基于LMS．AMESim的泵送系统液压元件建模与仿真试验.pdf

RM CM 誊 理 M ＆锄 蘧 一⋯ 基 于 L M S． AM E S i m 的 泵 送 系 统 液 压 元 件 建 模 与仿 真 试 验 M ode l i ng a nd Si m ul a t i o n Te s t s of Hy dr a ul i c Co m pone nt s of Pum pi ng S y s t e m Ba s e d on LM S． AM ES i m 刘海 明 ， 白江坡 ， 孟俊涛 ， 高明 Ll U Ha l m ing ’ ，BAI Jia n g p o ， M ENG J u n t a o ， GAO M i n g 1 ．三 一 重 工 股 份 有 限 公 司 ， 湖 南 长 沙 4 1 0 1 0 0 2 ．中 国人 民 解 放 军61 3 3 部 队 ， 河 南 新 乡 4 5 3 0 0 0 1． SANY Heav y I ndust r y Cor p or a t i on，Changsha 41 01 O0，Hun an，Chi na 2． 61 330 Uni t of PLA， Xi nxi a ng 453000，Henan，Chi na 【 摘要 】 基于液压仿真软件L MS ． AME S i m， 建立泵送液压 回路仿真模 型； 全面 了解 泵送过程 中的泵送压 力 、 油 液流 量 、 换 向冲 击 力等 关键 参数 ， 得 到相 关 的仿真 结 果 ， 并 与试 验 数据 作 对 比。 实践证 明 ， 该 研 究 方法 对于 泵送 液 压 回路 系 统 的 设计 、 分析 与优 化 具有 重 要 的借鉴 作 用 。 ‘ 【 Ab s t r a c t 】I n o r d e r t o t h o r o u g h l y s t u d y h o w t h e c r i t i c a l p a r a me t e r s s u c h a s p u mp i n g p r e s s u r e ， o i l f lo w a n d s wit c h im p a c t a c t d u r ing t h e p u m p i n g ， t h e s i m ula t ion m o d el o f h y dr a u l i c c i r c uit w a s es t a bl ish e d b a s e d on L M S． AM E Sj m ， and t he r esul t s of si m ulat i on w er e com par ed t o t he dat a obt ained i n t est s． The pr ac t i ce show s t ha t t he r esea r ch m e t h od i s o f s i g n i f ic a n t r e f e r e n c e f o r d es ign ， a n a ly sis a n d op t i m i z a t i o n o f h y d r a uli c c i r c uit o f pu m pi n g s y s t e m ． 【 关 键词 】 A ME S i m； 泵送 系统 ； 混凝 土 泵车 ； 仿真 【 K e y wo r d s】AME S i m； p u mp in g s y s t e m； c o n c r e t e p u mp t r u c k ； s i mu la t io n 中 图 分 类 号 U4 1 5 ． 5 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 1 1 1 - 0 0 9 0 0 4 0 引 言 现 代 控 制理 论及 电子计 算机 技 术 的发 展 。使得 利 用 计 算机 进 行数 字仿 真 已成 为液压 系 统动 态 性能 研 究 的重 要 手段 。 借助 计 算 机可 以 分析 线性 系 统和 非 线性 系统 ， 可 以直 接在 时域 中进行 分 析 ，模 拟 出任 何 输入 函数作 用 下 各参 变量 的 变化情 况 ，从而 获得 对 系统 动 态过 程 的直 接 和 全面 了解 。与 其他 研 究 系统 动态 性 能 的手段 和 方法 相 比 ， 数 字仿 真 技术 具 有精确 、 可 靠 、 适 应性 强 、 周 期短 和 费 用低 等优 点 。 