基于Simulink的混凝土泵液压系统建模与仿真.pdf

2 0 1 2年 1 月 第 4 0卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J a n ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 1 8 基于 S i m u l i n k的混凝土泵液压系统建模与仿真 万飞 ，段 晓柳 1 ．首钢京唐钢铁联合有限责任公司热轧部，河北唐山0 6 3 2 0 0 ； 2 ．达涅利冶金设备 北京有限公司技 术部 ，北京 1 0 0 1 7 6 摘要以 H B T 6 0混凝土泵的液压系统为研究对象 ，利用功率键合图法建立其液压系统的数学模型，并运用 S i m u l i n k 对 其工作过程中的故障现象进行仿真，修正相应的参数后得到正常情况下的仿真结果。 关键词 混凝土泵；功率键合图；建模；仿真 中图分 类号 T H 3 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 0 4 9 4 M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n f o r Hy d r a u l i c S y s t e m o f Co n c r e t e P u mp Ba s e d o n S i mu l i n k WAN F e i ，DU AN Xi a o l i u 1 ． H o t R o l l i n g D e p a r t m e n t ，S h o u g a n g J i n g t a n g U n i t e d I r o n S t e e l Co ．， Lt d ．， T a n g s h a n He b e i 0 63 2 0 0， Ch i n a； 2． Te c h n o l o g y De p a r t me n t ， Da n i e l i Me t a l l ur g i c a l E q u i p m e n t B e i j i n g C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 1 7 6，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f H B T 6 0 c o n c r e t e p u m p a s r e s e a r c h o b j e c t ，i t s m a t h e m a t i c a l m o d e l w a s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e p o we r b o n d g r a p h t h e o r y ． T h e s i mu l a t i o n s o f t h e f a u l t p h e n o me n a s i n i t s wo r k p r o c e s s w e r e p e r f o r me d b a s e d o n S i mu l i n k ． Aft e r mo d i f y i n g c o r r e s p o n d i n g p ara me t e r s ，t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s u n d e r n o r ma l c i r c u ms t a n c e w e r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d sCo n c r e t e p u mp； P o we r b o n d gra p h； Mo d e l i n g；S i mu l a t i o n 随着我国国民经济的快速发展 ，能源、交通、城 市建设 的发展步伐 进一 步加快 ，建设 工程点 多面 广 ， 作为机械化施工主要设备的建设工程机械起着越来越 重要的作用。工程机械液压设备的性能直接影响到工 程施工的质量和速度，其液压系统的故障往往是引起 工程设备整机故障的主要原因。因此 ，针对混凝土泵 液压系统进行建模仿真并可将得到的完善的故障字典 作为混凝土泵液压 系统 的维 护策 略。 作者以H B T 6 0混凝土泵的液压系统为研究对象 ， 利用功率键合图法建立了其液压系统的数学模型，并 运用 S i m u l i n k 对其工作过程中的故障现象进行了仿 真 ，修正相应的参数后得到了正常情况下的仿真结 果 。 1 H B T 6 0型混凝土泵液压 系统简介 HB T 6 0型混 凝土 泵液 压 系统 如 图 1 所 示 。