混凝土泵液压系统仿真与分析.pdf

信 息技术 王胜 ， 等 混凝 土泵液压 系统仿真 与分析 混凝土泵液 压 系 统仿真与分析 王胜 。 梁涛年 1 ．陕西广播 电视大学 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 8 ； 2 ．西安 电子科技大学 。 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 摘要 以混凝土泵液压 系统作为研究对象 ， 分析 了混凝 土泵液压 系统 的动态特性 ， 用功 率键 合图法， 建立主泵送液压系统的键合图模型， 从而利用键合图模型建立起液压系统的动态数学 方程组 。再利用 M a t l a b ／ S i m u l i n k 仿 真工具包建立起主泵送 系统 的仿 真模 型 ， 并 进行仿真得 出 仿真结果。为混凝土泵液压系统设计、 参数分析提供参考依据。 关键词 混凝土泵 ； 液压系统 ； 功率键合 图；动态数学方程组 中图分类号 T H 1 3 7 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 1 O 1 -01 1 6 - O 3 Hyd r a u l i c S y s t e m S i mu l a t i o n a nd An a l y s i s o f Co nc r e t e Pu mp WA NG S h e n g ． L I ANG T a o n i a n ‘ 1 ．S h a a n x i R a d io a n d T V Un i v e r s i t y ， X i ’a n 7 1 0 0 6 8 ， Ch i n a ； 2 ．X i’ a n U n iv ．o f Ar c h ．T e c h ． ， X i ’a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r u s e s t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f c o n c r e t e p u mp a s t h e o b j e c t o f s 1 u d y a n a l y z e s it s d y n a mic c h a r a c t e ri s t ic s a n d U 。 s es mo d e l in g me t h o d o f t h e p o we r b on d gr a p hs t o e s t a b l is h t h e p o wer b o n d g r a p h s mo d el o f ma i n h y dr a ulic s y s t em of pu mp， o n t h i s b a s e t r an s f o r m s t h e p o we r b o n d g r a p h s mo de l i n t o t h e d y n a m ic m a t h mo de l a n d t h en c o mbin e s th e d y n a m ic e qu a t i o n o f h y dr a u l i c s ys t em wit h t h e Si mu l ink t o olb o x o f en gin ee r in g s o f t wa r e MATL AB．Th e d y n amic e qu a t i o n s o f t h e main h y drauli c s y s t e m ar e t ran s ’ f o r me d i n to t h e s imu la t o r o f Si muli n k ．B y t h i s wa y， t h e c o mpu t er s i mu l a t i o n mo de l o f main h y drau l ic s y s t e m o f c on c r e t e pu mp i s e s 。 t a b l is h e d， a n d t h e n r u n s t h e s i mu l a t o r ．T h e p r o p e r s i mu la t io n r e s u lt is o b t a in e d b y a d j u s t i n g t h e p a r t p a rame t e r o f h y d rau li c s y s t e m c on t i n u o u s l y ．Ac c o r din gly， t he a v ail a ble b a s i s is pr o v i d e d f o r t h e s y s t em d e s ign a n d p ar a met e r an a ly s i s ． Ke y wor d s c o n cr e t e p u mp；h y d r au li c s y s t e m ；p o we r b on d g rap h s；dy n a mic ma t h g r o u p 0 引言 混凝土泵是一种在施工现场将符合泵送条件的混凝 土通过水平或垂直铺设的管道连续地输送到浇注点的混 凝土输送机械 ， 是现有混凝土输送设备 中最理想的一种设 备 。