混凝土泵车泵送液压系统温度仿真分析与试验研究.pdf

20建设机械技术与管理 2023.06 0 前 言混凝土泵车是利用两个主油缸驱动两个砼缸往复运动，使混凝土不断地从料斗中吸入砼缸并通过固定在臂架上的砼管输送到浇筑地，通过多节臂架的组合动作可实现在不同空间位置灵活作业，因此广泛地应用于现代化基建中。当前，泵送液压系统主要有开式和闭式两种，对闭式系统而言，通过散热器的流量较小，且油箱和管路自身散热功率较低，冷却系统设计不当时很容易导致液压油高温。当前主要通过理论计算和样机热平衡试验来分析冷却系统是否满足要求，存在计算精度低、热平衡试验耗时长等问题，因此通过仿真来替代热平衡试验是提高液压系统热管理方案设计效率的重要手段。对于液压系统热平衡研究，王剑鹏等人利用集中参数法建立装载机液压转向系统的传热仿真模型，能很好地验证多个工况下热平衡温度1。张钦国等人基于 Adams 和AMESim 软件建立了装载机的动力学和热液压系统联合仿真模型，研究散热器不同驱动方式对液压油温的影响2。费烨等人研究了塔机闭式液压系统，定量分析了系统参数、外部负载、环境等参数对系统温度的影响3。然而对于混凝土泵车泵送液压系统，大多研究其动态特性4-6，鲜有热平衡温度的研究。本文针对某款搭载闭式泵送液压系统的泵车，利用 AMESim 软件搭建热仿真模型，研究了冲洗阀压力和混凝土泵车泵送液压系统温度仿真分析与试验研究Simulation and Experimental Research on Heat Balance Temperature of Pumping Hydraulic System of Truck-Mounted Concrete Pump刘德福1 王佳茜2、3 吴慧2、3（1.中联恒通机械有限公司，湖南常德415106；2.中联重科股份有限公司，湖南长沙410205;3.国家混凝土机械工程技术研究中心，湖南长沙410205）摘要：泵送液压系统是混凝土泵车的关键系统之一。本文搭建了泵送液压系统 AMESim 仿真模型，通过模拟工况试验验证了模型的准确性，分析了冲洗阀压力与散热器进风量对泵送系统热平衡温度的影响规律。试验结果表明：油箱油液的热平衡温度仿真误差 2；相同环境温度下，冲洗阀压力升高 6bar，热平衡温度升高 15.5；进风量减少 1800m/h，热平衡温度升高 10.1。本文研究成果能够提升混凝土泵车泵送液压系统热管理设计的效率与准确性。关键词：混凝土泵车；泵送液压系统；AMESim 仿真；热平衡温度；冲洗阀压力中图分类号：TH137.7 文献标识码：A散热器进风量对热平衡温度的影响，为泵送液压系统优化提供了方法。1 泵送液压系统原理与参数图 1 是泵送液压系统原理图，主要包括三大子系统，分别为泵送系统、分配系统和搅拌清洗系统。泵送系统的作用是给混凝土的输送提供动力，主要包括两个闭式柱塞泵、冲洗阀、两个主油缸等。分配系统的作用是驱动 S 管配合砼缸从料斗中吸料和排料12，主要包括恒压柱塞泵、蓄能器、1.闭式柱塞泵 2.冲洗阀 3.主油缸 4.恒压柱塞泵 5.蓄能器 6.摆动油缸 7.齿轮泵 8.搅拌马达 9.清洗马达 10.散热器 图 1 泵送液压系统原理图2023.06建设机械技术与管理 21摆动油缸等。搅拌清洗系统的作用是搅拌料斗内的混凝土和清洗泵车，主要包括齿轮泵、搅拌马达、清洗马达等。混凝土泵车的动力来源是底盘发动机，作业时利用分动箱切换底盘动力，驱动泵送液压系统的四联泵组，主要参数如表 1。