拖式混凝土泵液压系统建模与仿真研究

20T5年9月机床与液压Sep.2015第43卷第T7期MACHINETOOL3HYDRAULICSYol.43No.17DOI：10.3969/j.issn.1001-3881.2015.17.038拖式混凝土泵液压系统建模与仿真研究李鹏，胡飞，刘会勇(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550003)摘要：在分析拖式混凝土菜液压系统的基础上，采用功率键合图的建模方法，建立了其液压系统的数学模型，并运用MATLAB软件的动态分析软件包smulmk,对液压系统数学模型进行了动态仿真。结果表明：该仿真模型是准确的，可以对系统中的关键参数进行仿真分析，无需在物理样机上进行频繁实验，节省了时间，且避免了不适合参数带来的实验危险。同时，该研究方法为其他工程机械液压回路系统的设计、分析与优化提供参考。关键词！拖菜；液压系统；功率键合图；MATLAB/Simulink中图分类号：TU646文献标志码：A文章编号：T00卜388T(20T5)T7-T53-4ModelingandSimulationofTrail-typePumpHydraulicSystemsLIPeng，HUFei，LIUHuiyong(CollegeofMechanicaEngineering，GuizhouUniversity，GuiyangGuizhou550003，China)Abstract：Basedontheanalysisoftrali-pumphydraulicsystem，themathematicalmodeloftrailerpumphydraulicsystemwases­tablishedusingthepowerbondgraphtheory.Andthemathematicalmodelofthehydraulicsystemwassimulatedusingthedynamica­nalysissoftwarepackageofMATLAB/Simulink.Theresultsshowthatthesimulationmodelisaccurate.Itcanbeusedtoanalysisthekeyparametersofsystemwithioutdoingmoreexperimentsontheprototype.Soitsavesalotoftime，andtoavoidtheriskofunsuitableparameterofexperiments.Meanwhile，themethodcansetareferancefordesign，analysisandoptimizationonthehydrauliccircuitsystemofotherconstructionmachinery.Keywords：Trail-typepump；Hydraulicsystem；Powerbondgraph；MATLAB/Simulink〇前言拖式混凝土栗（简称拖栗）是一种安装在可以拖行的底架上并通过管道进行混凝土栗送施工的现代化建筑设备。它被广泛应用于现代城市建设、道路、桥梁、机场、电力、能源等混凝土施工工程中。其按分配阀的型式主要分为S管阀拖栗、闸板阀拖栗。拖栗液压系统在工作的过程中不可避免地产生冲击和振动，对拖栗的安全运行产生威胁的同时，也大大降低了混凝土栗的使用寿命。因此对拖栗液压系统的动态特性分析能够更好地了解液压系统的动态性能，并找出引起冲击的原因。作者以某企业HBT系列S管阀拖栗为研究对象，在分雛栗液压系统工作原理的基础上，使用MAT-软件建立液压系统模型，进行动态模拟，对混凝土液压雜动特性进行分析。1拖泵液压系统工作原理拖栗液压系统由栗送回路、换向回路和搅拌回路组成，其工作原理图如图1所示。主油栗5输出的高压油通过主换向阀16进人主油缸32.1的无杆腔，推动活塞上行，栗送混凝土。主油缸32.1与32.2的有杆腔之间通过插装阀相通，其中的压力油推动主油缸32.2的活塞下行，吸人混凝土。当活塞行程到达末端时，发出控制信号，使换向阀17换向，摆动缸33.1进油，33.2回油使S管阀摆动换向。当换向完毕时再发出控制信号，主换向阀16换向，进人下一次栗麵环。对于搅拌回路，压力油经电磁阀23进人液压马达使其运转，带动搅拌轴对礙土进行搅拌。当压力继电器24检测到预设信号时，控制电磁铁DT7得电，电磁阀23换向，实现搅拌马达翻转。2拖泵液压系统的功率键合图功率键合图是一种系统动力学建模方法，它以图形方法来表示、描述系统的动态结构。液压系统的功率键合图模型属于觀化结构，与液压系统本身的模块化结构是-致的。建立系统各个组件的键合图模型，将它们有机地组合起来，最终得到一个拖栗液压系统的键合图模型，如图2所示。收稿日期！20T4-07-0T基金项目：国家自然科学基金资助项目（5T365008)作者简介：李鹏（#987—），男，硕士研究生，研究方向为电液系统与控制。