預(yù)制混凝土布料機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

李寶，馬書濤

(上海神舟汽車節(jié)能環(huán)保有限公司，上海 201100)

目前我國正在推行實(shí)施裝配整體式工業(yè)化建筑體系的要求，這不但可以提高住宅工程質(zhì)量和裝修品質(zhì)，而且還可以最大限度地滿足節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和保護(hù)環(huán)境(“四節(jié)一環(huán)?！?的綠色建筑設(shè)計(jì)與施工要求。預(yù)制混凝土布料機(jī)對預(yù)制混凝土行業(yè)起著至關(guān)重要的作用，因此研究高效、節(jié)能的混凝土布料機(jī)是保證預(yù)制混凝土行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。

1 預(yù)制混凝土布料機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理

1.1 布料機(jī)的提升(支撐)

為了實(shí)現(xiàn)布料機(jī)與行車掛接的自動化，設(shè)計(jì)了布料機(jī)提升液壓系統(tǒng)。4 個(gè)固定在布料機(jī)上的液壓缸支撐在檢修平臺上，如圖1 所示，當(dāng)行車運(yùn)行到布料機(jī)的正上方時(shí)，提升油缸升起，使得布料機(jī)的上平面和行車的下平面對合，小行車上設(shè)有耳板，4 個(gè)油缸都設(shè)計(jì)成球鉸結(jié)構(gòu)，在布料機(jī)上升過程中，8 塊耳板強(qiáng)制布料機(jī)做出調(diào)整，使其與小行車對齊，然后掛接油缸動作，實(shí)現(xiàn)兩者的對接。

圖1 液壓控制系統(tǒng)的功能分布

1.2 布料機(jī)與小行車的掛接

布料機(jī)和小行車的掛接由4 個(gè)掛鉤和4 個(gè)防擺裝置來完成，4 個(gè)掛鉤各由1 個(gè)液壓缸控制，同側(cè)防擺裝置共用1 個(gè)液壓缸來控制，如圖2 所示，防擺裝置上設(shè)有卡槽，與行車上的立柱配合，達(dá)到防擺的目的。

提升油缸把布料機(jī)升起后，掛接系統(tǒng)啟動，首先4 個(gè)掛鉤搭合在小行車的橫梁上，然后防擺裝置動作，完成與立柱的配合，至此布料機(jī)和小行車對接完畢。

圖2 布料機(jī)與小行車的掛接

1.3 料倉支架的升降

為了滿足接料和布料過程中的要求，料倉支架可以沿軌道在豎直方向上運(yùn)動，由獨(dú)立的液壓缸來實(shí)現(xiàn)，液壓缸活塞端固定在料倉支架上，液壓缸下端固定在布料架上，油缸兩端頭都是鉸接，可以承受小的擺動和自動調(diào)整。布料斗支架升降高度設(shè)定為2.0 m。

1.4 料倉門的開合

料倉門的開合由2 個(gè)液壓缸來控制，因?yàn)椴捎脝蝹€(gè)液壓缸控制，料倉門易受扭轉(zhuǎn)力的作用。料倉門的開啟量大小由混凝土澆灌速度配合行車運(yùn)行速度來調(diào)節(jié)。

根據(jù)預(yù)制混凝土布料機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)出液壓系統(tǒng)［2］，工作原理如圖3 所示。

圖3 液壓系統(tǒng)的原理圖

2 液壓系統(tǒng)的計(jì)算與元器件選擇

2.1 流量和壓力的計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間要求分別為40 和30 s，選取油缸缸徑分別為125 和110 mm，油缸行程分別為1 095和905 mm。布料機(jī)升降油缸共4 個(gè)油缸，2 個(gè)油缸約受力1.1 ×104N，另2 個(gè)油缸約受力1.9 ×104N，壓力計(jì)算按缸所承受的最大壓力來計(jì)算［3-5］。

閥體及管路損失的流量和壓力按總流量的30%計(jì)算，系統(tǒng)所需最大流量Qmax為25.8 L/min，系統(tǒng)的壓力pP為8.05 MPa。

2.2 元器件的選型

(1)泵的選擇

多液壓缸同時(shí)動作時(shí)，液壓泵的流量要大于同時(shí)動作的幾個(gè)液壓缸所需的最大流量，并應(yīng)考慮系統(tǒng)的泄漏和液壓泵磨損后容積效率的下降，即:

