《科技创新与品牌》杂志社学术

基于AMESim的混凝土泵送系统 机电液耦合仿真及参数优化

摘要: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。

关键词: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,然后依据液压原理图完成液压系统创建。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。


参考文献

[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