混凝土泵车摆动系统的动态特性研究
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第11期 2015年11月 机械设计与制造
Machinery Design&Manufacture 163
混凝土泵车摆动系统的动态特性研究 靖保平,傅连东,邓江洪,赵康 (武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430081)
摘要:通过分析混凝土泵车摆动系统的工作原理,建立了该系统的数学模型和关键元件的AMESim仿真模型,在验 证模型准确的基础上搭建摆动系统的AMESim仿真模型,结合实际工况设置系统模型中相关元件的关键参数并进行 动态仿真,得到了摆缸位移、速度以及蓄能器出口流量等动态特性曲线,并通过实验进行验证,实验结果表明:摆缸能 达到预期目标,s型分配阀能够快速换向是由于蓄能器以很大流量快速放油,而频繁的快速换向正是引起系统压力冲 击和噪音的主要原因。 关键词:混凝土泵车;摆动系统;AMESim;动态特性;仿真 中图分类号:TH16;TH137;TU646 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2015)11-0163—04
Dynamic Characteristics Research of Concrete Pump Truck Swing System JING Bao—ping,FU Lian-dong,DENG Jiang-hong,ZHAO Kang (Institute of Mechanical Automation,Wuhan University of Science and Technology,Hubei Wuhan 430081,China)
Abstract:By analyzing the workingprinciple ofconcrete pump swing system,the mathematical model ofthe system and the AMESim simulation model ofthe key element are established.The AMESim simulation model ofswing system is based on the verified accurately mode1.Combined with the actual conditions,set up the keyparameters ofrelated components in the model for dynamic simulation,and obtained the dynamic characteristic cur ̄e of Cylinder displacement,velocity and accumulator flow rate,and verifed by experiment.The experimental results show that the swing cylinders Can reach anticipated gD ,S— type distribution valve can quickly reversing due to the accumulator to large flowfast drain,andirequent quick reversing is the main cause ofsystem pressure shock and noise. Key Words:Concrete Pumping Truck;Swing System;AMESim;Dynamic Characteristic;Simulation
1引言 混凝土泵车是一种用于输送和浇筑混凝土的施工设备,以 其高质量、高效率、低消耗、低成本、施工周期短、劳动强度低等优 点,逐步成为建筑施工中不可缺少的关键设备。混凝土泵车摆动 系统一般设计在料斗的后方,其主要作用是配合泵送系统在液压 油的作用下推动左右两个摆阀油缸的活塞杆,带动摆臂左右摆 动,从而实现S阀的换向l1l。 德国、美国、日本、意大利等国是世界上发展混凝土泵车最 早的国家,也是泵车很多先进技术的输出国,在摆动系统及其动 态特性方面的研究也较早,并有相关应用,而国内在这方面的研 究起步较晚,对系统动态特『生的研究较少。为了分析混凝土泵车 摆动系统的动态特性,建立了该系统的数学模型和AMESim仿 真模型,并进行模拟实验验证了模型的有效性,分析了S阀快速 换向和引起系统冲击的原因,为摆动系统的设计和优化及安全试 车提供一定的参考依据。 2泵车摆动系统工作原理 凝土泵车摆动系统,如图1所示。该回路由齿轮泵1、溢流阀 2、电磁换向阀3、单向阀5、蓄能器6、主换向阀7、小液控换向阀 8、电磁换向阀9、摆动油缸10、1 1、摇臂12组成。其中,由齿轮泵 1、溢流阀2和电磁换向阀3形成恒压油源,电磁换向阀3在泵送 作业是一直处于得电状态,由齿轮泵1出来的压力油首先进入蓄 能器6,当蓄能器内的压力值升到设定的额定值时,溢流阀2开 始卸荷;在待机状态下电磁换向阀3则进行得断电的循环动作, 由于单向阀5的作用,系统高压油不会倒流,因此蓄能器6的压 力不掉为0,不至于使齿轮泵压力油总处于溢流状态,而产生额 外的热量。 当液控换向阀8得到来自泵送系统中信号阀产生的P1、P2 压差信号后,由恒压油源提供的高压油经电磁阀9、液控阀8作 用在主换向阀7的左右两端,使其左右换向;当主换向阀7换向 完成后,蓄能器中的压力油经主换向阀7向摆动油缸10或11快
