混凝土泵摆动系统运行规律与参数优化

2021-11-17卜庆锋赵延斌刘永状

液压与气动 2021年11期

陈玲，卜庆锋，赵延斌，刘永状

(1.江苏省徐州经贸高等职业学校机电工程系, 江苏徐州 221004;2.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)

引言

混凝土泵是 “高效、绿色、环保”施工中必不可少的设备，而摆动系统是其中的关键部件。在摆动系统中，摆缸驱动分配阀快速换向来配合砼缸的往复运动，以实现混凝土的吸入和排出。摆动系统的动态特性直接影响混凝土泵的可靠性、平稳性。

为保证泵送效率，一般要求摆缸能够在200 ms内换向，以驱动分配阀快速摆动到位，使输送管与砼缸对齐实现混凝土的吸入和排出。摆动速度快、惯性力大，必然引起较大的冲击和振动[1-2]。国内外的学者对摆动系统的动态特性及其缓冲结构进行了研究。沈千里等[3]分析了液动力对混凝土泵摆动系统的影响。胡任等[4]、安东亮等[5]提出符合泵送C25混凝土工况的系统负载加载方式。王传瑶等[6]、吴国栋等[7]、高钦和等[8]研究了液压缸缓冲装置的工作机理, 并提出了缓冲装置的设计方法。丁凡等[9]对采用短笛型缓冲装置的高速液压缸缓冲过程进行了理论分析和试验研究。袁晓亮等[10]分析了抛物线型缓冲装置的缓冲特性以及减速机理，并提出了缓冲装置的设计方法。旷权等[11]分析了圆柱形变节流面积缓冲结构的参数对缓冲性能影响。赵伟等[12]对采用活塞式缓冲机构的高速液压缸的缓冲过程进行了理论分析和实验研究，分析了结构参数对缓冲速度及缓冲压力的影响。以上研究为改善泵送机械的摆动系统动态特性提供了借鉴。

本研究建立了摆缸缓冲数学模型，并基于AMESim平台建立了摆动系统的仿真模型，阐明了摆动系统的运行规律，对摆动系统的关键参数进行了优化，进一步提高摆动系统的动态特性，减少摆动压力冲击，为混凝土泵送摆动系统的设计和参数优化提供了参考。

1 摆动系统的结构原理

图1是混凝土泵摆动液压系统的液压原理图。摆动系统主要由恒压变量泵、蓄能器、摆阀、摆缸组成。恒压变量泵通过单向阀给蓄能器充油。摆阀是二位四通液控换向阀，其换向信号来自于信号阀(未画出)。2个摆缸的无杆腔分别连接摆阀的A，B油口，有杆腔连通接油箱。换向过程中，蓄能器提供主要油源，在液控信号的作用下摆阀换向，驱动摆缸快速换向，从而驱动分配阀摆动。

1.恒压变量泵 2.安全阀 3.蓄能器 4.摆阀 5、6.摆缸

2 摆缸缓冲数学模型

图2是摆缸缓冲单元的局部放大图。缓冲过程主要分为2个过程：圆锥变节流缓冲过程与圆柱恒节流缓冲过程。

图2 摆缸缓冲单元

2.1 圆锥变节流缓冲过程

如图3所示，圆锥变节流缓冲一般分为3个阶段：断面局部收缩压力损失阶段、锐边节流缓冲阶段和缝隙节流缓冲阶段。

图3 圆锥变节流缓冲过程

1) 断面局部收缩压力损失阶段

缓冲柱塞距缓冲腔较远时，油液经缓冲腔流出时会产生局部压力损失，其流量方程为：

(1)

式中，qj—— 断面收缩时通过缓冲腔流量

Cf—— 断面收缩流量系数

d—— 缓冲腔直径

ρ—— 油液密度

Δp—— 进出口压差

2) 锐边节流缓冲阶段

缓冲柱塞距缓冲腔较近时，缓冲柱塞与缓冲腔形成锐边节流，其流量方程为:

(2)

