基于AMESim的混凝土泵送系統(tǒng)機(jī)電液耦合仿真及參數(shù)優(yōu)化

王勇剛 賀電 羅斌

摘要：混凝土泵送系統(tǒng)在換向階段會存在明顯的壓力沖擊，其與機(jī)電液匹配特性相關(guān)。本文首先根據(jù)系統(tǒng)工作原理及元件型號，等效建立AMESim動態(tài)特性仿真模型;然后以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)模型調(diào)試，完成模型驗(yàn)證;最后，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，降低泵送系統(tǒng)換向過程中的壓力沖擊現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：AMESim仿真? 壓力沖擊;動態(tài)特性;參數(shù)優(yōu)化

前言

泵送系統(tǒng)是混凝土泵車的重要組成部分，其通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓傳動、電氣控制協(xié)同工作共同實(shí)現(xiàn)泵送功能。機(jī)電液耦合性能的好壞，對總體泵送性能起決定性作用。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，泵送系統(tǒng)在換向過程中，額定工況下的沖擊壓力幅值達(dá)到11MPa，導(dǎo)致系統(tǒng)故障率高，壽命降低。本文將通過匹配性分析和參數(shù)優(yōu)化，降低換向過程中的壓力沖擊幅值。

技術(shù)路線

泵送系統(tǒng)機(jī)電液耦合仿真技術(shù)路線（圖1）。整個過程分析建模過程、調(diào)試過程和參數(shù)優(yōu)化過程。

建模過程按照機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)單獨(dú)建模后進(jìn)行耦合。機(jī)械系統(tǒng)主要體現(xiàn)為負(fù)載，根據(jù)實(shí)際情況完成負(fù)載等效簡化。液壓系統(tǒng)是由多個液壓元件組成的，首先根據(jù)樣本和實(shí)測數(shù)據(jù)完成液壓元件建模，然后依據(jù)液壓原理圖完成液壓系統(tǒng)創(chuàng)建。電控系統(tǒng)主要為各液壓元件的控制策略，包含信號處理、延遲等功能，依據(jù)試驗(yàn)過程中的控制策略，完成電控系統(tǒng)建模。三個系統(tǒng)模型的耦合則依據(jù)系統(tǒng)總圖完成。

調(diào)試過程是指試驗(yàn)現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)和模型參數(shù)修正。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成機(jī)電液耦合模型中的參數(shù)修正，完善系統(tǒng)模型，是參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

參數(shù)優(yōu)化過程是指液壓系統(tǒng)優(yōu)化和控制策略優(yōu)化。以降低換向過程中的沖擊現(xiàn)象為目標(biāo)，優(yōu)化液壓系統(tǒng)中的液壓元件選型參數(shù)、各閥件的控制策略等。

液壓元件建模

泵送系統(tǒng)機(jī)電液耦合模型中，液壓系統(tǒng)模型是最重要的，而液壓元件是液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)，故需保證液壓元件模型的準(zhǔn)確性。圖2所示為液壓元件建模流程，主要的液壓元件均按照此流程進(jìn)行。圖3所示為液壓元件建模示例，通過尺寸測量、數(shù)據(jù)縮放，并根據(jù)截面原理，完成AMESim模型創(chuàng)建。

機(jī)電液耦合模型創(chuàng)建

依據(jù)技術(shù)路線和液壓元件建模流程，結(jié)合系統(tǒng)總圖、液壓原理圖等，完成泵送液壓系統(tǒng)機(jī)電液耦合AMESim模型創(chuàng)建，如圖4所示。機(jī)械系統(tǒng)模型包含：S管、等效負(fù)載、質(zhì)量塊、彈簧阻尼器等;液壓系統(tǒng)模型中包含：恒功率主泵、主油缸換向閥、擺缸換向閥、主油缸、擺缸、單向閥、換向閥、溢流閥、節(jié)流閥等;電控系統(tǒng)模型包含：位移傳感器、速度傳感器、信號采樣、觸電信號開關(guān)、信號限幅、信號處理等。

模型修正及調(diào)試

泵送系統(tǒng)AMESim仿真模型創(chuàng)建完成后，必須進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和修正，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為對標(biāo)基礎(chǔ)，修正仿真模型中的相關(guān)參數(shù)。在本階段，主要修正的模型參數(shù)有：管路表面粗糙度、容積腔體積、阻尼特性、信號延遲時間、信號階躍梯度、信號限幅等。