该 系 统 由3个子系统 搅拌系统、送料系统 和分配阀控 制系统组成。搅拌系统用来完成混凝土的搅拌 ，它 由液压泵 3 、溢 流 阀 l 6 、换 向阀 1 5和液 压 马 达 1 4 组 成 ，具有 过载保 护功能 。送 料 系统 和分 配 阀控 制 系统 公用 由主泵 4 、辅 助泵 2和溢 流 阀 1 2组成 的油 源 。该油 源具有恒 功率特 性 ，可 以根 据 负载 压力 变 化 自动调节输 出流量 。这两 个 系统 的执 行元 件 是送 料缸 5 ． 1 、5 ． 2和摆 缸 1 3 ． 1 、1 3 ． 2 ，它 们 通 过 换 向 阀 7 、8和 1 0 、1 1 按 “ 推挽 ” 方式 工 作 。两 个送 料 缸的无杆腔和有杆腔分别装有单 向阀 2 6和单 向节 流阀 2 7 ，完成补油 、缓冲和顺序动作 的切换 。阀 9 和 2 8分别为阀7和 1 1的控制油提供 回油路。另外 ， 1 D T和 2 D T断 电时 系 统 为 “ 正 泵 ” 状 态 ，反 之 为 “ 反泵 ” 状态 。 2 混凝土泵液压系统的建模 为得到整个混凝土泵液压 系统 的键合 图模 型 ，只 需要把各个组件的键合图模型按照键合图理论连接起 来 ，并重新考虑各键上的因果关系。最后得到整个混 凝土泵液压系统的键合图模型如图2所示。 收稿 日期 2 0 1 01 2 0 6 作者简介万飞 1 9 8 2 一 ，男，硕士研究生，工程师，研究方向为电液系统的自动控制与故障诊断。Em a i l d w 一1 1 y a h o e ． e n o 5 0 机床与液压 第 4 0卷 图 1 混凝土泵液压系统原理图 1 、1 8 一过滤器 2 、3 一辅助泵 4 一主泵 5 一主液压缸 6 、9 、2 2 一压力表 7 、l l 一液动换 向阀 8 、1 o 、l 5 一电磁 换向阀 阀 8 、l a Y S - 别为阀 7 、 l l 的先导阀 9 、2 3 、2 8 一单向阀 l 2 、1 6 、2 0 - -溢流 阀 l 卜 摆缸 1 4 一双 向液压 马达 l 7 一冷却器 2 l 一安全 阀 2 4 、2 5 _ _ 压 力继 电器 2 6 一单向缓冲 阀 2 7 _ - 单向节流阀 Rz e 1 Cb w 图2 混凝土泵液压系统的键合图模型 从混凝土泵液压系统的功率键合图模型得出动态 仿真工况为 采用 1 2 5 A规格的输送管进行水平 方程组 ，结合动态方程中具体参数的初始值，利用工 输送；所有的初始速度和位移为零；主泵处于恒功率 程软 件 M A T L A B ／ S i m u l i n k编写 出整个 动态 系统 的 阶段；仿真采用变步长 o d e 4 5算法。仿真结果 如图 S i m u l i n k仿真模型，如图3所示。 4 8所示。 3 混凝土泵液压 系统的数字仿真与分析 第 2期 万飞 等基于 S i m u l i n k的混凝土泵液压系统建模与仿真 5 1 ￡ 至 昌 图3 混凝土泵液压系统仿真模型 t ／ s 图4 压力值仿真曲线 2 5 2 ； 1 ．5 尊 1 0． 5 O 8 7 6 目 5 4 3 2 1 o 2 2 ． 1 2 ． 2 2 ． 3 2 ．4 2 ． 5 t ／ 图5 摆缸活塞位移 图6 阀2 7阀芯位移 2 2 ． 1 2 ． 2 2 ． 3 2 ． 4 2． 5 t l s a 目 图 7 阀2 8阀芯位移 图 8 阀 1 1 阀芯位移 对比混凝土泵动态实验 曲线 图 9 ，摆缸出现 “ 点头”现象得到的实验数据和仿真结果 图 4 ， 各个压力值曲线吻合较好 ，说明了所建模型和所选参 数的正确性 。 ． 1 6 1 2 譬 8 4 l 9 l5 l 1 塞 言8 4 2 0 l6 芒 1 2 宣8 4 0 2 4 6 8 1 o t ／ s a 混凝 土 泵 动态 实验 曲线 1 0 I ． 6 3 ． 2 4 ． 8 5 ． 4 7 ．o t l s b 混凝土泵动态实验 曲线2 0 1 ． 8 3 ． 6 5 ． 4 7 ． 4 9 ． o t l s c 混凝土泵动态实验 曲线3 图9 混凝土泵动态实验曲线 图 5中，摆缸的位移曲线有两小段水平曲线，说 明速度为零 ，即摆缸运动出现停顿，这很好地验证了 摆缸的 “ 点头”现象。 图6中，阀2 7大约在 t 2 ． 0 2 5 s 处打开，在 t 2 ． 0 5 s 之后 出现波动 ，最后处于关闭状态 。 图7为阀2 8的阀芯位移曲线，由于初始的预紧 力较 大 ，阀 2 8大约在 t 2 ． 1 5 s 时才开始 动作 ，开启 时间较 晚 。 5 2 机床与液压 第 4 O卷 图 8为 阀 1 1 的阀芯位移 曲线 ，阀 1 1的换 向过程 不稳定 ，出现 波动 ，且换向时间较长 。 