液壓泵的排量為:

泵的動態(tài)壓力往往比靜態(tài)壓力高得多，所以泵的額定壓力pp應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%～60%，使液壓泵有一定的壓力儲備。

通過以上的計(jì)算，選擇齒輪泵CBK1020E，排量為20 mL/r，壓力為16 MPa。

(2)電機(jī)的選擇

設(shè)泵的總效率η=0.85，則:

(3)控制閥通徑的選擇

一般選擇控制閥的額定流量應(yīng)比系統(tǒng)管路實(shí)際通過的流量大一些，必要時(shí)，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%，控制閥都選用通徑為φ6 mm。

3 疊加閥的設(shè)計(jì)與仿真分析

疊加閥的閥體尺寸是標(biāo)準(zhǔn)的，在相似的閥體內(nèi)不同的油路可產(chǎn)生不同的控制功能［6-7］。根據(jù)用途分類:壓力控制閥類，如溢流閥、減壓閥、順序閥等;流量控制閥類，如節(jié)流閥、調(diào)速閥等;方向控制閥類，如單向閥、液壓單向閥等。其工作原理與一般板式閥基本相似。由于連接方式的需要，在結(jié)構(gòu)上又有一些特點(diǎn)。每個(gè)疊加閥都必須有P、T、A、B 等規(guī)定用途的共用油路。根據(jù)前面計(jì)算出的系統(tǒng)流量29 L/min 和壓力16 MPa，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，選用通徑為φ6 mm 的液壓閥塊，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖4 所示。

圖4 閥塊組的三維結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際工況，一組閥塊工作時(shí)，其余都不工作，把其余孔當(dāng)做工藝孔，閥塊的孔都按φ6 mm 的國家標(biāo)準(zhǔn)最大值φ7.6 mm 仿真。在Gambit 中建好模型，劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLUENT 軟件中進(jìn)行分析，見圖5。

圖5 速度、壓力云圖

從圖5 可看出:閥塊底板的通道中出現(xiàn)渦流，流場非常復(fù)雜，最大流速僅為8.78 m/s。從管道壓力云圖可以看出:流體流過每個(gè)閥塊組時(shí)壓力依次降低，每個(gè)工藝孔對壓力都有很大的影響，到第6 組閥塊組通道時(shí)，其壓力最大為6.02 MPa，壓力損失較大。

由于流線是一條瞬時(shí)光滑曲線，它不能轉(zhuǎn)折，也不能相交，所以在流道的直角拐彎處流體就產(chǎn)生分離，從而形成渦旋，并且由于流體流動的慣性，在鉛直方向的流道上也有流動的分離和再附壁現(xiàn)象。有渦旋形成，渦旋就要旋轉(zhuǎn)，必然要消耗主流能量和產(chǎn)生流體噪聲，這些都是產(chǎn)生在流動過程中能量損失和流體噪聲的主要因素［8-9］。

4 結(jié)論

(1)考慮到雙作用伸縮缸控制較難，且雙油口成本較大，特采用單作用伸縮缸，打開液控鎖開口，使其靠自重下降，通過節(jié)流閥調(diào)整下降速度;

(2)為了使布料機(jī)水平上升，在設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)盡量達(dá)到左右平衡，同時(shí)在前后升降加同步閥，保證4 個(gè)油缸同步上升;

(3)卸料開門時(shí)要求動作比較靈敏，采用電磁比例閥來控制流量，以滿足用戶需求;

(4)通過對閥體的流體仿真，研究其壓力損失，找出易于產(chǎn)生渦流的地方，避免了后續(xù)試驗(yàn)的問題，節(jié)省產(chǎn)品試制時(shí)間。

［1］蔣勤儉.住宅建筑工業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.混凝土世界，2010，3(9):34 -36.

［2］華德液壓技術(shù)樣本，2005.

［3］王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

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［6］陳麗華，朱興龍，陳書喬.液壓系統(tǒng)集成塊設(shè)計(jì)方法的研究［J］.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，3(3):8 -11.

［7］郭津津，朱世和，董黎敏.基于三維實(shí)體液壓集成塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010(9):26 -28.

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