E-mail:[e-mail]•154•机床与液压第43卷1一油箱2—液位计3—空气滤清器4一油温表5—主油泵6、7一齿轮泵8—水冷却器9一髙压过滤器10—电磁溢流阀11、20、21、23—电磁换向阀12、22—溢流阀13、30—单向阀14一球阀15—压力表16一主四通阀17—摆缸四通阀18—蓄能器19一小液动阀24—压力继电器25—搅拌马达26—泄油阀27一梭阀28、29—插装阀31—螺纹插装阀32一主油缸33一摆阀油缸_al]2图1拖泵液压系统原理图3拖泵仿真模型的建立动态方程组和已知的初始参数编写拖泵液压系统的从拖泵液压统的功键合麵可以5棋动Simulink仿難型，細3-5所示。态方程组。利用大型工程软件MATLAB/Simulink，由第17期李鹏等！拖式混凝土泵液压系统建模与仿真研究•155•图7主油缸有杆腔压力曲线图8为主油缸活羞位移曲线。活羞如进时，位移由〇m增加到1.8m，等待换向系统换向后再退回，位移从T8m减小到0m，如此不断循环往复。图G主油缸活塞位移曲线图％为换向系统压力曲线。在3.85s时，由于S管阀摆动换向，主泵出口压力在0.1s内迅速下降。换向结束后，系统重复循环运行。主油缸无杆腔通过换向阀与主油泵相连，其压力值小于主油泵，变化趋势与主油泵压力曲线相同。图7是主油缸连通腔压力曲线。泵送开始时其压力随主油缸无杆腔的压力变化而迅速上升至2.95MPa。后在泵送过程中基本保持不变。当主油缸活塞行程即将到大终点时，单向阀30开启，起到缓冲作用，连通腔压力陡然上升，后有随着分配阀的换向迅速下降。4「图3泵送系统功率键合图图4换向系统功率键合图图5搅拌系统功率键合图4仿真结果分析参考相关文献，采用125A规格的输送管进行800m水平输送，所有系统初始压力为TOMPa，初始速度和位移均为0。采用混凝土参数为密度2350kg/m3，坍落度15cm。忽略混凝土重力和惯性的影响，忽略电机的内特性和动态特性以及活塞与缸套之间的摩擦。图@为主液压泵出口压力和主油缸无杆腔压力曲线。161412£l〇I8m6_r^iii一主油泵出口2—主油缸无杆压力腔压力111012345678910仿真时间/s图@主油泵、主油缸无杆腔压力曲线仿真开始时，主油泵出口压力从1MPa经0.2s迅速升高至15.2MPa后在泵送过程中基本保持恒定。(£©l)/-Rw•156•机床与液压第43卷图11负载不变时齿轮泵出口压力图12、13为搅拌负载力矩在50s内由0增加到80N•m连续加载时搅拌系统的仿真结果。图12马达输出力矩图10负载不变时马达输出力矩20102030405060仿真时间/s图13搅拌齿轮泵出口压力可以看出，在10s时换向阀换向，马达从静止开始工作，马达的输出转矩和液压泵的出口压力在is内出现强烈波动后趋于稳定。随后料斗中混凝土的容积不断增加，马达的输出转矩与液压泵的出口压力呈线性增加。5结论⑴利用MATLAB/Simulink软件建立了拖式混凝土泵液压系统的仿真模型是准确的，可以对系统中的关键参数进行仿真分析，无需在物理样机上进行频繁实验，节省了时间，同时避免了不适合参数带来的实验危险。(2)基于MATLAB/Simulink的液压系统仿真方法对于现有工程机械产品液压系统的设计、分析与优化提供了参考。参考文献：[1]万飞，段晓柳.基于Simulink的混凝土液压泵系统与仿真[J].机床与液压，2012,40(1):49-52.[2]缪雄辉.灘土泵液压系统动态建模与仿[D].长沙:长沙理工大学，2004.[3]P.德兰斯菲尔德.液压控制系统的设计与动态分析[M].北京:科学出版社，1987.[4]许丽佳.MATLAB程序设计及应用[M].北京:清华大学出版社，201T[5]刘会勇，李伟，赵青.混凝土泵液压系统建模与仿真研究[J].机床与液压，2010,38(11):99-101.[@]刘会勇，李伟，林勇刚，等.基于AMEsim的混凝土泵搅拌系统建模与仿真研究[J].机床与液压，2008，36(5):165-167.[7]高明，吴智勇，刘海明，等.基于AMESim的混凝土泵车泵送液压系统仿真研究[J].建筑机械，2010(11):103-106.[8]匡伟春.基于Simulink全自动液压压砖机液压系统仿真基础平台开发[D].景德镇:景德镇陶瓷学院，2008.整个系统换向时间约为01s;储能器的压力由初始的18MPa较为平稳地降至12MPa。S阀的摆动负载是随着时间变化的，所以摆缸压力变化很大且没有一个稳定度的值，在开始时，由于蓄能器开始工作压力瞬时上升，随后又随着蓄能器压力的下降逐渐波动减小。图10、11为搅拌系统仿真图，负载保持为80N+m，每个10s搅拌方向换向一次。可以看出，在换向阀换向时，马达的输出转矩和液压泵的出口压力具有很大的变化，这是因为液压泵的高低压油来不及换向所造成的。而换向结束后，马达的输出转矩和液压泵的出口压力基本保持不变。600「453523.2.(£©l)/-Rmooooooooooooo54321-1(S•M)/跋t:(£„01)/§