基于AMESim的混凝土泵車排量調節系統的仿真與研究

高鳳陽，張 亞，王 珊，賈財運

（沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

基于AMESim的混凝土泵車排量調節系統的仿真與研究

高鳳陽，張 亞，王 珊，賈財運

（沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

針對混凝土泵車液壓雙向變量泵排量調節系統，闡述了其結構、組成元件及工作原理，利用AMESim軟件平臺建立該系統的仿真模型，進行了各個仿真元件的參數設置和模擬仿真。特別是對使用HCD分體元件庫構成的液控伺服閥和變量伺服油缸的構成過程以及其參數的設置過程進行了詳細的描述。模擬仿真表明基于AMESim的該系統的仿真模型符合實際系統的運行結果，為該系統實際排量調節控制提供理論依據，節省實驗費用和時間。

AMESim；排量調節系統；混凝土泵車；建模與仿真

0 引言

混凝土泵車是集輸送成品混凝土和澆筑工序于一體的建筑機械，是可以連續均勻地泵送混凝土至某一高度的專用車型，其最大的優點在于能夠方便的垂直輸送混凝土至預定地點，已成為現代建筑業中不可缺少的一種工程機械。

隨著國內工程機械技術的不斷發展，對混凝土泵車的可靠性要求越來越高，而其液壓系統可靠性對混凝土泵車的可靠性起著決定作用，其中雙向主液壓泵排量的調節對整個泵車液壓系統的可靠性，對整個混凝土泵車泵送混凝土的連續和穩定，以及泵送排量大小的調節起到關鍵性作用。這種排量調節系統具有典型性，能夠廣泛適用于多種工程機械和礦山機械的液壓系統。

主液壓泵排量調節通過操作排量控制的比例控制閥使主泵排量由零至最大無級變量。該調節系統由排量比例控制閥接受不同信號，給出不同的壓差，進而控制伺服閥油口開啟大小、方向發生變化，使得伺服油缸活塞兩端產生不同壓差，伺服油缸桿牽動主泵斜盤從而調節主泵輸出壓力油的流量大小、方向變化。這一過程是一相對復雜的控制過程，對這一過程的模擬和仿真可以了解其變化規律，有利于實際控制過程中采取正確的策略。所以研究此問題比較有意義。

1 混凝土泵車液壓系統介紹及排量調節系統工作原理分析

工程實踐中混凝土泵車液壓系統分為開式和閉式兩種液壓系統。開式系統壓力損失大，沖擊力大，工作時噪音大，但整個系統的控制容易；閉式系統的壓力損失小，換向的沖擊小，工作時相對安靜，液壓油的用油量少，但系統的控制較復雜。

本文所研究的混凝土泵車主驅動系統是由主泵和驅動油缸組成的閉式液壓回路系統，實際應用中主泵為雙向變量泵，其兩口直接分別與兩個驅動油缸連接，兩油缸同側腔（無桿腔）相連。本文主要研究和討論排量調節系統，為簡化仿真，在泵車的主驅動系統中用一個雙出桿油缸代替兩個驅動油缸。

排量調節系統由排量比例控制閥、三位四通電磁換向閥、伺服閥、變量伺服油缸以及主泵組成，主泵為雙向變量泵，推動液壓油缸動作，其液壓原理圖如圖1所示。圖中排量調節系統由補油泵1供油，分兩路，一路通過伺服閥7到達伺服油缸 4，伺服油缸4通過鉸鏈推動主泵 2的斜盤；另一路通過三位四通電磁閥到伺服閥閥芯兩側，并通過調節排量比例控制閥8，實現調節控制油路壓力，在伺服閥7兩端有不同的壓差，推動閥芯產生不同的位移，使伺服閥7的油口開啟方向、大小變化。從而由補油泵1輸出的壓力油經伺服閥后產生不同的壓降作用于變量伺服油缸4兩側，變量伺服油缸活塞在兩端不同的控制壓力作用下，克服彈簧力移動，并由連桿機構牽動主泵斜盤偏轉，從而使主泵輸出壓力油的流量大小，方向變化，達到調節主泵排量的目的。其中伺服閥7與伺服油缸4之間通過彈簧桿3連接，起到反饋調節作用。當伺服閥7在右位時，即伺服閥7向左運動，此時伺服油缸4右腔供油，推動伺服油缸4向左動作，并通過彈簧桿3反作用于伺服閥7，使得伺服閥7向右移，油口開口變小，進入伺服油缸4右腔的液壓油減少，從而起到調節作用。

