液控式泵送系统的运行规律与时序分析*

石 峰,王 琛,丁海港,王福鑫,赵延斌

(1.徐州徐工施维英机械有限公司,江苏 徐州 221000;2.中国矿业大学 机电工程学院,江苏 徐州 221116)

0 引 言

混凝土泵车是实现混凝土快速输送与浇筑的专用工程机械,在交通、能源、建筑、国防工程等领域得到了广泛应用。

泵送系统是混凝土泵车的核心,采用并列的输送缸交替伸缩来输送混凝土,通过分配阀的摆动来实现两输送缸吸料、泵送功能的切换。泵送系统的换向时序是指主油缸换向,以及摆动油缸的换向顺序和换向间隔。

换向时序匹配程度影响泵送效率、系统冲击振动和易损件的寿命。在该领域已有不少学者的研究。陈国安等人[1]、叶鑫等人[2]提出了解决混凝土泵送机械换向压力冲击的最有效措施,是对主液压泵和换向阀进行综合控制,完成主液压泵排量调节时机和液压阀换向时机两者的协调。宋春雷[3]从混凝土泵充盈率的角度出发,对泵送与摆动的不同换向时序进行了计算、分析和比较,并得出了结论,即分配阀与泵送系统同时换向的效果优于摆动系统先换向。李华[4]、王佳茜[5]提出了泵送效率、混凝土输送方量、混凝土理论输送方量等相关概念,并依据分配与泵送之间的逻辑关系,分析了影响混凝土泵送机械效率的各个因素。王术东[6]、谷丰等人[7]对S阀换向系统进行了建模仿真与动力学分析。FEYS D[8,9]对混凝土流变特性进行了研究,得到了泵出口压力与混凝土黏度、流动时间、流量的关系曲线。胡任[10]、安东亮[11]、靖保平等人[12]借助AMESim软件,对混凝土泵车摆动系统进行了仿真分析,并提出了符合泵送C25混凝土工况的系统负载加载方式。WU Wan-rong[13]对换向过程中液压冲击现象产生的机理进行了理论分析。沈千里等人[14]分析了液动力对混凝土泵摆动系统的影响。CAZZULANI G[15]、SECRIERU E等人[16]搭建了混凝土泵送模拟实验台,并通过实验的方式,对数值模型计算压力的可靠性进行了验证。袁晓亮等人[17]针对摆动系统,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。

在以上的研究中,虽然研究人员分别对泵送和摆动环节进行了单独研究,但缺乏针对两环节的联合分析,以及其相互作用机理方面的研究,导致目前泵送系统的动态特性与运行规律依然不明。

笔者以全液控开式混凝土泵送系统为研究对象,以仿真软件为工具,根据元件的实际结构参数搭建泵送系统的仿真模型,分析泵送系统的动态特性和运行规律,以期为混凝土泵送系统的结构与参数优化提供技术参考。

1 泵送系统液压原理

某型号混凝土泵车[18]的泵送系统液压原理图,如图1所示。

图1 泵送系统液压原理图1—主泵;2—主阀;3—主油缸;4—信号阀;5—摆阀;6—摆动泵;7—蓄能器;8—摆缸

该系统采用全液压驱动的换向方式,可实现正反泵、摆缸点动等功能。

图1中,泵送系统包括泵送单元和摆动单元,两个单元协调工作,以实现混凝土的输送。其中,主泵1是恒功率变量泵,摆动泵6是恒压变量泵。

泵送系统的具体工作原理如下:

在泵的工作过程中,来自主泵1的液压油经主阀2,作用于主油缸3.1的无杆腔,主缸3.1伸出泵料,主缸3.2缩回吸料。当主缸3.1活塞经过顶端压力检测点时,在信号阀4.1两腔产生差压信号,使之换向;

摆动泵6的高压油经信号阀4.1,作用于摆阀5左右控制腔,使之换向,进而驱动摆缸8换向;摆缸8两腔的油液作用于主阀5左右控制腔,使之换向,进而使主缸3.1和3.2换向,2个主缸推料、吸料的角色互换,完成一个泵送工作循环。

由此可见,该泵送系统利用液控信号可实现信号阀、摆阀、摆缸、主阀、主缸依次延时换向。

2 泵送系统建模与验证

2.1 泵送系统建模

根据泵送系统的液压原理、各元件实物结构与物理参数,笔者基于AMESim软件建立泵送系统仿真模型,如图2所示。

图2 泵送系统仿真模型1—主泵;2—主阀;3—主油缸;4—信号阀;5—摆阀;6—摆动泵;7—蓄能器;8—摆缸和摇臂;9—模拟负载

泵送系统仿真模型的主要参数如表1所示。

表1 泵送系统主要元件参数表

2.2 模型验证

泵送系统模型的仿真曲线与实测曲线,如图3所示。

由图3可知:仿真曲线与实测曲线具有相同的变化规律,且幅值一致性达90%以上。两者的偏差主要来源于管路油液温度、液动力、油液弹性模量等因素的影响,这些因素动态时变,且不便检测,造成模型和实际情况有一定的差异,但并不影响该模型的总体精度。

接下来,笔者将基于该仿真模型,研究泵送系统的运行规律,以及泵送与摆动之间的耦合关系。

3 泵送单元运行规律

基于上述仿真模型,笔者开展泵送单元运行规律的研究。

在泵送循环中,左、右主油缸的运行曲线和各腔的压力曲线,如图4所示。

图4 主油缸大腔压力和连通腔压力

由图4可见:

左、右主油缸交替伸出缩回,行程相等;推进油缸的无杆腔压力(约为288 bar)远大于吸料油缸的无杆腔压力(回油背压约为2.5 bar),且连通腔压力也较小(约为9 bar);在主油缸换向时,连通腔出现较大的压力冲击(约为126 bar～142 bar)。