而液压 系统及其液压 系统 的动态特性是影 响整个系 统正常工作的主要因素， 因此对其动态特性的仿真与研 究 ， 对 了解系统的特性 以及改进系统 的工作性能将有很主 要 的意义。本 文通过 对 HB T 6 0 1 3 --9 0 S混 凝 土泵 主泵送 液压系统进行仿真研究从而得出对液压系统的设计和参 数优化提供了有益的借鉴。 1 混凝土 泵主泵送液压 系统及 功率 键合 图 1 ． 1 HB 6 0 I 3 O S液 压 系统 图 1为混凝土泵液压 系统 原理 图。其主泵 送系统 的 工作原理是 油泵 1 O输 出的压力油 经两位 四通 中位泄荷 电磁换向阀3 1进入主油缸3 0 ． 1的有杆腔， 推动其活塞左 移 ， 两主油缸的无杆 腔通过油管相连通 ， 主油缸 3 0 ． 1的活 塞左移时 ， 推动油缸 3 0 ． 2的活 塞右移。从而推 动混凝 土 缸 中的活塞右移 ， 向输送 管道泵送混凝土。当混凝土缸中 的活塞运动 到极 限位 置时 ， 即接 近开关感应处 时 ， 接 近开 关发出信号 ， 通过电磁铁 Y v 2 ， Y V 3使换向阀动作， 两油 缸换向， 完成一个工作循环。 1 ． 2 主泵送 系统功率键合 图 ‘ 功率键合图 p o w e r b o n d g r a p h s 简称键合图是一种信 号流图， 它表示系统中的功率流程， 即功率的流向、 汇集、 分 配和能量的转换等。功率键合图是美国加利福尼亚大学的 D ． C ． K a r n o p p ， 密执根大学 的 R ． C ． R o s e r bor g ， 瑞 士学者 J ． U． T h o m a 等在2 0 世纪 6 0年代末和7 0年代初发展起来的 一 种动力学方法。由于这种方法简明易懂、 层次清楚， 可以 直接从液压系统原理图画出键合图模型， 即使对于比较复 杂的系统这一过程也可以有条不紊的进行， 因而在机械、 液 压、 电气、 气动等传动系统中有着广泛的应用。因此， 它是 工程上进行动态系统仿真时建模的有效工具。图 2为混凝 土泵主泵送系统的功率键合图模型。在建立功率键合图模 型时 ， 由于两个行程是对称 的， 因此在这儿只考虑一个行程 的主泵送系统的功率键合图模型。通过键合图模型可以建 立起一组适合 于计算机求解的动态状态方程 。 2 仿真结果与分析 根据混凝土泵主泵送 系统的功率键合 图得 出的系统 作者简介 王胜 1 9 7 4 一 ， 男 ， 陕西西安人 ， 讲师 ， 硕士 ， 博 士研究生 ， 研究方 向为机电液一体化设备及系统 。 l 1 6 h t tp Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． C F l E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a 机械制造与 自动化 信息技术 王胜， 等 混凝土泵液压系统仿真与分析 1 一 回油虑清器； 2 ， 3 一 吸油虑 清器； 4 一油箱； 5 ， 1 单 向阀； 6 - _ 冷却器； 7 ， 8 一 压力真空 表； 9 一电动机； 1 O 一主油泵； l l 分配 阀油泵 ； 1 2 一齿轮泵； 1 3 一扩展 口； 1 5 一 截止阀 卸荷 开关 ； 1 6 一减压阀； 1 7 ，2 9 ， 1 8 ， 2 1 一压力表 1 9 一双向液压马达； 2 O 一手动换 向阀； 2 2 一叠加溢流 阀； 2 3 摆动油缸；2 4 一 蓄能器； 2 5 一二通球 阀； 2 6 ， 3 l 一电液换向阀； 2 7 一 溢流阀；3 O 一 主油缸； 3 1 一三位 四通 电磁换 向阀 3 2 一主溢流阀 图 1 l I ] B 6 0 1 3 -- - 9 0 S主油路液压系统原理图 图 2 混凝土泵主泵送 系统键合图模型 动态方程 组模 型 ， 再 利 用 M A T L A B ／ S I MU L I N K 工具 包 建 立起主泵送系统的计算机仿真模型。在使用 1 2 5 A规格 的输送管采用高压小 排量 方式进 行 1 0 0 0 m 水平输 送 的 典型工况下， 仿真曲线如下 1 从 图 3和 图4可 以看 出， 在 0 ． 2 s内， 系统 的压力 P 逐渐上升到2 7 MP a ， 随着时间推移， 最后系统压力稳定 在 2 7 MP a 。同样 ， 由图 4可以看 出连通 腔 的压力 比系 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 A u t o m a t i o n ， F e b 2 0 1 1 ， 4 0 J 1 1 6 1 1 8 ， 1 5 0 统压力更慢趋于稳态 ， 大 约在 0 ． 3 s 后压 力逐 渐趋 于 1 4 M P a ， 此时 系统压力 P 。和连通腔 压力 比值 为 1 ． 9 ， 大 约是 2 ， 这与静 态设 计的主油缸无 杆腔和 有杆腔作 用面积 比值 为2 ， 符合这项设计要求。 2 从 图 5中， 进入 系统 的流量 具有较短 时间的振 幅不大的波动， 在 0 ． 2 s的时间内， 其流量趋于稳定值。 从图 6中可以看出 ， 进 入连通 腔 的流 量 有 较长 时间和 1 1 7 信息技术 王胜 ， 等 混凝土泵液压系统仿真与分析 1 O ／ ， ， f 0 0 ． 1 0．2 0 ． 3 0．4 0 ． 5 0 ． 6 0 ．7 0 ． 8 0 ，9 1 ． 0 t ／ s 图3系统压力P 叠 霉主 { 叠 ≯ 00 图 4连通腔压力 ～ 图 5系统流量 较大幅度 的波动 ， 但是随着时间 的推 移 ， 在 0 ． 3 S以后 ， 流 量逐渐的趋于稳定值。