預制混凝土布料機液壓系統設計與仿真

李寶，馬書濤

(上海神舟汽車節能環保有限公司，上海 201100)

目前我國正在推行實施裝配整體式工業化建筑體系的要求，這不但可以提高住宅工程質量和裝修品質，而且還可以最大限度地滿足節能、節地、節水、節材和保護環境(“四節一環保”)的綠色建筑設計與施工要求。預制混凝土布料機對預制混凝土行業起著至關重要的作用，因此研究高效、節能的混凝土布料機是保證預制混凝土行業發展的關鍵技術之一［1］。

1 預制混凝土布料機液壓系統的工作原理

1.1 布料機的提升(支撐)

為了實現布料機與行車掛接的自動化，設計了布料機提升液壓系統。4 個固定在布料機上的液壓缸支撐在檢修平臺上，如圖1 所示，當行車運行到布料機的正上方時，提升油缸升起，使得布料機的上平面和行車的下平面對合，小行車上設有耳板，4 個油缸都設計成球鉸結構，在布料機上升過程中，8 塊耳板強制布料機做出調整，使其與小行車對齊，然后掛接油缸動作，實現兩者的對接。

圖1 液壓控制系統的功能分布

1.2 布料機與小行車的掛接

布料機和小行車的掛接由4 個掛鉤和4 個防擺裝置來完成，4 個掛鉤各由1 個液壓缸控制，同側防擺裝置共用1 個液壓缸來控制，如圖2 所示，防擺裝置上設有卡槽，與行車上的立柱配合，達到防擺的目的。

提升油缸把布料機升起后，掛接系統啟動，首先4 個掛鉤搭合在小行車的橫梁上，然后防擺裝置動作，完成與立柱的配合，至此布料機和小行車對接完畢。

圖2 布料機與小行車的掛接

1.3 料倉支架的升降

為了滿足接料和布料過程中的要求，料倉支架可以沿軌道在豎直方向上運動，由獨立的液壓缸來實現，液壓缸活塞端固定在料倉支架上，液壓缸下端固定在布料架上，油缸兩端頭都是鉸接，可以承受小的擺動和自動調整。布料斗支架升降高度設定為2.0 m。

1.4 料倉門的開合

料倉門的開合由2 個液壓缸來控制，因為采用單個液壓缸控制，料倉門易受扭轉力的作用。料倉門的開啟量大小由混凝土澆灌速度配合行車運行速度來調節。

根據預制混凝土布料機要實現的功能，設計出液壓系統［2］，工作原理如圖3 所示。

圖3 液壓系統的原理圖

2 液壓系統的計算與元器件選擇

2.1 流量和壓力的計算

根據系統運行時間要求分別為40 和30 s，選取油缸缸徑分別為125 和110 mm，油缸行程分別為1 095和905 mm。布料機升降油缸共4 個油缸，2 個油缸約受力1.1 ×104N，另2 個油缸約受力1.9 ×104N，壓力計算按缸所承受的最大壓力來計算［3-5］。

閥體及管路損失的流量和壓力按總流量的30%計算，系統所需最大流量Qmax為25.8 L/min，系統的壓力pP為8.05 MPa。

2.2 元器件的選型

(1)泵的選擇

多液壓缸同時動作時，液壓泵的流量要大于同時動作的幾個液壓缸所需的最大流量，并應考慮系統的泄漏和液壓泵磨損后容積效率的下降，即:

液壓泵的排量為:

泵的動態壓力往往比靜態壓力高得多，所以泵的額定壓力pp應比系統最高壓力大25%～60%，使液壓泵有一定的壓力儲備。

通過以上的計算，選擇齒輪泵CBK1020E，排量為20 mL/r，壓力為16 MPa。

(2)電機的選擇

設泵的總效率η=0.85，則:

(3)控制閥通徑的選擇

一般選擇控制閥的額定流量應比系統管路實際通過的流量大一些，必要時，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%，控制閥都選用通徑為φ6 mm。

3 疊加閥的設計與仿真分析

疊加閥的閥體尺寸是標準的，在相似的閥體內不同的油路可產生不同的控制功能［6-7］。根據用途分類:壓力控制閥類，如溢流閥、減壓閥、順序閥等;流量控制閥類，如節流閥、調速閥等;方向控制閥類，如單向閥、液壓單向閥等。其工作原理與一般板式閥基本相似。由于連接方式的需要，在結構上又有一些特點。每個疊加閥都必須有P、T、A、B 等規定用途的共用油路。根據前面計算出的系統流量29 L/min 和壓力16 MPa，根據國家標準，選用通徑為φ6 mm 的液壓閥塊，其結構尺寸如圖4 所示。

圖4 閥塊組的三維結構

根據實際工況，一組閥塊工作時，其余都不工作，把其余孔當做工藝孔，閥塊的孔都按φ6 mm 的國家標準最大值φ7.6 mm 仿真。在Gambit 中建好模型，劃分網格后導入FLUENT 軟件中進行分析，見圖5。

圖5 速度、壓力云圖

從圖5 可看出:閥塊底板的通道中出現渦流，流場非常復雜，最大流速僅為8.78 m/s。從管道壓力云圖可以看出:流體流過每個閥塊組時壓力依次降低，每個工藝孔對壓力都有很大的影響，到第6 組閥塊組通道時，其壓力最大為6.02 MPa，壓力損失較大。

由于流線是一條瞬時光滑曲線，它不能轉折，也不能相交，所以在流道的直角拐彎處流體就產生分離，從而形成渦旋，并且由于流體流動的慣性，在鉛直方向的流道上也有流動的分離和再附壁現象。有渦旋形成，渦旋就要旋轉，必然要消耗主流能量和產生流體噪聲，這些都是產生在流動過程中能量損失和流體噪聲的主要因素［8-9］。

4 結論

(1)考慮到雙作用伸縮缸控制較難，且雙油口成本較大，特采用單作用伸縮缸，打開液控鎖開口，使其靠自重下降，通過節流閥調整下降速度;

(2)為了使布料機水平上升，在設計時機械結構盡量達到左右平衡，同時在前后升降加同步閥，保證4 個油缸同步上升;

(3)卸料開門時要求動作比較靈敏，采用電磁比例閥來控制流量，以滿足用戶需求;

(4)通過對閥體的流體仿真，研究其壓力損失，找出易于產生渦流的地方，避免了后續試驗的問題，節省產品試制時間。

［1］蔣勤儉.住宅建筑工業化關鍵技術研究［J］.混凝土世界，2010，3(9):34 -36.

［2］華德液壓技術樣本，2005.

［3］王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［4］路甬祥.液壓氣動技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［5］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

［6］陳麗華，朱興龍，陳書喬.液壓系統集成塊設計方法的研究［J］.泰州職業技術學院學報，2003，3(3):8 -11.

［7］郭津津，朱世和，董黎敏.基于三維實體液壓集成塊設計系統［J］.機械設計，2010(9):26 -28.

［8］余國城，陳繼河，陳鶯.液壓系統集成塊的設計與制造［J］.起重運輸機械，1999(5):14 -16.

［9］袁昌耀，傅連東，王佳，等.基于FLUENT 液壓集成塊管內數值仿真［J］.機械設計與研究，2008，35(12):16-19.