在泵送循环中,主泵出口压力、流量曲线和主溢流阀的流量曲线,如图5所示。

图5 主泵出口压力和流量曲线

由图5可见:在主油缸推进过程中,主泵处于恒功率状态,其出口压力和流量保持恒定,流量为226 L/min,压力为290 bar;在主油缸换向时,主阀上溢流阀打开,瞬时溢流量达到1 200 L/min,主泵出口压力迅速降低。

泵送循环中信号阀的动态特性,如图6所示。

图6 信号阀动态特性曲线

由图6可见:在主油缸越过检测点后,信号阀一腔通高压,另一腔通低压,信号阀迅速打开,并维持一段时间,待主缸换向后,信号阀迅速关闭。

泵送循环中,主阀位移和控制腔压力曲线如图7所示。

图7 主阀位移和左右控制腔压力曲线

由图7可见:当主油缸活塞越过检测点后,主阀开始换向,直到其阀芯移动一段距离后,主缸开始换向。

主阀的换向时间决定了主缸换向快慢,主阀换向越快,则主缸换向时间越提前。此处,主阀换向时间约为180 ms,主缸换向约120 ms,在主阀换向过程中,主缸已经开始反向移动。

4 摆动单元运行规律

基于上述仿真模型,笔者开展摆动单元运行规律的研究。

泵送循环中,摆阀位移和控制腔压力曲线如图8所示。

图8 摆阀位移及其控制腔压力曲线

由图8可见:信号阀4.1和4.2的交替启闭,会控制摆阀两端控制腔压力,推动摆阀换向;

通过摆阀位移曲线可知,这种换向时间较短,以ms为单位精确表示,为63 ms。

泵送循环中,摆缸位移和压力曲线如图9所示。

图9 摆缸位移和压力曲线

图9中:在摆阀换向时,摆缸两腔压力交替,且有一定的压力冲击,压力冲击值为180 bar,待摆缸摆动到位后,摆缸压力上升并升至190 bar;

摆缸换向时间为196 ms,其中,缓冲时间占50 ms,占总时间的25.5%。

在摆动泵的摆动过程中,摆动泵和蓄能器出口压力和流量曲线,如图10所示。

图10 摆动泵和蓄能器出口压力和流量曲线

图10中:蓄能器的出口压力与摆动泵的出口压力基本一致。

在摆缸快速摆动过程中,蓄能器提供主要能量,蓄能器快速向外放油,流量达到600 L/min,在蓄能器的高压大流量冲击下摆缸快速换向;待摆缸换向结束后,摆动泵开始向蓄能器中充液,压力达到190 bar时停止充液,摆动泵和蓄能器处于待命状态,此时摆动泵的出口流量减小至4.7 L/min,以满足系统的内泄漏。

5 泵送时序分析

主缸、信号阀、摆阀、摆缸、主阀的换向时序如图11所示。

泵送系统换向基本规律如下:

(1)泵送系统具有顺序性。主缸过检测点后,利用液控信号实现了信号阀、摆阀、摆缸、主阀、主缸依次延时换向。当主油缸运动到检测口时,信号阀在检测口两端压差的作用下快速完全打开,信号阀打开时间为6 ms;信号阀打开后,摆阀开始运动,并保持全开状态,摆阀换向时间为63 ms;摆阀换向后,摆缸和主阀阀芯同时开始动作,摆缸换向时间约为196 ms,主阀换向时间约为180 ms,当主阀换向至另一侧阀口开启时,主油缸开始换向,信号阀迅速关闭,完成一个泵送循环;

(2)泵送回路和摆动回路具有耦合性。主缸换向和摆缸换向相互影响,换向信号相互调节,从而形成了泵送循环;

(3)该泵送系统采用液控换向,利用液控信号实现信号阀、摆阀、主阀、摆缸、主缸依次换向,从而构成一个泵送循环。局部放大图显示,摆阀、摆缸、主阀、主缸相对于信号阀换向的延迟时间分别为5 ms、30 ms、30 ms、120 ms;

(4)由于主阀相对于信号阀有较大滞后,当推料主缸越过检测点后,主阀并未换向,导致主缸不能及时换向,而当主缸换向时其已向前滑行了一段距离(44 mm);

(5)从换向时序来看,在主缸活塞越过检测点向前推进过程中,摆缸已经换向,即分配阀已经开始切换;而当主油缸完成换向并运行一段时间后,摆缸才完全摆到位,分配阀才完全切换到另一腔,这会使得推进缸里的混凝土泄漏到料斗。

6 结束语

由于缺乏针对泵送和摆动环节进行的联合分析,导致泵送系统的动态特性与运行规律目前依然不明,为此,笔者以全液控开式混凝土泵送系统为研究对象,以仿真软件为工具,根据元件的实际结构参数,基于AMESim软件,搭建了全液控开式泵送系统的高精度仿真模型,分析了泵送系统的动态特性和运行规律,以期为混凝土泵送系统的结构与参数优化提供技术参考。

研究结果表明:

(1)测试结果与仿真结果吻合度在90%以上,证明泵送系统高精度仿真模型可以较为精确地模拟真实的泵送过程;

(2)泵送系统具有顺序性。利用液控信号实现各元件依次换向,摆阀、摆缸、主阀、主缸相对于信号阀换向的延迟时间分别为5 ms、30 ms、30 ms、120 ms;绘制了泵送系统的换向时序图,为优化换向时序提供了依据;

(3)泵送回路和摆动回路具有耦合性和循环性:主缸换向和摆缸换向相互影响,换向信号相互调节,从而形成了泵送循环。

后续的研究工作中,笔者将基于上述泵送系统高精度仿真模型,对泵送系统的换向时序进行优化匹配,以提高泵送系统的泵送效率。