波动是由于在液压泵的仿真模型 中没有考虑泵本身 的惯性作 用造成 的 增加惯 性作用 也 即等于在系统中增加了积分控制作用， 积分作用有消除偏 差的作用 ， 但不影响对系统的分析 。 3 图 7和 图 8分别是 主油 缸活塞 的位移 和速度 曲 线 。从图中可以看 出， 在大约 2 ． 8 s的时间 内主油缸达 到 1 l 8 图 6 连通腔流量 ； ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ r ／ ， 图 7 泵送 系统活塞位移 曲线 ’| | | 一 图 8泵送 系统活塞速 度曲线 换向位置， 由于主油缸单向缓冲装置的作用， 主油缸的速 度迅速下降 ， 同时 ， 由于单 向缓 冲阀的作用 ， 活塞 的位移在 2 ． 8 s 之前都是位移在不断的增加， 但位移量达到 1 ． 4 5 m 的时候 ， 单 向缓冲阀起作用位 移量有相对较 少的增加 ， 这 也符合单向缓 冲阀的起作用的位置 ， 同时也符合 系统设计 下转第 1 5 0页 h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z HD e h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造 与 自动化 3 5 2 5 l 5 O 0 电气技术与 自动化 孙 萦豪， 等 电子膨胀阀在机房空调机 中的应 用 1 7 6 0 1 7 5 5 1 7 5 0 奋 l 7 4 5 1 7 4 0 1 7 3 5 1 7 3 0 咖 愈 器 过热度／ ℃ 图 5 排气 压力随过热度变化的关 系曲线 2 ． 7 0 2 ． 6 5 2 ． 6 0 衰2 ．5 5 2． 5O 2 ．4 5 2 4 6 8 1 0 过热度／ ℃ 图 6 制冷量随过热度变化的关系曲线 2 4 6 8 l 0 过热度， ℃ 低水平 ， 能充分利用蒸发器 的换 热面积 ， 使 系统 的性 能大 大提高， 节约能源。 本次试验 中， 样机在制冷工况下 的最佳运行状态为过 热度4℃时的运行状态， 测试结果如下 制冷量 3 1 ． o 5 k W， 能效 比 2 ． 6 7 ， 吸气压力 5 4 8 k P a ， 排气压力 1 7 6 k P a 。 4 结论 利用电子膨胀 阀替代 热力膨胀 阀后系 统 1 系统的 制冷能力得到了提高， 表现在制冷量的增加上。2 系统 的能效 比也得 到 了相应 的提 高 ， 实现 了节能 的 目的。3 利用电子膨胀阀之所以使系统的性能得到了改善， 主要是 因为电子膨胀阀通过传感器对参数进行采集计算 ， 通过驱 动板驱动阀的开闭， 反应速度 比热力膨胀 阀快。另外 ， 电 子膨胀 阀的感温部件为热电偶或热 电阻 ， 比感温包更 能准 确反应 过热度 的变化 ， 所以适应 的温 度低 ， 电子膨 胀 阀的 过热度调节要 比热力膨胀 阀方便 ， 所 以在定频压缩机 系统 中应用 电子膨胀阀是成功 的。 参考文献 [ 1 ]王文斌， 曹占伟， 等． 小型风冷热泵节流装置的替代实验研究 [ J ] ． 制冷与空调 ， 2 0 0 6 ， 1 l 7 一 l 9 ． [ 2 ]H o n g h y u n C h o ， C h a n g g i R y u。 Y o n g e b a n K i m． C o o l i n g p e rf o r m a n c e o f a v a r i a b l e s p e e d CO2 c y c l e w i t h l t ll e l e c t r o n i c v a l v e a n d i n t e rna l h e a t e x c h a n g e r [ J ] ． I n t e rna ti o n a l J o u r n a l o f R e f ri g e r a - t i o n， 2 0 0 7， 1 4 6 6 4 - 6 7 1 ． [ 3 ]何法明， 电子膨胀阀与热力膨胀阀的比较[ J ] ． 世界海运 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]薛勃 ， 顾 中平 ， 等． 电子膨胀 阀在小型 中央空调 中的应用研究 [ J ] ． 制冷与空调， 2 0 0 2 ． [ 5 ]谈磊 ， 等． 风冷式热泵机组应 用中电子膨 胀阀与热力膨 胀阀 的 比较[ j ] ． 制冷技术 ， 2 0 0 1 ， 4 ． [ 6 ] 张祉事 占 ． 制冷原理与设备[ M] ． 北京 机械工业出版社． 图 7 C OP随过热度变化的关 系曲线 收稿日 期 。 0 一 o 6 ～ 上接第 1 l 8页 的要求。因此， 从仿真结果可以看出， 主油缸单向缓冲阀 的作用位置应该在 1 ． 4 5 m才可以保证此时活塞不会撞击 缸底 ， 起到缓 冲底作用。 参考文献 [ 1 ]姚倩． 混凝土泵送压力及其确定[ J ] ． 建筑机械 ， 1 9 9 4 ， 9 l 5 O [ 2 ]陈宜通． 混凝土机械 [ M] ． 北京 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ]姚俊 ， 马松辉． S i m u l i n k建模与仿真[ M] ． 西安 西安电子科技 大学出版社 ， 2 0 0 2 ． 收稿 日期 2 0 1 00 52 7 h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c a 机械制造与 自动化