2 仿真模型搭建2.1 闭式油泵及泵送油缸仿真模型搭建闭式柱塞泵采用力士乐 A4VG 电比例泵，其内部结构复杂，包括补油泵及电比例伺服阀等，是泵送系统最核心的部件之一。通过台架试验测得在不同转速、排量和压差下的扭矩和流量损耗，以 2350rpm 为例，流量损耗如图 2 所示。将试验数据导入AMESim软件中，通过信号库、机械库、热液压库搭建仿真模型。泵送油缸是泵送系统核心部件，通过热液压库和机械库，搭建双主油缸的详细模型。考虑了油缸缓冲结构、摩擦阻尼影响，仿真模型如图 3 所示。2.2 分配液压系统仿真模型搭建分配柱塞泵采用力士乐 A10VO 恒压泵，可以设置不同电流来控制切断压力的大小，使系统更加节能。建模方法同闭式柱塞泵类似，将台架效率试验数据导入仿真模型。参数名称参数值发动机转速范围（rpm）650-1600分动箱速比0.6闭式柱塞泵排量（mL/r）175+175液压元件散热系数（W/mK）20散热器风量（m/h）5800补油压力（bar）32恒压柱塞泵排量（mL/r）28蓄能器容积（L）13齿轮泵排量（mL/r）16搅拌马达排量（mL/r）1000表 1 主要参数图 2 流量损耗 Map 图 2350rpm图 3 双主油缸仿真模型通过机械库、热液压库、3D 机械库搭建摆缸驱动 S 管的机液耦合模型。考虑了摆动油缸的缓冲结构、S 管的质量特性、以及摆动油缸与 S 管的三维空间位置，仿真模型如图4 所示。2.3 搅拌清洗系统仿真模型搭建搅拌清洗系统的回油经过散热器，对热平衡温度影响较大，但系统功能相对简单，故采用热液压库、机械库建模搭建仿真模型。2.4 散热器仿真模型搭建通过台架测试了散热器在固定进口油温和进风温度下不同进风量和进口流量工况下的换热功率，导入散热器模型中，应用 NTU 方法，把试验数据拟合成换热公式进行计算。图 4 摆动液压系统的机液耦合仿真模型图 5 散热功率对比22建设机械技术与管理 2023.06 图 5 是 16 组散热器的换热功率试验值与模型拟合值对比，其最大误差小于 2%。2.5 泵送液压系统仿真模型搭建由于泵送液压系统的仿真模型较大，利用软件的超级元件功能集成各个子系统模型，如图 6 所示。程序模型控制闭式柱塞泵的输出功率、主油缸和摆动油缸的匹配换向逻辑；泵组模型集成闭式柱塞泵、恒压柱塞泵及齿轮泵；负载模型考虑砼缸吸水和排水过程，用可变阻尼孔模拟水阀负载；基于油箱三维尺寸，模拟油箱散热面积和初始液位。3 泵送液压系统仿真模型试验验证为了验证仿真模型的准确性，现场采用样机进行泵送加载试验，环境温度 43。利用 DEWESoft 数据采集系统采集进风温度，液压系统压力、进出口油温等数据，利用手持气象站采集进风速度，系统工作稳定后开始采集数据，图7 是现场测试场景。调节遥控器到 10 挡，此时发动机转速 1600rpm，然后再调节水阀开度使闭式柱塞泵的出口压力在 250bar 左右。图 8 表示左主油缸无杆腔压力对比，工作时油缸进油时压力约为252bar，回油时压力约 31bar，仿真与试验结果吻合良好。冲洗阀将泵送系统的一部分循环液压油置换出来，与搅拌清洗系统的回油流量一起进入散热器冷却后流回油箱。图 9 是进入散热器的冷却流量，大约为 150L/min，仿真与试验吻合良好。图 10 是 10 挡 250bar 压力打水工况下液压油箱油温对比。试验热平衡温度为67.5，仿真温度为68.5，偏差1。