圖1 排量調節系統液壓原理圖

2 基于AMESim的液壓系統建模

根據混凝土泵車排量調節系統的工作原理，在AMESim軟件平臺中，調用軟件所提供的液壓庫、機械庫、控制信號庫和HCD庫建立如圖2所示的液壓系統的仿真模型。根據實際情況，基本參數設置如表1所示。

在AMESim軟件平臺中的液壓元件庫中由于沒有所需要的變量伺服油缸和伺服閥，因此要運用HCD庫中的分體元件進行搭建。

液控伺服閥由HCD庫中的4種分體元件的構成，其組合結果如圖3所示，根據實際情況設定閥徑均為15mm，中間桿徑均為5mm。由液壓原理圖知液控伺服閥為類似于帶阻力的H型閥，在閥處于中位時，四個油口相通但帶有一定阻尼， 故零位移時每個帶孔活塞軸孔徑應有一定的開口量。 考慮到伺服閥流量不大，因此采用節流孔部件為非全圓的，設定孔徑為1mm，數量12個。由于運用HCD庫中構成的伺服閥不能定位，因此選擇加入了可限制位移的質量塊，由節流孔部件的孔徑為 1mm，即閥芯運動1mm就可以覆蓋整個孔，故可限制的質量塊位移限制范圍為－1mm～1mm，質量塊大小為0.5kg。由于排量比例控制閥調定的壓力范圍為6～18bar，即伺服閥的預壓力為6bar，而伺服閥兩側壓力為18bar時，伺服閥兩側壓力應能夠與伺服閥兩側彈簧力平衡，并能使伺服閥位移達到最大，由以上兩點最終選定伺服閥兩側的彈簧剛度為22N/mm。

圖2 液壓排量調節系統仿真模型

表1 仿真模型中的基本參數

圖3 伺服閥HCD模型

伺服油缸的HCD模型搭建相對于伺服閥簡單，模型如圖4所示，伺服油缸也由HCD庫中4個分體元件構成。根據實際要求活塞直徑設定為10mm，桿徑設定為 5mm。同樣伺服油缸選用可限制位移質量塊，根據油缸的實際運動范圍，質量塊的位移限制范圍為－0.15m～0.15m，質量塊大小為0.5kg?？紤]伺服油缸內置彈簧與油缸兩腔的壓力平衡，即當排量比例控制閥調定最大開啟壓力時，伺服油缸兩腔的壓力應達到34bar，且伺服油缸的位移能達到最大，最終確定伺服油缸活塞桿上的彈簧的彈簧剛度為1N/mm。

圖4 伺服油缸HCD模型

前面提到由于在實際當中伺服閥與變量伺服油缸之間有一種反饋的關系，而這種反饋是建立在一根彈簧桿上的，因此為模擬實際當中的這種反饋，在變量伺服油缸一端加上了位移傳感器，在伺服閥一側加上彈簧，而由位移傳感器發出的位移信號不能直接給到彈簧，彈簧輸出的是位移和速度，因此在彈簧一端加linearxvfromxcon元件，再由此元件傳遞給彈簧，并通過彈簧傳給伺服閥，從而形成反饋，這樣能夠真實的模擬反饋過程，如圖5所示。而為使得這個系統達到平衡狀態，模擬彈簧桿的外加彈簧的參數，最終調定彈簧剛度為10N/mm。

