混凝土泵开式液压系统换向冲击控制方法研究.pdf

第3 1 卷第1 1 期计算机仿真 2 0 1 4 年1 1 月 文章编号：l 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 4 ) 1 1 一0 2 2 2 0 5 混凝土泵开式液压系统换向冲击控制方法研究 吴万荣，冒振文，黄向阳 ( 中南大学机电工程学院，湖南长沙4 1 0 0 1 2 ) 摘要：在开式混凝土泵送系统优化设计的研究中，根据开式混凝土泵送系统的工作原理，对其在换向过程中液压冲击现象产 生机理进行了理论分析，得出换向液压冲击压力值与主油泵排量呈线性关系。由此提出了变排量控制方法来减小系统换向 液压冲击。在保证泵送活塞不撞缸以及活塞行程控制精度的前提下，对泵送系统的换向时机以及变排量时间参数进行了优 化。选取某型号混凝土泵，对其泵送系统进行A M E s i m 建模仿真以及实验，结果表明，采用主油泵变排量控制方法能够有效 减小泵送系统的换向冲击。 关键词：混凝土泵；开式液压系统；液压冲击；变排量控制；行程控制精度 中图分类号：唧9 1 9文献标识码：B S t u d yo nC o n t r o lM e t h o df o rH y d r a u U ch n p a c to f O p e nH y d r a l n i cS y s t e mi nC o 眦r e t eP l I m p W UW a n r o n g ，M A OZ h e n w e n ，H U A N GX i a n g y a n g ( C o l l e g eo fM e c h a J l i c a l 蛐dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t l lU n i v e r s i c y ，C h a n g s h aH u n 醐4 1 0 0 1 2 ，C h i n a ) A B S T l l t A C T ：A c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fo p e nh y d r a u l i cs y s t e mi nc o n c r e t ep u m p ，a I l dt h o u g ht 1 1 et h e o r e t i - c a l a l l a l y s i so nt h ep h e n o m e n o no fh y d m u l i ci m p a c ti nd i r e c t i o nc h 明g i n gp m c e s s ，i ti sc o n c l u d e dt l a tt h ei m p a c t p r e s s u r eh a L sal i n e a rr e l a t i o nw i 山t l ed i s p l a c e m e n to ft I l em a i no i lp u m p T os o l v et h eh y d m u l i ci m p a c tp r o b l e m ，a V a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm e t h o dw 鹊r a i s e d U n d e rt h er e q t l i r e m e n t t h a tt h ep i s t o nd o e sn o ts t r i k et l eb o t t o mo fc y l i n d e r a 1 1 dr e q u i r e m e n to fp i s t o ns t r o k ec o n t r o la c c u r a c y ，t h ea u t h o r so p t i m i z e dt h ep u m p i n gd i r e c t i o nc h a n 画n gp r o c e s st i m e p a r a m e t e r sa n dt h ed i s p l a c e m e n tc o n t r o lt i m ep 缸舡n e t e r s T h o u g h 也eA M E s i mm o d e l i n gs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d y ，t h ev 撕a b l ed i s p l a c e m e n tc o n t r 0 1m e t I l o di sp m v e df e 鹳i b l ei nr e d u c i n gt h eh y d r a u l i