来稿日期:2015—04—04 基金项目:湖北省自然科学基金创新群体项目(2014CFA013) 作者简介:靖保平,(1988一),男,湖北黄冈人,硕士研究生,主要研究方向:机电系统的故障诊断与在线监控; 傅连东,(1965一),男,湖北黄冈人,博士研究生,教授,博士生导师,主要研究方向:机电系统动态设计及故障诊断 164 靖保平等:混凝土泵车摆动系统的动态特性研究 第11期 速充油,驱动s型分配阀左右摆动来实现陕速换向。系统停止工 作时必须打开球阀4,使蓄能器压力油释放目。
1.齿轮泵2.溢流阀3.电磁换向阀4.球阀5.单向阀 6.蓄能器7.主液控换向阀8小液控换向阀9.电磁换向阀 10.左摆动油缸1 1.右摆动油缸12摇臂 图1混凝土泵车摆动系统 Fig.1 Concrete Pump Truck Swing System
3摆动系统的数学模型
在建模过程中,为了使数学模型不至太过复杂,在真实反应 系统动态特性的前提下,忽略一些对系统动态特性影响不大的因 素,对系统进行简化处理:(1)恒压泵用定量泵加溢流阀和电磁换 向阀的组合形式代替;(2)忽略各元件的内部泄露及容积效率的 影响;(3)蓄能器为s阀换向提供压力油,此过程时间很短,视为 绝热过程;(4)忽略油液的体积弹性模量随温度和管径变化的影 响,视其为常数;(5)两摆缸有杆腔接油箱,视其压力为0。 由文献呵知,作用在S阀上的外力矩有很多方式:如其侧面 受混凝土直接作用产生的阻力矩,摆动时的惯性力矩,在摆动中 产生的与混凝土之间的剪切阻力矩,S阀的管口与眼镜板之间的 摩擦力矩,S阀管口切断混凝土流的剪切阻力矩等等。 由此可知s阀的动力挣『生方程为: — ・ s (1) 即: ・sina・L A R—C=J () ̄6 2 式中: 一活塞的有效驱动力(N);卜唷效驱动力的力臂(m);
—驱动力与力臂L的夹角(rad); —混凝土的泵送压力 (Pa); ・S阀管口与眼镜板之间的摩擦系数, =0.2;A _s 阀管口的作用面积;C一阻力矩常数(N・S)取C=380; ̄--S 管阀相对转动轴的转动惯量(kg・m ); _s管阀的角加速度 (rad]s ),其中,8: 。 dt
已知摆臂的转动半径为r,设活塞杆沿摆缸方向移动距离为
,则活塞杆的速度 = ,且v ̄t)r,于是81-:- 。 蓄能器向系统供油过程中,随着气体提及的膨胀,系统的供 油压力将不断变化,而气体的膨胀与蓄能器的排油量有关,排油 量则与活塞的位移有关,所以蓄能器供油是一个动态过程。设蓄
能器充油前的压力为 ,开始向系统供油时压力为,气体容积为 P,工作过程中的瞬时压力为 ,气体的容积为,则摆缸的运动方 程为: 12 (P-AP)=A:m +F (3)
d 式中:△JP—换向阀及管道的压力损失,△P=P-尸0;A一活塞面积,
所以 = .+A ;,—一活塞(包括活塞杆)及荷载质量。 假设蓄能器排油时为等温过程,则由玻意耳定律可得: : (4) ‘ +A
因为系统在运行过程中产生较大的压力,由于油液具有压
缩性,所以在高压下油液就有一定的压缩量。因此,在柱塞缸内油 液所产生的弹力为 ,且 = = ,则:
F2= (5) 式中: —液压静刚度;曰一油液的弹性系数;V 一蓄能器的供油 量;Vi—管道内油量。 摆缸所受的合力为: + +G0+ z (6) 式中: —摆缸的推力; —摆缸内部摩擦力;G。—摆缸重力沿其 运动方向上的分力(常数)。 4摆动系统的AMESim仿真模型 4.1关键元件仿真模型的建立 为了使仿真模型与实际阀体具有尽可能相同或相近的特性, 保证系统的精度,需要对各个元件的参数进行反复修正、调试,以期 与其样本特『生曲线相匹配。在该系统中,油箱、液压泵、溢流阀、电 磁换向阀、单向阀、蓄能器和液压缸等元件都可以从AMESim的 液压元件库中直接选取,而液控换向阀和S型分配阀等元件则需 要根据它们的工作原理和实际物理结构,利用AMESim的HCD库 (Hydraulic Component Design)和平面机构库(Planar Mechanica1) 自行搭建。 4.1.1液控换向阀模型的建立 以威格土方向控制阀DG3V一3—2C一7一B一60为研究对象。底 板安装,远程液控操作,全部油口压力额定值350bar(5000psi), 阀的规格NFPAD01 ISO4401-03CETOP3,为三位四通换向阀,阀 芯为闭式中位,弹簧对中,需要控制压力进行换向并保持阀芯[53。 在草图模式下,根据液控换向阀的结构图,利用HCD库中 的基本元件搭建液控换向阀的仿真模型,如图2所示。建好模型 后,设置液压环境、流量、控制信号、阀体结构等参数开始仿真。
. 图2 O型三位四通液控换向阀仿真模型 Fig.2 Simulation Model of O-Type Four-Way Hydraulic Control Valve