基于AMESim的混凝土泵送系统机电液耦合仿真及参数优化.docx

    基于AMESim的混凝土泵送系统机电液耦合仿真及参数优化    王勇刚 贺电 罗斌Summary：混凝土泵送系统在换向阶段会存在明显的压力冲击，其与机电液匹配特性相关本文首先根据系统工作原理及元件型号，等效建立AMESim动态特性仿真模型;然后以试验数据为依据，进行系统模型调试，完成模型验证;最后，进行参数优化，降低泵送系统换向过程中的压力冲击现象Key：AMESim仿真  压力冲击;动态特性;参数优化前言泵送系统是混凝土泵车的重要组成部分，其通过机械结构、液压传动、电气控制协同工作共同实现泵送功能机电液耦合性能的好坏，对总体泵送性能起决定性作用依据试验数据，泵送系统在换向过程中，额定工况下的冲击压力幅值达到11MPa，导致系统故障率高，寿命降低本文将通过匹配性分析和参数优化，降低换向过程中的压力冲击幅值技术路线泵送系统机电液耦合仿真技术路线（图1）整个过程分析建模过程、调试过程和参数优化过程建模过程按照机械系统、液压系统和电控系统单独建模后进行耦合机械系统主要体现为负载，根据实际情况完成负载等效简化液压系统是由多个液压元件组成的，首先根据样本和实测数据完成液压元件建模，然后依据液压原理圖完成液压系统创建。

电控系统主要为各液压元件的控制策略，包含信号处理、延迟等功能，依据试验过程中的控制策略，完成电控系统建模三个系统模型的耦合则依据系统总图完成调试过程是指试验现象复现和模型参数修正依据试验数据，完成机电液耦合模型中的参数修正，完善系统模型，是参数优化的基础参数优化过程是指液压系统优化和控制策略优化以降低换向过程中的冲击现象为目标，优化液压系统中的液压元件选型参数、各阀件的控制策略等液压元件建模泵送系统机电液耦合模型中，液压系统模型是最重要的，而液压元件是液压系统的基础，故需保证液压元件模型的准确性图2所示为液压元件建模流程，主要的液压元件均按照此流程进行图3所示为液压元件建模示例，通过尺寸测量、数据缩放，并根据截面原理，完成AMESim模型创建机电液耦合模型创建依据技术路线和液压元件建模流程，结合系统总图、液压原理图等，完成泵送液压系统机电液耦合AMESim模型创建，如图4所示机械系统模型包含：S管、等效负载、质量块、弹簧阻尼器等;液压系统模型中包含：恒功率主泵、主油缸换向阀、摆缸换向阀、主油缸、摆缸、单向阀、换向阀、溢流阀、节流阀等;电控系统模型包含：位移传感器、速度传感器、信号采样、触电信号开关、信号限幅、信号处理等。

模型修正及调试泵送系统AMESim仿真模型创建完成后，必须进行试验验证和修正，以试验数据为对标基础，修正仿真模型中的相关参数在本阶段，主要修正的模型参数有：管路表面粗糙度、容积腔体积、阻尼特性、信号延迟时间、信号阶跃梯度、信号限幅等图5所示为仿真的主泵压力出口曲线，图6所示为试验的主泵压力出口曲线，压力波谷阶段为系统的换向阶段对比主泵最大压力，仿真结果为19.7MPa，试验结果为19.7MPa，两者一致对比换向阶段的压力冲击幅值，仿真结果为10.5MPa，试验数据为11MPa，两者误差较小对比压力变化曲线，两者的压力变化趋势一致，只是在上升阶段的压力数值会存在误差分析原因为：压力上升的过程就是系统流量上升的过程，在此过程中，混凝土存在压缩以及流速增大的现象，而混凝土的压缩特性和流动特性变化范围大，仿真时只能采用某一工况下的数值进行替代，与试验情况会存在差别但是，仿真结果和试验结果在压力数值和变化趋势保持一致，可用于后续的液压系统优化和控制策略优化控制策略优化5.1 优化方案泵送系统目前采用的换向阶段控制策略为：电控系统收到换向信号后，主换向阀和摆缸换向阀同时换向，先导溢流阀失电，主泵排量降低，持续数秒后再增大排量。

该控制策略的目的是减低主泵压力冲击，以及保证泵送系统输送的连续性本控制策略的优化点集中在主泵控制，主泵为恒功率泵，由电气控制，在换向期间会降低排量本优化方案为：在换向期间，主泵的恒功率控制失效，其排量为换向前的主泵排量减去1/3主泵额定排量5.2 优化效果根据优化方案，修改泵送系统AMESim机电液耦合模型中的主泵排量控制模型及参数，并以相同的试验工况进行泵送系统机电液耦合仿真图7所示为控制策略优化后的主泵压力曲线，压力幅值和变化趋势与试验现象保持一致，控制策略的优化不会改变泵送系统的整体功效图8所示为换向阶段压力曲线，压力冲击的幅值为5.3MPa，试验结果为11MPa，幅值降低52%，效果明显但是，在换向阶段，依然存在多次的压力冲击现象液压系统优化6.1 优化方案泵送系统在控制策略优化后，换向阶段的压力冲击降低了52%，但是依然存在多个冲击波形，需要进行液压系统优化在换向阶段，先导溢流阀会失电，使系统压力降低，此时的溢流阀相当于单向阀而单向阀在入口压力变化过程中，其行程改变而导致通流面积的变化，一旦单向阀特性选择不合适，会造成明显的压力冲击现象本次优化时，采用节流阀+开关阀的组合功能代替先导溢流阀。

非换向工况，开关阀关闭，节流阀不起作用;换向工况，开关阀打开，节流阀起作用，降低系统压力6.2 优化效果根据优化方案，修改泵送系统AMESim机电液耦合模型，先导溢流阀更改为节流阀+开关阀的组合，并以相同的试验工况进行泵送系统机电液耦合仿真图9所示为液压系统优化后的主泵压力曲线，压力幅值和变化趋势与试验现象保持一致，液压系统的优化不会改变泵送系统的整体功效图10所示为换向阶段压力曲线，先前的压力冲击现象消失，效果明显结论本文运用AMESim软件对某泵送液压系统进行了动态特性仿真及参数优化，得到如下结论：（1）泵送系统AMESim建模以及参数设置时，严格按照元件样本参数和工作原理进行，并用试验数据对AMESim模型进行验证，确保了AMESim建模的正确性2）本文通过优化控制策略和液压系统，消除了换向阶段的压力冲击现象，效果明显3）后续还可以用该模型进行其他特性优化，使泵送系统的性能更优综上所述，优化后的泵送系统在换向阶段的压力冲击现象基本消除Reference[1]付永领等.LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真[M].京航天航空出版社，2011[2]安林超等.基于AMESim的安全阀动态特性仿真[J].机械工程，2008[3]金胜秋等.基于AMESim的液压同步阀仿真分析及结构改进研究[J].液压与气动，2009[4]石磊，孙凯.基于AMESim克令吊起升液压系统仿真与分析[J].机电设备，2011责编/马铭阳  -全文完-。