ci m p a c ti nd i r e c t i o nc h a n - 舀n gp m c e s s K E Y W o R D S ：C o n c r e t ep u m p ；0 p e nh y d r a I l l i cs y s t e m ；H y d r a u l i ci m p a c t ；V 鲥a b l ed i s p l a c e m e n tc o n t m l ；P i s t o n s t I _ o k ec o n t r o la c c u r a c v 1 引言 混凝土泵在输送与浇筑混凝土时具有灵活机动，工作效 率高，浇筑质量好等优点，因此，近年来在高层建筑、铁路、桥 梁、民用建筑等领域得到广泛运用，在国民经济发展和基础 设施建设中具有重要的地位。混凝土泵的液压系统分为 开式和闭式两种。相对于闭式液压系统而言，开式液压系统 成本更低，结构更加简单，散热性更好，因此国内相当多的混 凝土泵生产厂家都选择了开式系统。但开式液压系统在工 作过程中存在更加严重的液压冲击问题。液压冲击将对泵 的工作性能及使用寿命产生严重的影响口J ，如何有效地减小 甚至消除液压冲击现象具有重要的工程意义。 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 1 1 7 5 5 1 8 ) 收稿日期：2 0 1 4 一0 2 1 0 2 2 2 本文对开式系统泵送换向过程中的液压冲击现象进行 理论分析，并在此基础上，提出了通过控制主油泵排量来减 小换向冲击的方法。在保证活塞不撞缸及活塞行程控制精 度的前提下对系统换向时机及变排量时间参数进行了优化。 最后对优化后的泵送液压系统进行A M E s i m 仿真分析及样 机实验。 2 混凝土泵送液压系统工作原理 混凝土泵开始工作时，主换向阀2 位于左位，由主油泵l 向系统供油，油液通过主换向阀2 进入泵送液压缸A ，有杆 腔，活塞在液压油驱动下缩回，带动混凝土缸B 。开始吸料。 与此同时，泵送液压缸A ：活塞伸出，推动混凝土缸B ：开始泵 料。液压缸A ：泵送到位后，分配阀3 换向，分配液压缸动作， 分配液压缸动作到位后，主换向阀2 换向到右位，泵送液压 万方数据 缸A ：缩回，A 。伸出，混凝土缸B ：由泵料变为吸料，B 。由吸料 变为泵料。如此交替往复，实现混凝土泵连续泵送。 l 主油泵2 主换向阀3 分配阀 A l A 2 泵送液压缸B l ，B 2 混凝土缸C 1 C 2 分配液压缸 图l混凝土泵送液压系统工作原理图 3 换向液压冲击及泵送负载 在闭式液压系统中，泵送系统的换向是利用主油泵的斜 盘摆角正负变化来实现的。由于主油泵换向后，其流量从零 逐步增大，可以很好地消除在系统换向时所产生的液压冲 击H j 。而在开式液压系统中，换向是通过主阀的切换来实现 的，主换向阀在高速切换时，主油路被瞬间切断，主油泵继续 供油，主油泵出油口与主换向阀之间出现液压冲击现象。在 泵送液压缸泵送到位，主换向阀换向前，减小主油泵排量甚 至将其排量降至零，这样既可以减小主换向阀在高速切换时 的液压冲击，又可以实现在主阀换向到位后，泵送液压缸的 平缓启动，使混凝土缸内“吸人”的低压混凝土和输送管内的 高压混凝土“柔和”接触，达到减小冲击的目的。由上述分析 可知，开式泵送液压系统换向过程中的液压冲击主要有两个 方面：一是主换向阀快速切换，将主油路截断，因主泵继续供 油所产生的液压冲击，二是负载惯性力所引起的液压冲击。 3 1 液压冲击机理分析 3 1 1 主阀换向引起的液压冲击 主换向阀在高速换向时造成主油路被瞬间切断，液压管 路中液压油的动能转变为压力势能，出现液压冲击现象。根 据能量转换以及能量守恒定律，可得： 11 ， 扣如2 = 硝 ( 1 ) 二 D 总 由此可得： 瓜 p 。= 号= 肚 ( 2 ) Vp 其中，p ，为主阀换向所引起的液压冲击的最大压力；p 为液压油的密度；A ，z 为液压管路横截面积与长度；E 总为油 液与油管组成的当量系统弹性模量；”为液压管路中油液的 流速；c 为冲击波在液压管路中传播速度，即： c = q 等= 4 警，小+ 专长 t 3 、 其中，墨为液压油的体积弹性模量；t 为液压管路管壁材料 弹性模量；d 为管道内径；石为管道的厚度。 综合式( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) 可知，主阀换向引起的液压冲击压 力值p 。为液压油流速”的线性函数。 3 1 2 负载惯性力所产生液压冲击 假设部件总质量m ，减速时间t ，速度变化量”，假 设速度最终为0 ，则”= ”，则系统中的冲击压力为： p z A 山= m 口 ( 4 ) 由式( 4 ) 可以得到： p ：= m ( A f ) ( 5 ) 其中，A 为泵送液压缸的有效作用面积。 