将打水工况调整为 5 挡 150bar，对比仿真与试验的热平衡温度，结果显示试验热平衡温度为 56.9，仿真温度为58.2，偏差 1.3。4 泵送液压系统热平衡温度研究根据台架测试数据，散热器的换热功率与液压油流量和进风量关联较大，对系统热平衡温度存在较大影响。对闭式系统而言，通过散热器的流量主要来自冲洗阀，而冲洗流量则与补油压力和冲洗阀压力之间的压差成正相关；补油压图 7 现场测试场景图 6 泵送液压系统仿真模型图 8 左主缸压力对比图 9 冷却流量对比图 10 泵送打水工况 1 油温曲线对比2023.06建设机械技术与管理 23力对闭式主泵换向速度影响很大，压力设定高，主泵换向速度更快，泵送效率会更高，为满足主泵换向速度要求，补油压力通常设定为 32bar。因此，冲洗阀压力将会直接影响冷却流量，从而影响系统热平衡温度。进风量则主要受风机转速影响，在系统工作时可根据工况对风机转速进行控制来影响热平衡温度。为了研究冲洗阀设定压力对液压系统热平衡的影响，在 10 挡 250bar 泵送工况下改变冲洗阀压力，批量仿真油箱油液热平衡温度，如图 11 所示。由图可知：冲洗阀压力与热平衡温度呈正相关，具体热平衡温度值和温升值如表 2 所示。为了研究散热器进风量对热平衡温度的影响，在 10 挡250bar 泵送工况下改变进风量，批量仿真油箱油液热平衡温度，如图 12 所示。由图可知：进风量与系统热平衡温度呈负相关，具体热平衡温度值和温升值如表 3 所示。冲洗阀压力（bar）热平衡温度（）相对环境温升（）备注2468.525.5环境温度43，工况 10 挡250bar 打水2671.528.528 76.333.330 8441表 2 冲洗阀压力对热平衡状态参数影响汇总表图 11 不同冲洗阀压力下热平衡温度曲线图 12 不同进风量下热平衡温度曲线5 结 论（1）本文建立的热仿真模型有良好的精度，不同工况下系统热平衡温度仿真值与试验值偏差 2。（2）相同环境温度情况下，冲洗阀压力设定值升高6bar，系统热平衡温度升高 15.5；散热器进风量减少1800m/h，热平衡温度升高 10.1。（3）冲洗流量与散热器进风量是影响闭式泵送液压系统热平衡温度的两个主要因素，系统热管理方案中需要重点关注冲洗阀压力设定值和散热器风机转速控制逻辑。参考文献1 王剑鹏，秦四成，杨立光，等.装载机转向液压系统的热平衡分析与比较 J.中南大学学报，2016，47(05):1527-1532.2 张钦国，秦四成，马润达，等.装载机工作装置液压系统热特性 J.吉林大学学报，2016，46(03):811-817.3 费烨，刘海，王文浩.全液压动臂式塔机起升机构液压系统发热仿真分析 J.机电产品开发与创新，2022，35(04):98-102.4 杨晓乾.水泥混凝土泵车液压系统冲击与仿真研究 D.西安：长安大学硕士论文，2003.5 王超，曾发林，刘蕾.基于 AMESim 的混凝土泵车摆动系统仿真与研究 J.机床与液压，2011(11):142-144.6 揭琳锋，刘蕾，李悦，等.基于 AMESim 的混凝土泵车泵送系统缓冲功能仿真研究 J.液压气动与密封，2010(10):1008.收稿日期：2023-10-18作者简介：刘德福，学士，工程师，主要从事专用车辆设计。散热风量（m/h）热平衡温度（）相对环境温升（）备注580068.525.5环境 温度43，工况 10挡 250bar 打水520070.327.3460073.530.5400078.635.6表 3 进风量对热平衡状态参数影响汇总表