本 文对 混凝 土 泵车 的液 压 泵送 系 统进 行 建模 、 仿真 ， 对 系统 中 泵送压 力 、 油 液 流量 、 换 向冲 击 力等 关键 参数 进 行研 究 ， 通 过 将仿 真 结果 与试 验 数据 进 行对 比 ， 证 明泵送 系统 仿 真模 型 是准 确 的 ， 可 以用 于 系统 的 分析 、 优 化 。 1 开 式 泵 送 系 统 简 介 液压 系统 是 关 系到 混 凝 土 泵 技 术 性 、 可 靠 性 最 关 键 的部 分 。国 内外 混凝 土 泵通 常 采用 开 式 或 闭式 两种 液 压 系统 ， 其 中开 式 系统 的产 品 约 占7 0 ％E - - 。开 式 系统 的工 作 原理 为 主 油 缸 采 用 全 液 压 换 向 ， 即在 主 油 缸 运 动 至 行程 终 端 时 ， 油 缸 输 出一 个 液压 信 号 来 控 制 大流 量 液 控 换 向 阀换 向 ， 使 主 油 缸改 变 方 向 。开式 系 统具 有 成 本低 、 维修 简 单 等 特 点 ，缺 点 是 泵送 主 油 缸 换 向 冲 击较 大 。 见 图 1 a 。 目前 国 内大 多数 厂 家均 采 用泵送 回路和 摆 动 回路相 互 独 立 的开 式 系统 ， 见 图 1 b 。主 油 缸 换 向采 用 电控 换 向 ，即在 主油 缸运 动 至行 程终 端 时油 缸输 出一 个 电信 号 来 控 制 大流量 电磁 换 向阀换 向 ， 从 而 使主 油缸 换 向 。 a 液控 换向 b 电控换向 图 1开 式 泵 送 系统 2 泵 送 系 统 液 压 元 件 建 模 与 仿 真 2 ． 1 泵 送 系统 的 组 成 与 功 能 泵送 系统 液 压 回路 如 图2 所 示 ， 主 要 由油 箱 、 液 位 计 、 空 气 滤 清器 、 油 温 表 、 主 油 泵 、 齿 轮 泵 、 单 向 阀 、 高 压 过 滤 器 、 电磁 溢流 阀 、 电磁 换 向阀 、 溢流 阀 、 蓄能 器 、 球 阀 、 压 力 表 、 梭 阀、 摆 缸 四通 阀 、 小液 动 阀 、 插 装 阀 、 螺 纹插 装 阀 、 主 油 缸 、 摆 阀油 缸等 组 成 。 图2 中D T 定 义 为 电磁 阀 ， 不 同 的 数 字 分 别 代 表 不 同 的 电 磁 阀 ； C1 、 C 2 、 AI H、 Al L、 B1 L 、 B1 H分别 代表 不 同 的控 制油 路 。 图 2泵 送 系 统液 压 回 路 泵送 液压 回路 实现 了主油 缸与 分配 阀的换 向功能 。 主 油 缸 的换 向工作 循环 如 图3 所示 。分 配 阀的换 向工作 循环 如 图 4 所 示 。 E q u i p me n t Ma n a g e me 设 nt M 管 a i n 理 t e na ＆ nce 维 Te 修 c h n 技 o l o 术 gy RM CM ● 1 ● ■ ■ -■ ■ ■ 『 c H 阀H蓑 茬 l 压 力 油 H小 液 拥 上 位 I- - I霪 蒌 J 插装阀2 2 5 f o 2 2 8 l l 小液动阀 l l 电磁换向I I 泄回油箱，插装 l 控 制 腔 压 力 油 r 1 1 9 _3 上位广 ． 1 阀 2 1 左 位r 呻 I 阀 2 2 5 , a 2 2 ．8 73 - r _ ] I l 主 油 泵 由 H插 装 s H I 与 25 2连 接 的 输 送 - 1 缸 从 料 斗 吸 料 l l 主 鎏 缸 雪 l l 主 油 缸 2 5 ．1 I I -～- Z ．3 1 连 接 的 输 送 l 端 动 作 ， 小 液 动 阀H 釜 ‘ ‘ H 缸 向 ； 1 『 9 ．1 左位 l f 口 f f 。 目 叶 J 系统回油通过插 装阀 ．8 回油箱 蓄能器 1 3 压力油 圄3泵 送 主 油 缸 换 向 工 作 循 环 电磁换向阀l I小液动阀 2 0 ． 1 右 位 H 1 9 1 右 位 使 摆 缸 四 通 阀 1 8 处于右位 蒙 呈 l 摆 粤 筹 t- - 1 2 6 l8 处 于 右 位 -l 无 杆 腔 广 ]磊 嘉 主 攒 图4摆 缸 换 向 “- r 作 循 环 2 ． 2 插 装 阀 元 件 建 模 与优 化 应 用 AME S i m对 液 压 系统 进 行 仿 真 时 ， 系 统 整 体 结 构 的 数 学 模 型 起 着 决 定 性 作 用 ．各 个 元 件 子 模 型 中 的 结 构 参 数 也 同 样 重 要 ，精 确 地 设定 这 些 参 数 往 往 比较 困难 [ 。 