式中，qr—— 锐边节流时通过缓冲腔流量

Cd—— 锐边节流流量系数

l0—— 缓冲开始时缓冲柱塞端面距缓冲腔

距离

x—— 活塞位移

δ—— 缓冲柱塞后端与缓冲腔径向的间隙

3) 缝隙节流缓冲阶段

缓冲柱塞进入缓冲腔后，缓冲柱塞和缓冲腔形成缝隙节流，其流量方程为:

(3)

式中，qf—— 缝隙节流时通过缓冲腔流量

l—— 缓冲柱塞圆柱段长度

δ1—— 缓冲柱塞前端与缓冲腔径向的间隙

μ—— 油液动力黏度

2.2 圆柱恒节流缓冲过程

当缓冲圆柱段进入缓冲腔时，缓冲柱塞与缓冲腔的径向间隙为恒值，可等效为固定节流孔，故二者构成恒节流缓冲。

设缓冲柱塞圆柱段进入缓冲腔内相对于起始缓冲位置的距离为x(向左为正方向)时，活塞的速度为v，当缓冲柱塞继续向左运动位移dx时，活塞机械能变化值为:

dE1=Fdx+dEd

(4)

其中，动能变化值为:

(5)

式中，F—— 作用在活塞上的外力

m—— 活塞运动件总质量

油液液压能变化值为：

dE2=pHAHdx

(6)

式中，pH—— 缓冲腔油液压力

AH—— 缓冲腔作用面积

忽略二阶微分项，由能量守恒得：

(pHAH-F)dx=-mvdv

(7)

缓冲腔内流量方程为：

(8)

式中，K—— 缓冲节流孔流量系数

A0—— 缝隙环形面积

dv—— 活塞的速度变化值

p0—— 回油压力

考虑p0=0 MPa，由式(8)可得：

(9)

将式(9)代入式(5)得：

(10)

(11)

式中，v0为圆柱段进入缓冲腔时活塞的速度。将式(11)改写得：

(12)

将式(12)代入式(9)得：

(13)

当圆柱段刚进入缓冲腔时，即x=0时，pH有最大值：

(14)

在缓冲过程中，活塞的动能主要转化为液压能，压缩油液使压力上升。式(14)表示，缓冲腔的压力冲击与外负载F、圆柱段进入缓冲腔时活塞速度v0的平方成正比，与缓冲腔的作用面积AH成反比。

3 摆动系统建模

3.1 关键元件建模

在摆动系统中，油箱、液压泵、单向阀、溢流阀等元件可以在AMESim的液压元件库中直接选取，而摆阀、带缓冲结构的摆缸、摆动负载则需要借助HCD库和平面库来建立。

1) 摆阀建模

图4是摆阀的结构图，表1是摆阀结构参数。摆阀的阀芯结构为滑阀，节流口形状为锥形，在两控制腔油压的驱动下阀芯换向，两腔之间通过阻尼孔连通，以减少压力冲击。摆阀的仿真模型见图5，其中换向信号来自真实摆动系统的液控信号。

图4 摆阀结构图

表1 摆阀结构参数

图5 摆阀仿真模型

2) 摆缸建模

图6是摆缸的结构，端部设置了缓冲结构，其由圆锥部分和圆柱部分组成。当油缸运动到终点时，缓冲结构进入缓冲腔，通过节流实现缓冲，以减少冲击振动；另外，为了加快摆缸的启动，设置了的快速通道。根据摆缸的结构，搭建摆缸的仿真模型，如图7所示。

图6 摆缸结构

图7 摆缸的仿真模型

3.2 摆动系统仿真模型

根据摆动系统的液压原理和实际结构，基于AMESim平台建立了摆动系统的仿真模型，如图8所示。摆动负载采用带有Stribeck效应的LuGre摩擦模型，包括静摩擦力、惯性力、库仑力、黏性摩擦力，系统仿真参数如表2所示。摆阀的初始工作位为左位，左摆缸初始状态为完全伸出状态，右摆缸的初始状态为完全缩回状态。

表2 摆动系统各元件参数

图8 摆动系统仿真模型

4 摆动系统运动特性

利用图8的仿真模型，对摆动系统进行仿真，获得了摆动系统的动态特性，如图9所示。

图9 摆动系统动态特性

(1) 在摆缸换向时，恒压泵出口压力降低，蓄能器快速向外放油，为摆缸提供主要流量，其流量最大达到710 L/min，使摆缸快速换向；

(2) 换向结束后，恒压泵出口压力随之开始升高，继续向蓄能器中充油，充油流量为-55 L/min，待恒压泵出口压力达到并保持19 MPa时，蓄能器结束充油，恒压泵处于高压待命状态，出口流量减小至4.7 L/min，以满足泵的内泄；