圖5 伺服閥與伺服油缸反饋HCD模型

3 仿真結果及分析

以上模型建立完畢，運行仿真，能夠得到仿真模型的各參數曲線及分析仿真結果的特性。

給定排量比例控制閥一個輸入信號，運行仿真后，得到仿真結果。

圖6 為伺服閥的位移曲線，圖7為伺服油缸的位移曲線，其中實線均為輸入信號為9，虛線均為輸入信號為18的情況。由以下兩圖可知，輸入信號越大則伺服閥的位移就越大，其開口量也變大，使得伺服油缸的位移也變大。而由圖7中標注的四點可知，不論輸入信號為9或18時，伺服油缸位移從一側運動到另一側用時均在0.2s內，由于伺服油缸通過鉸鏈牽動主泵的斜盤，即主泵的換向是在0.2s內，滿足實際應用中混凝土泵車主泵換向的要求，能夠達到持續泵送混凝土的目的。

圖8 為伺服油缸右腔的壓力圖，由于左腔壓力類似，故沒有列出曲線。其中虛線和實線所代表的壓力曲線為伺服油缸內置彈簧彈簧剛度分別為 1N/mm、0.5N/mm的壓力曲線，由此知伺服油缸的油壓力跟內置的彈簧剛度有關，可以調節彈簧剛度來調節伺服油缸的壓力。為使得混凝土泵車液壓系統中的 SN系統能夠起作用，要求伺服油缸壓力應達到 30bar以上，由圖8知當內置彈簧彈簧剛度為1N/mm時完全能夠滿足要求。

圖9 為主泵排量曲線圖，虛線為當排量比例控制閥達到最大開啟壓力時的主泵排量曲線，可以看出，給定排量比例控制閥最大開啟壓力值時，主泵達到最大排量。實線為當輸入信號為9時運行仿真得到的主泵排量曲線。由上圖對比可知，給定排量比例控制閥不同的值，則主泵輸出不同的排量，即可以通過調節輸入的信號值來調節主泵排量。

4 結論

（1）液壓雙向變量泵排量調節系統建模與仿真結果可以說明該模型能夠實現主泵系統的排量調節及過程，且關鍵參數伺服油缸兩腔的壓力、主泵的換向時間等能達到實際要求，為后續整個系統的調節和控制奠定基礎。

圖6 伺服閥位移

圖7 伺服油缸位移

圖8 伺服油缸右腔壓力曲線

圖9 主泵排量

（2）運用AMESim軟件平臺可以實現混凝土泵車液壓雙向變量泵排量調節系統的建模與仿真，且仿真結果可信，運用該平臺大大降低了數據的獲取難度和試驗成本。

（3）本文所研究的排量調節系統可以運用到其他工程機械的液壓泵排量調節中，為該系統實際排量調節控制提供理論依據。

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[4]高明，吳智勇，劉海明，黃罡．基于AMESim的混凝土泵車泵送液壓系統仿真研究[J].建筑機械，2010，11.

Modeling and Analysis of Displacement System in Concrete Pump Truck Based on AMESim

GAO Feng-Yang，ZHANG Ya，WANG Shan，JIA Cai-Yun
(School of Transport and Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang Liaoning 110168,China)

This article aims at hydraulic bidirectional variable pump displacement system of the concrete pump truck,expounds the displacement system of the structure,components and working principle,built the simulation model of the system using AMESim software platform, have each simulation component parameter Settings and simulation.Especially to the process and its parameter setting process of hydraulic controlled servo valve and the structure of variable cylinder used of HCD fission element library were described in details.Simulation shows that results of the system based on AMESim simulation conform to the actual system,provides the theory basis for the actual displacement control of the system,and save the experiment cost and time.

AMESim；displacement system；concrete pump truck；modeling and simulation

TP319.9

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.034

1002－6673（2014）03－085－03

2014－03－16

高鳳陽（1955-），男，教授。研究方向：液壓傳動、控制工程、機電一體化等方面科研教學。