因 此 ， 设 置参 数 、 分析 结 果 并 修 改 参 数 是仿 真 中 的 重 要 环 节 。 泵送 液 压 回路 系统 的仿真 模 型 建立 步骤 为 第 一步 。 分别 建立 单 个液 压 部件 的仿真 模 型 ，根 据 电子 样 本 提供 的液压 特 性 曲线 调 试 、 修 正单 个 液压 部件 的仿真 模 型 ； 第 二 步 ，将 已调 试 好 的液压 部 件 仿真 模 型按 照 泵送 回路 系 统 原理 图搭 建 系统 的仿 真模 型。 泵送液压 回路 中的插装 阀 为盖板 式二通 插装 阀 ， 包括 插 装件和 控制 盖板两部 分 E4 ] 。其 中插 装件 由 阀套 、 阀芯 、 弹 簧 以及密封件 组成 。 它有 多种面积 比和 弹簧 刚度 ， 主要 功能 是控 制主油路 中油流 的方 向、 压 力和流 量。 控 制盖板 内有各 种控 制油 道 ， 与 先导控 制 阀组合后 可 以控制 插装 件的工 作 状态 。盖 板式 二通 插装 阀压 降特性 曲线 如 图5 所 示 ，图 中 D C1 6 、 D1 6 表 示直 径 比率 同为 l 1 ． 6 的插 装 阀 ， D 2 0 表 示直径 比率 为1 2 的插 装 阀。本文选用D2 0 代表 的液压特性 曲线 。 按 照插 装件 的机械 结 构 。 插 装 阀A ME S i m模 型 由三部 分构成 带 弹簧 的阀体 、 阀芯质 量块 和 阀芯 。采用 HC D库 中的 元件 建 立模 型 ． 如 图6 所 示 。 RM CM 慧 术 a ⋯⋯ 阀体 I．．．．．． ．一 图5插 装 阀 压 降 特 性 曲线 流 量 图6插 装 阀AMES I M 模 型 插装 阀AME S i m 模 型 中的阀芯结 构如 图7 所示 ， 其 中 阀 芯 角度a 为插装 阀压 降特性 曲线 的主要影 响 因素 。 图8 是 阀 芯角度 分别 为2 7 。 、 2 6 。 、 2 5 。 时 的插装 阀压 降特性 曲线 。参 照 点 选 取 流 量 为6 2 0 L n l i n 时 压 力 下 降 5 b a r 对 应 的 点 ． 可 以得 出 当 为2 6 。 时 ． 压 降特性 曲线 与样 本基 本 吻合 。 图 7插装 阀 阀芯 机 械 结 构 油液流量／ L‘min 1 图8不 同 阀 芯 角 度下 的压 降特 性 曲线 2 ． 3 泵 送 液压 回路 AM E S i m模 型 与 仿 真 结 果 按 照插 装 阀的建模 方法 ．建 立 泵送 主油 缸 、l j ＼ 液 动 阀 、 液 控换 向 阀等 主要 液压 部件 的仿真 模 型 ， 搭 建泵 送 液 压 回路 A ME S i m仿 真模 型 。仿 真模 型模 拟 的 实际 工况 泵 9 2 送 排量 为2 0 ％， 具体 操 作 为泵送 空 打 无 负载 ， 1 mi n 内换 向 次 数 为 6 次 ． 换 向 时 间 为 1 0 S 由模 型仿 真 分 析结 果可 以得 出 ．该 工 况下 泵送 右 主 油 缸 活塞 行程 为 1 ． 8 3 m， 换 向时 间 为1 2 ． 9 s ， 如 图9 所 示 。 泵 送 时 。 右 主 油 缸 液压 油 稳 定 流量 为2 2 5 ． 2 L rai n ～． 如 图 1 O 所 示 ； 右 主油 缸 有杆 腔 稳 态压 力最 大 为0 ． 7 8 MP a ． 最 小 为 0．21 MP a， 泵 送 换 向 时 ， 压 力 会 产 生 明 显 的 冲 击 ． 最 大 冲 击 压 力 为9 ． 4 MP a ， 如 图 1 1 所 示 ； 主 溢 流 阀压 力基 本维 持 在0 ． 9 8 ～ 1 ． 2 MP a 之 间 。 且 在 换 向时压 力 也 会产 生 明显 的冲 击 。 如 图 1 2 所 示 摆 阀 油 缸 压 力 为 1 5 ． 7 MP a ， 如 图 1 3 所 示 泵 送 主油 缸输 出 的稳 态作 用 力 为 1 0 6 4 6 N．