圖5所示為仿真的主泵壓力出口曲線，圖6所示為試驗(yàn)的主泵壓力出口曲線，壓力波谷階段為系統(tǒng)的換向階段。對比主泵最大壓力，仿真結(jié)果為19.7MPa，試驗(yàn)結(jié)果為19.7MPa，兩者一致。對比換向階段的壓力沖擊幅值，仿真結(jié)果為10.5MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為11MPa，兩者誤差較小。對比壓力變化曲線，兩者的壓力變化趨勢一致，只是在上升階段的壓力數(shù)值會存在誤差。分析原因?yàn)椋簤毫ι仙倪^程就是系統(tǒng)流量上升的過程，在此過程中，混凝土存在壓縮以及流速增大的現(xiàn)象，而混凝土的壓縮特性和流動特性變化范圍大，仿真時只能采用某一工況下的數(shù)值進(jìn)行替代，與試驗(yàn)情況會存在差別。但是，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在壓力數(shù)值和變化趨勢保持一致，可用于后續(xù)的液壓系統(tǒng)優(yōu)化和控制策略優(yōu)化。

控制策略優(yōu)化

5.1 優(yōu)化方案

泵送系統(tǒng)目前采用的換向階段控制策略為：電控系統(tǒng)收到換向信號后，主換向閥和擺缸換向閥同時換向，先導(dǎo)溢流閥失電，主泵排量降低，持續(xù)數(shù)秒后再增大排量。該控制策略的目的是減低主泵壓力沖擊，以及保證泵送系統(tǒng)輸送的連續(xù)性。

本控制策略的優(yōu)化點(diǎn)集中在主泵控制，主泵為恒功率泵，由電氣控制，在換向期間會降低排量。本優(yōu)化方案為：在換向期間，主泵的恒功率控制失效，其排量為換向前的主泵排量減去1/3主泵額定排量。

5.2 優(yōu)化效果

根據(jù)優(yōu)化方案，修改泵送系統(tǒng)AMESim機(jī)電液耦合模型中的主泵排量控制模型及參數(shù)，并以相同的試驗(yàn)工況進(jìn)行泵送系統(tǒng)機(jī)電液耦合仿真。

圖7所示為控制策略優(yōu)化后的主泵壓力曲線，壓力幅值和變化趨勢與試驗(yàn)現(xiàn)象保持一致，控制策略的優(yōu)化不會改變泵送系統(tǒng)的整體功效。圖8所示為換向階段壓力曲線，壓力沖擊的幅值為5.3MPa，試驗(yàn)結(jié)果為11MPa，幅值降低52%，效果明顯。但是，在換向階段，依然存在多次的壓力沖擊現(xiàn)象。

液壓系統(tǒng)優(yōu)化

6.1 優(yōu)化方案

泵送系統(tǒng)在控制策略優(yōu)化后，換向階段的壓力沖擊降低了52%，但是依然存在多個沖擊波形，需要進(jìn)行液壓系統(tǒng)優(yōu)化。

在換向階段，先導(dǎo)溢流閥會失電，使系統(tǒng)壓力降低，此時的溢流閥相當(dāng)于單向閥。而單向閥在入口壓力變化過程中，其行程改變而導(dǎo)致通流面積的變化，一旦單向閥特性選擇不合適，會造成明顯的壓力沖擊現(xiàn)象。本次優(yōu)化時，采用節(jié)流閥+開關(guān)閥的組合功能代替先導(dǎo)溢流閥。非換向工況，開關(guān)閥關(guān)閉，節(jié)流閥不起作用;換向工況，開關(guān)閥打開，節(jié)流閥起作用，降低系統(tǒng)壓力。

6.2 優(yōu)化效果

根據(jù)優(yōu)化方案，修改泵送系統(tǒng)AMESim機(jī)電液耦合模型，先導(dǎo)溢流閥更改為節(jié)流閥+開關(guān)閥的組合，并以相同的試驗(yàn)工況進(jìn)行泵送系統(tǒng)機(jī)電液耦合仿真。

圖9所示為液壓系統(tǒng)優(yōu)化后的主泵壓力曲線，壓力幅值和變化趨勢與試驗(yàn)現(xiàn)象保持一致，液壓系統(tǒng)的優(yōu)化不會改變泵送系統(tǒng)的整體功效。圖10所示為換向階段壓力曲線，先前的壓力沖擊現(xiàn)象消失，效果明顯。

結(jié)論

本文運(yùn)用AMESim軟件對某泵送液壓系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)特性仿真及參數(shù)優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）泵送系統(tǒng)AMESim建模以及參數(shù)設(shè)置時，嚴(yán)格按照元件樣本參數(shù)和工作原理進(jìn)行，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對AMESim模型進(jìn)行驗(yàn)證，確保了AMESim建模的正確性。

（2）本文通過優(yōu)化控制策略和液壓系統(tǒng)，消除了換向階段的壓力沖擊現(xiàn)象，效果明顯。

（3）后續(xù)還可以用該模型進(jìn)行其他特性優(yōu)化，使泵送系統(tǒng)的性能更優(yōu)。

綜上所述，優(yōu)化后的泵送系統(tǒng)在換向階段的壓力沖擊現(xiàn)象基本消除。

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責(zé)編/馬銘陽