通 过 以上 的仿 真结果 可 以得 出 阀 2 7的弹簧 刚 度、预压缩量和其盖板上的阻尼孔的参数不合理导致 阀 2 7阀芯振 荡 ，从 而引 起 阀 1 1的控 制端 压 力 的波 动 ，进而导致 阀 1 1的阀芯 浮动这 也正 是摆 缸进 油腔压力出现较大波动的原因所在。另外 ，阀 1 1的 换 向时 间也受 到阀 2 8的影 响 ，它给阀 1 1的换 向带来 了过大 的背压 阻力 。 基 于上 面 的 模 型 和 参 数 ，对 阀 2 7的 弹 簧 刚度 减小至 2 0 0 0 N ／ m 、预压缩量 即预紧力 减小至 8 O N 、其盖板上 的阻尼孔直 径 减 小至 1 ． 5 m m及 阀 2 8的弹簧预紧力 减小至 5 N等参数进行修正以 后 ，可以得到原系统模型正常情况下的仿真结果，如 图 1 O 一2 1所示 。 l 4 l 2 日 1 0 皇 8 、 6 4 2 0 2 2 ． 1 2 ． 2 2 ． 3 2 ． 4 t l s 图 1 0 摆缸进油 腔压力 2 5 2 I 1 ．5 鸯 1 0． 5 0 图 1 2 阀2 8阀芯位移 l4 12 _ 10 皇 8 6 4 2 0 t l s 图 1 4 泵 出 口压 力 t l s 图 1 6 连通腔压力 0． 2 0． 1 8 0． 1 5 暑 0 ． 1 2 0． 09 0． 06 O． O3 0 t l s 图 1 1 摆缸活塞位移 t l s 图 l 3 阀2 7阀芯位移 1 2 10 昌 b 6 2 一2 f ， s 图 1 5 泵 出 口流量 0 0 ． 4 0 ． 8 1 ． 2 1 ． 6 2 2 ． 4 t l s 图 1 7 连通腔 流量 f ， s 图 1 8 缸 5 ． 1 有杆 腔压 力 f ， s 图 1 9 阀 1 1 阀芯位移 图 2 O 缸 5 ． 2活塞位移 图 2 1 缸 5 ． 2活塞速度 1 图 l 0是摆缸进油腔压力 曲线 ，摆缸压力变 化较大，且没有一个较稳定的值 ，这说明了s阀在摆 动时负载是 随着时 间变化 的 ，在开始时压力短 时间上 升到 7 M P a ，随后有一 点小 波动然后 又减小 ，在摆动 末端又突然增大 ，这是 因为到达末端时摆缸负 载增 大 的缘故 。图 1 1 是摆缸 的活塞 位移 曲线 最 大位 移 为 0 ． 1 8 6 m ，相对于故 障情况 图 5 ，其 运 动 比较稳 定 ，而且运动 时间也相应 减少 。 2 图 1 2 、1 3和 l 9分别是 阀 2 8 、2 7和 1 1的阀 芯位移 曲线 。可 以看 出 阀 2 8开始动 作时间约为 t 2 ． 0 4 5 S 处 ，相对故 障情况 图 7 ，时间提前 了约 0 ． 1 S ，这是减小 了阀 2 8预压 缩量 的缘故 ；调 整 了阀 2 7相应的内部参数 弹簧刚度、预压缩量和其盖板 上的阻尼孔直径后，其阀芯运动较为平稳；阀 1 1 的换向在很短时间内完成，主阀芯的运动也不再出现 波动 现象。 3 如 图 1 4所示 ，主泵 出 口压力从 1 MP a经过 大约 0 ． 0 8 S 升至 2 2 M P a ，在分 配阀换 向的瞬 间 t 2 ． 0 2 5 s 左右压力又迅速下降 ，当摆缸摆动到位 ， 压力值 又有上升趋势 。图 l 5是主油泵 出 口流量 曲线 ， 在换 向阀1 1 换向时泵的出口流量变大，是因为在换 向阀换向时，整个系统的负载突然降低，在恒功率作 用下油泵的出口流量增大，随着系统负载的加大，系 统压力也增大，导致流量又减小；通过泵出口压力和 出口流量 的变化趋势和数值 两者乘积接近于电机 功率 ，也能进一步验证模型的正确性。 5 在图 1 8中，由于缸5 ． 1 有杆腔的容性大 从 换向阀7到缸 5 ． 1 有杆腔 的管道较长 ，所 以缸 5 ． 1 有杆腔压力没有很大的起伏。在换向阀 1 1 换 向的瞬 下转第 7 2页 7 2 机床与液压 第 4 0卷 主站发送来 的数据为例 ，来说明主站和本地站的 初始通信过程 ，主站程序和从站程序如图6 、7所示。 对本地站程序的解释如下O 5步确认每个站的数 据链接状况，本地站执行数据链接 ；6 1 2步本地站 执行子程序接受主站发送的数据，并返回一个数据给 主站。铣床的其他运行程序如归零 、点动 、自动加工 程序在此 不一一列举 。 图6 主站程序 ⋯ Xl 00 l- I l X2l 厂] ． 图 7 本地站程序 5结束语 通过 C C ． L i n k总线技术设计 的多台铣 床 同步控制 系统 ，将各个执行模块分布安装到底层设备现场，优 化了生产线的工作流程，系统可靠性高适应性强 ，能 够大量节省控制线缆，在物力和人力方面显著降低了 生产成本 ，从而完善了系统的控制功能。此外可以很 容 易地实现高速发 送和接 收 由通信 模块 处理 的输 输出数据，实现快速响应和设备运行的远程自动化监 控，也极大地提高了现场级数据传输的安全性，在现 场设备的安装调试和后续扩展上，具有极为出色的优 势 ，该系统也为今后在其他生产现场发展 C C ． L i n k总 线的可行性提供了初步探究方案。 