(3) 在摆缸开始换向时，两摆缸的大腔压力迅速切换，其中进油腔的压力瞬间升高至19 MPa左右，回油腔的压力接近0 MPa；在摆动初始阶段，进油腔压力逐渐降低，当摆缸运动到缓冲段时，进油腔压力又开始升高。

如图10所示，摆缸的运动过程分为5个阶段，具体如下：

图10 摆缸运动过程

第1阶段：快速启动，左摆缸伸出至圆柱段即将离开缓冲孔(右摆缸端面距缓冲腔的距离L为179～164 mm)，高压油液通过Φ6通道进入左摆缸无杆腔，作用在环形活塞面上，使摆缸快速启动；

第2阶段：加速启动，圆柱段离开缓冲孔至左摆缸缓冲结构完全伸出(L为164～149 mm)，高压油液主要通过Φ25的流道进入左摆缸无杆腔，通流面积逐渐增大，摆缸进一步加速摆动；

第3阶段：快速摆动，左摆缸缓冲结构完全伸出至右摆缸缓冲锥面接触缓冲孔(L为149～30 mm)，在此阶段摆缸速度先增后减，运行时间最长；

第4阶段：缓冲减速，右摆缸缓冲锥面接触缓冲孔至完全进入缓冲孔(L为30～15 mm)，在此阶段通流面积迅速减小，摆缸速度急剧下降，缓冲腔内产生压力冲击；

第5阶段：低速滑行，右摆缸缓冲圆柱段完全进入缓冲孔(L为15～0 mm)，利用圆柱与缓冲孔的径向间隙进行节流缓冲，摆缸低速滑行直至撞缸停止，期间摆缸运行速度平稳，且运动时间较长，约整个摆动运行时间的40%。

5 关键参数对摆动性能的影响

5.1 蓄能器体积对摆动性能的影响

保持其他参数不变，将蓄能器的体积设置为7， 10，13， 20 L，获得了不同蓄能器体积下摆缸的动态特性，如图11和表3所示。

图11 不同蓄能器体积下摆动特性曲线

表3 蓄能器体积对摆动系统的影响

可见，增加蓄能器体积后，蓄能器的最低压力和最大流量均有所增加，可加快摆缸换向。例如，当蓄能器体积从10 L增加至13 L时，摆缸换向时间缩短10 ms，同时缓冲腔压力冲击并无大幅度增加；当蓄能器体积从13 L增加至20 L时，换向时间缩短5 ms，但缓冲腔压力冲击增大3.8 MPa。因此，考虑到安装体积、生产成本和缓冲腔密封件可靠性，选择13 L的蓄能器较为合适。

5.2 缓冲圆锥角对摆动性能的影响

保持其他参数不变，将缓冲锥角分别设置为20°，30°和40°，获得图12所示的仿真结果。不同锥角下油缸位移的变化趋势和数值基本一致，可见缓冲锥角对摆缸动态特性影响较小，但锥角越小，缓冲腔压力冲击出现越早，冲击越小，但过小的缓冲锥角会使圆锥变节流缓冲失去缓冲效果。综合考虑，选择20°的锥角。

图12 不同缓冲锥角下摆动特性曲线

5.3 缓冲圆柱长度对摆动性能的影响

在保持缓冲总长30 mm不变的情况下，分别设置缓冲圆柱段长度为5， 10， 15， 20 mm。获得了不同缓冲圆柱长度下摆缸的动态特性，如图13和表4所示。圆柱长度显著影响摆缸换向时间，当圆柱段越短，活塞滑行的距离越短，摆缸换向时间越短，但撞缸速度略有增加。当圆柱段开始进入缓冲腔时，活塞速度基本一致，故缓冲腔的压力冲击基本一致，这与式(14)相符。优化圆柱段参数主要指标是换向时间和撞缸速度，因此选择缓冲圆柱段长度为10 mm。