混凝土泵泵送系统液压冲击的主动控制方法研究

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混凝土泵作为-种现代化施工设备，以泵送效率高、施工安全可靠、应用范围广及劳动强度低等优点得到了广泛使用1]。应用于混凝土泵的液压系统有闭式液压系统与开式液压系统 2种，开式液压系统具有低成本、结构简单及散热性好等优点，但其存在着比闭式液压系统更为严重的液压冲击，而液压冲击会降低混凝土泵的泵送特性，产生较大的震动和噪声，缩短泵的使用寿命。所以，如何解决好开式系统的液压冲击问题就成为混凝土泵开式液压系统的-项关键技术。随着液压技术的不断发展，开式系统也将更加广泛地应用于混凝土泵液压系统。

本文针对混凝土泵的开式液压系统的冲击问题，提出了-种主动控制液压冲击的方法，在理论分析的基础上进行了建模仿真分析。

1 混凝土泵液压系统工作原理本文以三-重工的小排量泵送系统做为研究对象，液压系统原理如图 1所示。主泵采用力士乐A1 1VLO恒功率变量泵，其泵送系统主油路由主油泵 5、电磁溢流阀 7、高压过滤器 10、主四通阀 14、主油缸 26组成。

收稿 日期：2012 08-27；修回日期：2012-10-08作者简介：曹中-(1955-)，男，湖南长沙人，中南大学研究员，博士生导师；吴万荣(1965 )，男，湖南汉寿人，博士，中南大学教授，博士生导师262 合肥工业大学学报(自然科学版) 第36卷主油泵 5的液压油经过主四通阀 38，通过插装阀进入到泵送主油缸 25、32，完成正泵泵送的前半个循环，摆动油缸摆动完毕，控制油使二位四通阀 37换向，开始正泵的后半个循环，实现油缸的往复运动，从而完成混凝土泵的泵送过程，电磁换向阀 15、33控制插装阀以控制油腔的油，从而实现混凝土泵泵送系统的高低压转换L2]。

33DT5匹34DT236DTl30王3235 I22 1618 17L2l油箱 2.液位计 3.空气滤清器 4.油温表 5.主油泵6.齿轮泵 7.溢流阀 8、15、33、35.电磁换向阀9、26、27、29、30.单向阀 1O.球阀 11.蓄能器 12、36.压力表13.摆缸四通阀 14、37.小液压阀 16.泄油阀 17、18.摆动油缸19、2O、21、22、23、24.插装阀 25、32.主油缸28、31.螺纹插装阀 34.梭阀 38.主四通阀39.电磁溢流阀 4O.高压过滤器图1 小排量泵送液压系统原理图2 液压冲击与泵送负载特性分析2.1 液压冲击分析在液压系统中，由于管道中阀门的开关，管内液体压力发生急剧升降的波动过程称为液压冲击[引。而对液压系统产生危害的液压冲击，主要有阆门突然开启关闭引起的直接液压冲击及负载组件惯性力引起的液压冲击。

(1)直接液压冲击的最大冲击压力计算。当阀门突然关闭时，管路中流动的液压油的动能瞬间转化为压力能，从而产生液压冲击。根据能量转化和守恒定律，液压油的动能转化成液压油的弹性能，即z 2 1 A /凸 2l (1)由此得到直接液压冲击的最大冲击压力值，即APl-P/K /pv：P CV (2)其中，Ap 为液压冲击的最大压力；D为液压油密度；A、z为管道横截面积与长度；K 为液压油的等效体积模量；73为管道中液压油的流速；C为冲击波在管中的传播速度，即c - (3)其中，K为液压油的体积弹性模量；E为管壁材料的弹性模量；d为管道内径； 为管道厚度。

通过分析可以看出，除了液压油的流速，其他量都是可以确定的，即直接液压冲击的最大冲击压力值 Ap 为速度 的线性函数。

设部件总质量为Zm，减速的时间为 ，速度变化量为Av，在此处假设速度变化终量为 0，则 - ，根据能量守恒定律可得系统中的冲击压力为：Ap2A At- ：7TO (4)由(4)式推导得：Ap2- ：mv/(A ) (5)其中，A 为缸的有效作用面积。

通过分析，可以得到换向时产生液压冲击的冲击压力值，即D'tVP- Ap1 Ap2- p c (6)流速为：- q/A - /A (7)其中，q为液压油的流速；V为泵的排量；n为泵的转速；A为管道截面积。

由此可以看出，如果在换向阀换向时减小泵的排量 ，就可以减小流速 ，从而可以减小液压冲击的冲击压力。

2.2 混凝土泵送负载特性分析混凝土在输送管道中的流动可以看成是柱塞流”，在开始运动时，混凝土与管壁间的摩擦力相当于与输送管道间的黏着力，开始运动后，摩擦阻力与流速呈线性关系，此时混凝土的流动处于层流状态。文献[4]通过大量实验提出了摩擦阻力的数学表达式，即f：：K1K2 (8)K1- (3.0- 0.1S)× 10-。 (9)K，- (4.0- 0.1S)× 10 (10)嚣。 - 壅瑟第3期 曹中-，等：混凝土泵泵送系统液压冲击的主动控制方法研究 263其中，，为混凝土与管道 内壁之间的摩擦阻力；K 为混凝土与管道的黏着应力强度；K 为与混凝土流速有关的阻力系数； 为管道内混凝土流速；S为混凝土坍落度[4 ]。