由以上分析可以得到，泵送系统在换向过程中所产生的 液压冲击的压力值为： y 砌 p2 p + p ：2p t ) c + 符( 6 ) 又因为： ”= Q A = 匕删 ( 7 ) 其中，”为液压油的流速，Q 为主油路流量，A 为油路的横截面 积，匕为主油泵排量，n 为主油泵转速。 综合式( 6 ) ，( 7 ) 可知，液压冲击压力值与液压油流速呈 线性关系，泵送液压系统换向时通过减小主油泵排量从而减 小液压油流速，将能够有效减小系统换向过程中的液压冲 击。 3 2 泵送负载特性分析 混凝土在输送管路中的流动可以看成“柱塞流”，在刚开 始运动的时候，混凝土与管壁之间的摩擦力相当于与输送管 道的黏着力，开始运动以后，摩擦阻力与混凝土的流速呈线 性关系，此时的混凝土处于层流状态卜6 | 。目前计算混凝土 泵送负载的方法较多，根据资料 ，混凝土泵送负载可表示 为： 旷 ( 3 - o - l s ) o 0 1 + ”0 1 s ) o 0 1 爷 + 倒n 妒卜 ( 8 ) 其中r 为输送管半径，s 为混凝土的坍落度，。为分配阀的换 向时间，t 。为活塞泵送的时间，；输送管道内混凝土的平均流 速，p 为混凝土的密度，妒为混凝土输送管道与水平面夹角，算 为输送管的等效长度。 4 主油泵排量控制原则 4 1 排量控制原理 如图2 所示，在泵送液压缸靠近缸底位置安装位置传感 一2 2 3 万方数据 器A 和B ，当活塞运动到位置A 时，传感器发出换向信号，经 过一定延时后控制主换向阀换向，期间活塞运行速度不变。 活塞运动到位置B 时，传感器发出变排量信号，主油泵变排 量机构接收信号开始动作，排量减小到设定值，活塞运动速 度随之变小。换向信号延时结束，主换向阀接收信号后完成 换向。泵送液压缸实现泵送状态和吸料状态的转换，活塞停 止在c 点，开始准备反向运行。为保证活塞在系统换向完成 时不撞缸，要求活塞在运行到最大行程位置c 点时与缸底D 保持一定距离d 。 圈2混凝土泵送系统工作原理圈 4 2 排量控制时间参数的优化 如图3 所示，在t 。时刻泵送液压缸活塞到达换向信号点 A ，经过时间t ：，到达变排量信号点8 。b 为系统发出变排量 信号到主油泵排量开始减小所用时间。“为主泵排量开始 减小到排量系数变为七所用时间。毛为主油泵排量系数变为 七到系统换向完成所用时间。 捧量系数 t I气t j 圈3 排系敛与时间的关系 从系统发出变排量信号到系统换向完成时间段内活塞 运动的距离为： L = e 砌t + 厂；“4 【一! ! 掣 ( 9 ) r “5 鼬：。( ”半t 4 地，) 。b + 4 由图3 可知，从发出换向信号到换向结束所用时间为： 一2 2 4 一 l = 2 十b + 4 十b | s 一S ， ( 1 0 ) = + b + t 4 + 5 其中s 。为图2 中4 ，c 两点间距离，s 2 为图2 中曰，c 两点 间距离。 由式( 9 ) ，( 1 0 ) 可得： = ” t 3 + 学”地。一学1 _ t 4 ) 】( 1 1 ) 设泵送活塞运动速度的最大值为”，最小值为”。，则 活塞运动行程L 的最大值与最小值之差为： k k 。= ( q i n ) ”( 1 圳f 1 2 ) 南( 一t 3 一t 4 ) 】 根据要求，不同的负载工况下泵送活塞行程控制精度必 须在一定范围内，即L 一一有一上限6 ，即： L 一一L 而垫 ( 1 3 ) 为了减小换向时的液压冲击，泵送液压缸活塞换向须在 主油泵排量控制结束之前完成，所以： 喾蝎“q 喾+， b+k+b 为保证在任何负载工况下活塞都不撞缸，并且使泵送油 缸的有效行程最大，则令等于s 2 ，即： 。= S 2( 1 5 ) 由式( 9 ) ，( 1 4 ) ，( 1 5 ) ，可得： 【s ，一”一( ”半地) 】怕 s 。一”一( ”学”地) 】儿+ 。6 t 3 + 4 + t 5 当混凝土泵泵送负载最大时，泵送活塞的运动速度最 小，活塞走完一个行程的时间以t ) 最长，即： 尺t ) = 【t 一”一( b + L 笋t 。+ ) 一d 向响+ ( 1 7 ) 如+ t 4 + k 其中k 为活塞整个行程的长度，d 为系统换向结束时活塞距 离缸底的距离，为了得到更高的泵送效率，应该使目标函数 以f ) 取得最小值。 4 3 实例分析 选用某型号混凝土泵做实例分析。泵送油缸无杆腔直 径l 柏m m ，活塞杆直径1 0 0 m m 。在不同的负载工况下，经计 算得，活塞最大运行速度为v = 0 8 8 m s ，最小速度为 v 。i 。= O 4 7 m s 。在减小泵送系统换向液压冲击的同时， 为保证换向结束后活塞的启动速度，排量系数k 取0 3 5 。泵 送活塞的行程控制精度b 取O 0 4 5 m ，活塞在系统换向结束时 距离缸底最小距离d 取0 0 l m ，活塞的行程L 。设为2 m ，主油 泵主要参数如表1 所示。 万方数据 万方数据 万方数据