泵送同类混凝土时，当摆缸速度越快，其所受阻力矩越大。可以分析了解到，S管同时受混凝土阻尼的影响，当混凝土越黏稠，摆动速度越大时，其所受阻力越大。通过试验数据分析得出，对于C25混凝土来讲，这个力矩大小一般在1 200～2 500 N·m范围内。而摩擦力矩大小则与机构安装精度、混凝土性能、输送管内反压大小等因素有关。一般取值范围在2 000～3 000 N·m之间。

因此系统负载是由摩擦力+阻尼+惯性组成，三者都应该在仿真模型中得到体现。

综上所述，运用AMESim中的平面机构库建立摇摆机构以及负载的模型，如图5所示。

图5 摇摆机构及负载仿真模型

2.2.3 管道模型

管道对系统的影响虽然只通过压力损失反映，但精确建立管道模型有利于研究具体某段管道的影响，为匹配系统管道提供参考，因此在按照实际管道长度与通径建模的同时，还考虑了胶管两端接头孔径、管道粗糙度等因素。具体参照系统仿真模型。

2.2.4电液换向阀模型

电液换向阀虽是摆动系统的关键元件，但其对系统换向性能的影响只通过响应速度与通流能力反映，目前通常都采用力士乐、威格士等公司的定型产品，优化空间较小，而对于摆动系统匹配设计，更关注的是系统压力损失、振动冲击等因素，系统中默认的三位四通换向阀模型可以调节通流能力、阀口压降及开启速度等关键参数，能够满足仿真需求。

图6 摆动系统液压仿真模型

2.3 系统模型建立

为提高仿真效率，对模型进行如下简化:

(1)假定系统与外界无热交换;

(2)忽略油泵及各阀的内泄漏。

整体仿真模型如图6所示，主要元件的关键参数设置如表1所示。

表1 系统仿真各主要参数设置

3 仿真及结果分析

按照上述表格数据对负载及其他元件进行参数设置，初始位置为中位(S管位于料斗中心时)，电液换向阀按照3 s的循环周期进行换向，仿真时间为16.5 s，步长为0.001 s，根据试验所获取的油缸速度及各点压力曲线，各获取一组稳定后的油缸速度及各测试点压力仿真曲线进行对比，结果如图7—10所示。

图7 各测试点试验压力曲线

图8 各测试点仿真结果曲线

图9 试验油缸速度曲线

图10 仿真油缸速度曲线

改变负载参数，模拟泵送水的工况，同样得到一组数据，并取稳定后某时刻的压力值进行对比，表2是泵送水与泵送C25混凝土时的某时刻测试点压力数据对比。

表2 某时刻试验数据与仿真结果对比MPa

通过对比分析，可以发现:

(1)由于试验采样频率为100 Hz，相当于0.01 s的步长，在0.3 s的换向时间内，取点数量较少，因而出现锯齿形曲线;而仿真步长0.001 s，得出曲线较平滑。但摆动系统各点压力变化趋势是基本一致的，并且取点读数对比表明，仿真数据与试验结果相差在5%以内，能够准确地反映实际情况。

(2)摆动系统的大部分压力损失在沿程管道中，系统效率有待提升;左右两摆缸无杆腔压力差代表此时摆动系统获得的动力大小，随着速度的提升，压力差逐步减小，而在后半段此压力差基本保持不变，说明此时系统流量达到管道流量承载上限，速度达到最高后稳定并略有下降(因蓄能器压力逐步降低)，稳定状态下左右摆缸压力差代表了系统的负载大小，S管所受合力为0，S管换向是一个加速—匀速—减速的运动过程。

(3)从速度曲线及压力曲线可以看出，摆缸在到位后有一段持续时间较长的振动，与油缸缓冲性能、油液弹性模量、油液黏度等有较大关系。减小油缸的到位振动对于提高混凝土泵的稳定性，延长摆缸寿命等意义重大，仍有较大的提升空间。

4 结论

针对典型电控换向混凝土泵的摆动系统运用AMESim软件进行了建模与仿真，提出了符合泵送C25混凝土实际工况的系统负载加载方式，结果表明所建模型准确，仿真结果与实际试验数据匹配度非常好，能够反映摆动系统的压力变化规律、运动规律以及振动特性。在此仿真模型的基础之上，还可以详细分析各参数对换向系统的影响，并提出更好的优化匹配方案，对于换向系统的优化设计，能够起到理论指导作用，并节约大量用于试验研究的成本。

［1］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，2003，28(11):12－13．

［2］刘昕晖，陈伟．拖式混凝土泵摆动系统缓冲试验研究与分析［J］．工程机械，2007，39(38):22－24．

［3］易秀明，王尤毅，谭凌群．混凝土泵车［R］．长沙:三一重工股份有限公司，2007:71－73．

［4］余佑官，龚国芳，胡国良．AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用［J］．液压气动与密封，2005，25(3):28－31．

［5］王术冬．混凝土泵S管换向系统动力学分析与仿真［D］．重庆:重庆大学，2004．