换 向时 最 大 冲 击 力 为 1 2 9 5 3 8 N， 如 图 1 4 所 示 2 1 1 g 1 蠢 I 0 0 0 】 3 2 1 量 骞 一1 2 3 时间 ／ s 图 9右 主 油 缸 活塞 行 程 曲线 时间／ s 图 1 0右 主 油 缸 油 液流 量 曲线 时间／ s 图 l 1右 主油 缸 泵 送 压 力 曲线 3 系 统 仿 真 与 试 验 曲 线 对 比 O O 试验 工 况 泵送 排 量 为2 0 ％，具 体 情 况 为 泵送 空 打 厂 ●芯 阊 l f 一L J J _ _ ． ． L J JL L j一 时间／ s 图1 2主 溢 流 阀压 力 曲 线 0 l 40 1 2 0 l O0 堇8 0 旺6 O 4 0 2 O 时间／ s 图 1 3摆 阀油 缸 压 力 曲线 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 时间／ s 图 1 4右 主 油 缸 泵 送 作 用 力 曲线 无 负 载 1 mi n 内换 向6 次 ， 换 向时 间 为1 0 s 。试 验 数据 采 集 采 用N I 采 集仪 器 ．主 要采 集 泵送 主 油 缸有 杆腔 和 主 溢 流 阀 的压 力 。试 验 数 据 与 仿 真 数 据 的对 比 曲 线在 MA T - L AB ． 件 中完 成 ，选 取 了泵送 油 缸 压 力与 主 溢流 阀压 力 进 行仿 真 与 试验 的 分析 对 比。 在 泵 送过 程 中 ．右 主油 缸 有杆 腔 压 力 曲线 与试 验 曲 线 的对 比如 图 1 5 所 示。 其 中 ． 仿 真压 力 曲线稳 态最 大值 为 1 ． 6 MP a ． 最 小值 为0 ． 5 2 MP a ， 换 向尖 峰值 为2 0 ． 5 MP a 。试 验 曲线 平均 稳 态 压 力 值 为 1 ． 4 MP a ， 最 低 为0 ．3 8 MP a 。 由 对 比 曲线 可知 模 型 仿 真压 力 曲线 与试 验 曲线趋 势 基 本 一 致 ， 压 力值 的误差 范 围在 0 ． 1 - 0 ． 2 MP a 之间 。 泵 送 过程 中 ．主 溢 流 阀压 力与 试验 曲线 的对 比如 图 1 6 所 示 。其 中 ， 仿真 压 力稳 态 最 大值 为2 ． 2 MP a ， 最 小 值 为 2 ． 0 MP a ． 换 向尖 峰值 为2 O ． 7 8 MP a 。试验 曲线 平均 稳 态压 力值 为 1 ． 8 5 MP a ， 换 向尖 峰值 为2 2 ． 0 4 MP a 。从 对 比 曲 线 中可 以得 出 以下结 论 模 型仿 真 压 力 曲线 与试 验 曲线趋 E q u i p me n t Ma n a g e me 设 nt M 管 a i n 理 t e nan ce 维 Te 修 c h n 技 o l o 术 gy RM CM ■ 1 -■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 2 2 1 要 l 时 间／ s 图 1 S右 主 油 缸 有 杆 腔 压 力 曲 线 与 试 验 曲 线 对 比 时 间／ s 图 1 6主 溢 流 阀 压 力 曲 线 与 试 验 曲 线 对 比 势 基 本 一致 ， 压 力值 的误 差 不超 过0 ． 2 MP a 。 4 结 语 1 基 于 L MS ． AME S i m液 压 仿 真 软 件 平 台建 立 的 混 凝 土 泵车 泵送 液压 回路 系统 仿 真模 型 是准 确 的 ，可 以对 系统 中 的关键 设 计 参数 进 行分 析 ．完成 实 际物 理样 机 无 法 进行 的虚 拟仿 真试 验 。 2 基 于 泵送 液 压 系统 仿 真 模 型 ， 可 以完 成 主 油 缸 换 向相 关 参数 的优 化 分析 ， 提 升现 有 产 品性 能。 同时 ， 基 于 液压 系统 仿 真模 型进行 产 品 分析 的 方法 ，对于 现 有 工 程机 械 产 品 的液压 系统 分析 、参 数优 化 以及 新产 品液压 系统 的设计 具 有 非 常重要 的借 鉴 作 用 。 参考 文 献 [ 1 ] 魏宏宇 混凝土输送泵闭式液压 系统设计与分析 [ D] ． 长春 吉林 大学， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 易秀明 ， 王尤毅 ， 谭 凌群． 混凝 土泵 车[ M] ． 长沙 三一重_ T - 股份有 限公 司 ． 2 0 0 7 [ 3 ] 付永领 ， 祁晓野． A ME S I M系统建模与仿真 从 入 门到精 通[ M ] ． 北京 北京航空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 沈兴全 ， 吴秀玲 液 压传动 与控 制 [ M ]北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 收 稿 日期 201 1 0 5--1 1 [ 责 任 编 辑 谭 忠 华 ] 9 3