混凝土泵泵送系統(tǒng)液壓沖擊的主動控制方法研究

曹中一， 秦玉彬， 吳萬榮

（中南大學(xué) 機(jī) 電工程學(xué)院，湖南 長 沙 410083）

0 引 言

混凝土泵作為一種現(xiàn)代化施工設(shè)備，以泵送效率高、施工安全可靠、應(yīng)用范圍廣及勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點得到了廣泛使用［1］。應(yīng)用于混凝土泵的液壓系統(tǒng)有閉式液壓系統(tǒng)與開式液壓系統(tǒng)2種，開式液壓系統(tǒng)具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單及散熱性好等優(yōu)點，但其存在著比閉式液壓系統(tǒng)更為嚴(yán)重的液壓沖擊，而液壓沖擊會降低混凝土泵的泵送特性，產(chǎn)生較大的震動和噪聲，縮短泵的使用壽命。所以，如何解決好開式系統(tǒng)的液壓沖擊問題就成為混凝土泵開式液壓系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，開式系統(tǒng)也將更加廣泛地應(yīng)用于混凝土泵液壓系統(tǒng)。

本文針對混凝土泵的開式液壓系統(tǒng)的沖擊問題，提出了一種主動控制液壓沖擊的方法，在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了建模仿真分析。

1 混凝土泵液壓系統(tǒng)工作原理

本文以三一重工的小排量泵送系統(tǒng)做為研究對象，液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。主泵采用力士樂A11VLO恒功率變量泵，其泵送系統(tǒng)主油路由主油泵5、電磁溢流閥7、高壓過濾器10、主四通閥14、主油缸26組成。

主油泵5的液壓油經(jīng)過主四通閥38，通過插裝閥進(jìn)入到泵送主油缸25、32，完成正泵泵送的前半個循環(huán)，擺動油缸擺動完畢，控制油使二位四通閥37換向，開始正泵的后半個循環(huán)，實現(xiàn)油缸的往復(fù)運(yùn)動，從而完成混凝土泵的泵送過程，電磁換向閥15、33控制插裝閥以控制油腔的油，從而實現(xiàn)混凝土泵泵送系統(tǒng)的高低壓轉(zhuǎn)換［2］。

圖1 小排量泵送液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓沖擊與泵送負(fù)載特性分析

2.1 液壓沖擊分析

在液壓系統(tǒng)中，由于管道中閥門的開關(guān)，管內(nèi)液體壓力發(fā)生急劇升降的波動過程稱為液壓沖擊［3］。而對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生危害的液壓沖擊，主要有閥門突然開啟關(guān)閉引起的直接液壓沖擊及負(fù)載組件慣性力引起的液壓沖擊。

（1）直接液壓沖擊的最大沖擊壓力計算。當(dāng)閥門突然關(guān)閉時，管路中流動的液壓油的動能瞬間轉(zhuǎn)化為壓力能，從而產(chǎn)生液壓沖擊。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，液壓油的動能轉(zhuǎn)化成液壓油的彈性能，即

由此得到直接液壓沖擊的最大沖擊壓力值，即

其中，Δp1為液壓沖擊的最大壓力；ρ為液壓油密度；A、l為管道橫截面積與長度；K′為液壓油的等效體積模量；v為管道中液壓油的流速；c為沖擊波在管中的傳播速度，即

流速為：

其中，q為液壓油的流速；V為泵的排量；n為泵的轉(zhuǎn)速；A為管道截面積。

由此可以看出，如果在換向閥換向時減小泵的排量V，就可以減小流速v，從而可以減小液壓沖擊的沖擊壓力。

2.2 混凝土泵送負(fù)載特性分析

混凝土在輸送管道中的流動可以看成是“柱塞流”，在開始運(yùn)動時，混凝土與管壁間的摩擦力相當(dāng)于與輸送管道間的黏著力，開始運(yùn)動后，摩擦阻力與流速呈線性關(guān)系，此時混凝土的流動處于層流狀態(tài)。文獻(xiàn)［4］通過大量實驗提出了摩擦阻力的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即

其中，K為液壓油的體積彈性模量；E為管壁材料的彈性模量；d為管道內(nèi)徑；σ為管道厚度。

通過分析可以看出，除了液壓油的流速，其他量都是可以確定的，即直接液壓沖擊的最大沖擊壓力值Δp1為速度v的線性函數(shù)。

（2）負(fù)載慣性力引起的液壓沖擊壓力計算。設(shè)部件總質(zhì)量為∑m，減速的時間為Δt，速度變化量為Δv，在此處假設(shè)速度變化終量為0，則Δv＝v，根據(jù)能量守恒定律可得系統(tǒng)中的沖擊壓力為：

由（4）式推導(dǎo)得：

其中，A′為缸的有效作用面積。

通過分析，可以得到換向時產(chǎn)生液壓沖擊的沖擊壓力值，即

其中，f為混凝土與管道內(nèi)壁之間的摩擦阻力；K1為混凝土與管道的黏著應(yīng)力強(qiáng)度；K2為與混凝土流速有關(guān)的阻力系數(shù)；v為管道內(nèi)混凝土流速；S為混凝土坍落度［4－5］。