对输送管中的混凝土受力分析如图 2所示，输送管道内径直径为 2r，混凝土在管道中的流速为 ，距离端口为 z处的管内压力为 P，距离端 口z出 处为PAp，输送管道与水平面的夹角为口 ，假设端口压力为 O6 ]。

图 2 混凝土在管道中流动的受力分析图通过受力分析可以得到沿轴线方向上力的平衡方程，即( dp)7c，上- pnr2- r2dx ·pgsin a-2nr·dx·厂-nr2dx·P·dv/dt- 0 (11)将(8)式带入(11)式整理，得dp/a-2r(K1K2 )lD dvPgsin (12)对两边积分得：- [ (K Kz卅%dv n口] (13)通过对混凝土在管路中流动时的脉动分析，引入平均流动速度的概念 引，可将(6)式改写成：P-号[K Kz 1t-。 -) pgsin a， (14)其中，P为泵送压力；r为输送管半径； 为混凝土在管道中流动的平均流速；D为混凝土的密度；g为重力加速度；t 为活塞泵送的时间；t。为分配阀的换向时间；z为输送管等效长度。

假定混凝土不可压缩，可以得到混凝土流动的速度 与平均速度 的关系为：。

， (15) - b其中，D 为输送缸直径；D 为输送管路直径～(15)式代人(14)式，可得：P- [K Kz( 鲁) ] sin a)z(16)可得负载力为：F pA 号[K Kz( ) ] sin口)(17)其中，F为负载力；A为负载作用面积。

3 系统的建模与仿真分析利用 AMESim仿真软件 ，对主泵送系统的简化模型进行建模 ，如图 3所示。

④图3 泵送系统建模图在 m软件的模式中，根据实际需求对各个元器件选择合适的子模型。在参数模式中对各个参数进行设置，主油缸直径为140 mm，活塞杆直径 为 100 mm，行程为 2 1TLrn，发 动机转速为1 800 r/min，溢流阀设定压力为 35 MPa。在运行模式中运行，得到仿真曲线，如图4～图7所示。

由图4可以看出，泵开始工作后，泵出口压力经过大约 0.5 S达到 14 MVa，有些小的波动，然后保持稳定，这是由于泵送油缸在刚接触负载时有些波动，然后进入平稳泵送过程。在换向时，可见明显的液压冲击，冲击压力达到溢流阀的溢流压力 35 MPa时溢流。

由图 5可知，在 0～4 s缸 1活塞位移由0逐渐增加到 2 m，缸 2活塞位移从 2 rn逐渐减小到0，然后等待换向，进行相反的运动，如此泵送油缸完成往复运动，实现混凝土的泵送。

从图 6中可以看出，在泵送开始阶段泵送油缸处于加速阶段，期间伴随着速度震荡，这是因为泵送油缸突然接触负载所致∮着以0.5 m/s的264 合肥工业大学学报(自然科学版) 第36卷速度进行匀速运动，然后进入减速阶段，最后反向运动重复相同的过程。在换向的时候，可以看到速度有很大的波动。

2.01.51.00.5图4 泵出口压力曲线0 5 10 15 20 25 30 35f/s1.缸 1活塞运动位移 2.缸 2活塞运动位移图 5 混凝土泵活塞位移曲线O.60.40。04- O.8- 1.2/2f。

/1l0 5 10 15 20 25 30 35s1.缸 1活塞运动速度 2.缸 2活塞运动速度图 6 混凝土泵泵送油缸活塞运行速度曲线3。

0 5 10 l5 20 25 30 35t/s1.缸 1无杆腔压力 2.缸 2无杆腔压力图7 泵送油缸无杆腔压力曲线从图 7可以看出，在泵送换向时，泵 送油缸产生较大的液压冲击，其他阶段无杆腔压力稳定在 12 MPa。在换向阀换向时主动减小泵的排量，然后进行仿真，可以得到图 8、图 9所示仿真曲线。

由图 8可以看出，当换向阀换向时，通过主动减小泵的排量可以大幅度地减小液压冲击。由图9可以看出，在换向时主动减小泵的排量，可以减小泵送油缸活塞运动速度的波动，从而减小冲击。

0 l0 2O 30 35t/s1.未经主动控制的缸1无杆腔压力2.经过主动控制的缸1无杆腔压力0.60.40自-0.4- 0.8- l2图8 无杆腔压力对比曲线- - 1.j0 5 l0 15 2O 25 30 35s1.未经主动控制的缸1活塞速度2.经过主动控制的缸1活塞速度图9 缸 1活塞速度对比曲线4 实验研究实验样机采用三-重工的小排量泵，如图l0所示，利用 lab 数据采集系统进行数据采集与分析，由于缸 1与缸2的工作状态相同，所以在试验中只采集缸 1的数据，如图11、图12所示。

- 图10 实验样机0 lO 2O 30 40t/s图 11 泵出口压力实验曲线(下转第 274页)舟山 ～矗274 合肥工业大学学报(自然科学版) 第36卷[