参考文献 【 1 】陈启军 ， 覃强， 余有灵． C C - L i n k 控制与通信总线原理及 应用[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】吴军民． 基于现场总线 的 P L C控制生产系统的监控系 统[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 2 8 5 8 6 ． 【 3 】 方清城， 华路光， 罗中 P L C网络控制系统的研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9， 3 7 7 1 6 81 7 0 ． 【 4 】林桂娟 ， 宋德朝， 陈明， 等． 基于 C C L i n k 现场总线的远 程智能监控 系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0， 3 8 8 8 4 8 6． 【 5 】 龚秋萍 ， 陈启军． 基于 C C - L i n k 开放式现场总线的远程 监控[ J ] ． 自动化仪表， 2 0 0 3 ， 2 9 3 2 32 5 ． 【 6 】 徐祖建 ， 秦建华． 基于 C C - L i n k的变频器远程监控系统 设计实现[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 5 3 23 9 ． 【 7 】 张建刚， 郑萍 ， 张皓亮， 等． 基于 Q系列 P L C的三维伺服 控制系统设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 2 l l 2一 l 1 5． 上接第 5 2页 间其压力迅速下降，随着摆阀油缸摆动到位 ，其压力 又开始 上升。图 1 6和 1 7是 缸 5 ． 1 和 5 ． 2连通腔 的压 力和流量 曲线 ，可 以看 出稳定后 的缸 5 ． 1压力值 P a w 和连通腔压力值 p 之 比约为 2 ． 1 ，这与静态设计 的主液压缸无 杆腔和有杆腔作用 面积 之 比 2 ． 0 8 4 7 相符 合。 6 图2 0和 2 1 是液压缸5 ． 2的活塞位移和速度 曲线 ，可 以看 到 由于 液 压 缸 5 ． 2上 阀 2 7的作 用 ， 活塞速度下降开始时的位移量为 1 ． 4 5 m，这也符合 阀 2 7起作用 的位置 。 4 结束语 通 过以上论述和实 验曲线分析 ，所得结论如下 1 摆缸停顿故障是 由于阀 2 7的弹簧刚度、预 压缩量和其盖板上的阻尼孔直径及阀 2 8的弹簧预压 缩量等不合理造成的，通过调整相应的参数 ，可以排 除此故障； 2 仿真与实验结果对 比表明，建立 的混凝土 泵液压系统的数学模型是有效的； ， 3 在较完整的模型基础上，可 以对故障模拟 得出的信号进行处理 ，得到的完善的故障字典可以作 为该 H B T 6 0混凝土泵液压 系统的维护策略 。 参考文献 【 1 】陈宜通， 刘信恩， 耿楷真． H B T 6 0混凝土泵液压系统工 作原理及特点[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 3 8 2 5 2 6 ． 【 2 】李永堂， 雷步芳， 高雨茁． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北 京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 2 ． 【 3 】王欣， 宋晓光 ， 薛林． 基于 M a t l a b ／ S i m u l i n k的键合 图在 液压系统动态仿真中的应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 6 2 3 2 4 ． 【 4 】李颖， 朱伯立， 张威． S i m u l i n k 动态系统建模与仿真基础 [ M] ． 西安 西安电子科技大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 7 ． 【 5 】陈桂明， 张明照， 戚红雨， 等． 应用 M A T L A B建模与仿真 [ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 1 ． 9 ． 【 6 】杨高波 ， 简清华． 基于 M a t l a b S i m u l i n k的仿真方法研究 [ J ] ． 华东交通大学学报 ， 2 0 0 0 4 5 96 2 ． 0 7 9 0 P 0 5 6 9 u 幢 P