對輸送管中的混凝土受力分析如圖2所示，輸送管道內(nèi)徑直徑為2r，混凝土在管道中的流速為v，距離端口為x處的管內(nèi)壓力為p，距離端口x＋dx處為p＋Δp，輸送管道與水平面的夾角為α，假設(shè)端口壓力為0［6－7］。

圖2 混凝土在管道中流動的受力分析圖

通過受力分析可以得到沿軸線方向上力的平衡方程，即

將（8）式帶入（11）式整理，得

對兩邊積分得：

通過對混凝土在管路中流動時的脈動分析，引入平均流動速度的概念［6］，可將（6）式改寫成：

其中，p為泵送壓力；r為輸送管半徑；v′為混凝土在管道中流動的平均流速；ρ為混凝土的密度；g為重力加速度；t1為活塞泵送的時間；t2為分配閥的換向時間；x為輸送管等效長度。

假定混凝土不可壓縮，可以得到混凝土流動的速度v與平均速度v′的關(guān)系為：

其中，D1為輸送缸直徑；D2為輸送管路直徑。將（15）式代入（14）式，可得：

可得負(fù)載力為：

其中，F(xiàn)為負(fù)載力；A為負(fù)載作用面積。

3 系統(tǒng)的建模與仿真分析

利用AMESim仿真軟件［8］，對主泵送系統(tǒng)的簡化模型進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3 泵送系統(tǒng)建模圖

在AMESim軟件的模式中，根據(jù)實際需求對各個元器件選擇合適的子模型。在參數(shù)模式中對各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主油缸直徑為140mm，活塞桿直徑為100mm，行程為2mm，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800r／min，溢流閥設(shè)定壓力為35MPa。在運(yùn)行模式中運(yùn)行，得到仿真曲線，如圖4～圖7所示。

由圖4可以看出，泵開始工作后，泵出口壓力經(jīng)過大約0.5s達(dá)到14MPa，有些小的波動，然后保持穩(wěn)定，這是由于泵送油缸在剛接觸負(fù)載時有些波動，然后進(jìn)入平穩(wěn)泵送過程。在換向時，可見明顯的液壓沖擊，沖擊壓力達(dá)到溢流閥的溢流壓力35MPa時溢流。

由圖5可知，在0～4s缸1活塞位移由0逐漸增加到2m，缸2活塞位移從2m逐漸減小到0，然后等待換向，進(jìn)行相反的運(yùn)動，如此泵送油缸完成往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)混凝土的泵送。

從圖6中可以看出，在泵送開始階段泵送油缸處于加速階段，期間伴隨著速度震蕩，這是因為泵送油缸突然接觸負(fù)載所致。接著以0.5m／s的速度進(jìn)行勻速運(yùn)動，然后進(jìn)入減速階段，最后反向運(yùn)動重復(fù)相同的過程。在換向的時候，可以看到速度有很大的波動。

圖4 泵出口壓力曲線

圖5 混凝土泵活塞位移曲線

圖6 混凝土泵泵送油缸活塞運(yùn)行速度曲線

圖7 泵送油缸無桿腔壓力曲線

從圖7可以看出，在泵送換向時，泵送油缸產(chǎn)生較大的液壓沖擊，其他階段無桿腔壓力穩(wěn)定在12MPa。在換向閥換向時主動減小泵的排量，然后進(jìn)行仿真，可以得到圖8、圖9所示仿真曲線。

由圖8可以看出，當(dāng)換向閥換向時，通過主動減小泵的排量可以大幅度地減小液壓沖擊。由圖9可以看出，在換向時主動減小泵的排量，可以減小泵送油缸活塞運(yùn)動速度的波動，從而減小沖擊。

圖8 無桿腔壓力對比曲線

圖9 缸1活塞速度對比曲線

4 實驗研究

實驗樣機(jī)采用三一重工的小排量泵，如圖10所示，利用labVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，由于缸1與缸2的工作狀態(tài)相同，所以在試驗中只采集缸1的數(shù)據(jù)，如圖11、圖12所示。

圖10 實驗樣機(jī)

圖11 泵出口壓力實驗曲線

圖12 缸1無桿腔壓力實驗對比曲線

由圖11可以看出，在換向閥換向時泵出口會產(chǎn)生很大的液壓沖擊，達(dá)到溢流閥溢流壓力溢流。由圖12可以看出，經(jīng)過主動控制泵排量的方法可以有效地減小換向閥換向時所產(chǎn)生的液壓沖擊。通過實驗可以驗證前面的理論分析與計算機(jī)仿真分析的正確性。

5 結(jié)束語

通過對泵送系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，利用AMES－im仿真軟件進(jìn)行建模仿真分析，可知在泵送系統(tǒng)工作時，換向閥的換向會伴隨著很大的液壓沖擊，對整個系統(tǒng)有較大的危害。而在換向閥換向時，通過主動減小泵的排量，可以有效地減小液壓沖擊，對泵送液壓系統(tǒng)的改善起到一定的作用。

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