泵車(chē)臂架虛擬樣機(jī)仿真與壓損優(yōu)化

王琛，丁海港，2，石峰，趙延斌，王福鑫，龐智珍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(省部共建)，江蘇徐州 221116；3.徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇徐州 221000)

0 前言

臂架液壓系統(tǒng)是混凝土泵車(chē)的核心，其性能的好壞影響系統(tǒng)的布料能力。泵車(chē)臂架負(fù)載變化大，變幅機(jī)構(gòu)建模困難。由于臂架長(zhǎng)管路布置，臂架液壓管路存在較大的壓力損失，同時(shí)在臂架下落過(guò)程中由于平衡閥的作用存在系統(tǒng)壓力損失大、臂架抖動(dòng)問(wèn)題。建立泵車(chē)臂架虛擬樣機(jī)對(duì)認(rèn)識(shí)臂架液壓系統(tǒng)壓力分布，降低系統(tǒng)壓力損失具有重大意義。

韓慧仙、曹顯利[1]對(duì)混凝土泵車(chē)臂架多路閥進(jìn)行了建模與仿真，得出多路閥的流量由流量閥彈簧預(yù)緊力和主閥芯開(kāi)口共同決定的結(jié)論。李濤、劉會(huì)勇、金明勇等[2-4]借助AMESim的機(jī)械庫(kù)與液壓庫(kù)建立了泵車(chē)液壓系統(tǒng)仿真模型，得出了基本的壓力、流量曲線。張海平[5]對(duì)平衡閥的應(yīng)用與工作原理進(jìn)行了詳細(xì)探究，對(duì)多種結(jié)構(gòu)的平衡閥工作原理與特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。王建森、王立增等[6-7]對(duì)LHDV型平衡閥的動(dòng)態(tài)特性先導(dǎo)阻尼網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行了分析，建立了平衡閥數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)計(jì)算了閥口的通流面積，并探究了不同因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。李小棱[8]對(duì)泵車(chē)臂架液壓平衡回路進(jìn)行了詳細(xì)分析，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與壓力沖擊狀況。馬喆等人[9-10]建立了采摘機(jī)與液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，得到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力、流量、負(fù)載、位移等參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線并進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了AMESim與Simcenter 3D Montion軟件聯(lián)合仿真的可行性。姜濤等人[11]建立了泵車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了有限元分析，提出混凝土泵車(chē)集成化虛擬設(shè)計(jì)解決方案。竺箐、宋德朝[12]基于ADAMS軟件，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，得到油缸行程曲線和油缸作用力—時(shí)間歷程圖，找出了油缸振動(dòng)的原因。孫武和[13]對(duì)泵車(chē)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)建模，得到臂架結(jié)構(gòu)線性靜力和大變形計(jì)算的變形與應(yīng)力。REN等[14]對(duì)泵車(chē)臂架動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。王佳茜等[15]對(duì)泵車(chē)的動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)功率與負(fù)載的精準(zhǔn)匹配。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)泵車(chē)臂架機(jī)液聯(lián)合仿真分析的研究較少，且分別研究臂架機(jī)械結(jié)構(gòu)與泵車(chē)液壓系統(tǒng)，高精度機(jī)液聯(lián)合仿真模型較少，對(duì)臂架壓力分布規(guī)律不夠明確。

本文作者借助AMESim軟件與Simcenter 3D Montion仿真平臺(tái)建立了62 m泵車(chē)臂架虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用臂架虛擬樣機(jī)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，揭示系統(tǒng)的壓力分布，找出系統(tǒng)壓損過(guò)高的原因，提出多種降低系統(tǒng)壓力損失的方案，并以降低管路壓損為例，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 臂架系統(tǒng)工作原理

泵車(chē)臂架液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感變量泵1、負(fù)載敏感多路閥2、平衡閥3、變幅油缸4組成。臂架液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

負(fù)載敏感變量泵1的油液經(jīng)負(fù)載敏感多路閥2進(jìn)入平衡閥3.1，此時(shí)平衡閥3.1起單向?qū)ㄗ饔?，單向閥打開(kāi)進(jìn)入變幅缸4的無(wú)桿腔。變幅油缸的有桿腔油液流入平衡閥3.2，此時(shí)平衡閥3.2起液控節(jié)流功能，來(lái)自平衡閥3.1的控制油液與變幅油缸4的負(fù)載壓力共同控制平衡閥的開(kāi)口，最終經(jīng)負(fù)載敏感多路閥流回油箱。

2 虛擬樣機(jī)建模

2.1 虛擬樣機(jī)建模技術(shù)路線

圖2是虛擬樣機(jī)建模技術(shù)路線。在液壓系統(tǒng)建模部分，對(duì)臂架液壓系統(tǒng)建模，并進(jìn)行驗(yàn)證；在泵車(chē)多體動(dòng)力學(xué)部分，借助現(xiàn)有泵車(chē)三維模型，建立泵車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在完成臂架液壓系統(tǒng)、泵車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型修正的基礎(chǔ)上，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)臂架三維動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，建立機(jī)電液聯(lián)合仿真虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)臂架機(jī)構(gòu)復(fù)合動(dòng)作的動(dòng)態(tài)特性輸出。

圖2 臂架虛擬樣機(jī)建模技術(shù)路線

2.2 液壓系統(tǒng)建模

借助AMESim軟件的液壓庫(kù)、1D機(jī)械庫(kù)，建立液壓系統(tǒng)仿真模型。HB62V型泵車(chē)第五節(jié)臂的進(jìn)回油管路總長(zhǎng)度約94 m，其中鋼管總長(zhǎng)度為67 m，軟管總長(zhǎng)度為27 m，故需對(duì)臂架長(zhǎng)管路進(jìn)行精準(zhǔn)建模。根據(jù)泵車(chē)管路布置，詳細(xì)測(cè)量管路長(zhǎng)度、直徑。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，借助“Hydraulic Modular Piping”元件，對(duì)單根鋼管進(jìn)行建模，分別設(shè)定鋼管各部分的長(zhǎng)度、直徑、曲率、彎曲角度等參數(shù)。圖3是HB62V泵車(chē)第五節(jié)臂液壓管路模型。

圖3 HB62V第五節(jié)臂管路模型

利用AMESim軟件的“超級(jí)元件”功能，將長(zhǎng)管路模型進(jìn)行封裝。按照系統(tǒng)工作原理，將負(fù)載敏感變量泵、負(fù)載敏感多路閥、臂架長(zhǎng)管路、平衡閥、變幅油缸等元件進(jìn)行連接，組建臂架液壓系統(tǒng)的仿真模型。圖4是HB62V液壓系統(tǒng)第五節(jié)臂仿真模型。表1是HB62V泵車(chē)第五節(jié)臂仿真模型主要參數(shù)。

表1 HB62V泵車(chē)第五節(jié)臂仿真模型主要參數(shù)

圖4 HB62V第五節(jié)臂液壓系統(tǒng)仿真模型

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

Simcenter 3D Montion是西門(mén)子公司基于NX軟件平臺(tái)所創(chuàng)建的新一代CAE解決方案，為3D CAE將幾何體編輯、關(guān)聯(lián)仿真建模以及融入行業(yè)專業(yè)知識(shí)的多學(xué)科解決方案相結(jié)合，提高軟件的兼容性，加快仿真流程。Simcenter 3D Montion集成了快速準(zhǔn)確的計(jì)算器，可作為獨(dú)立模擬環(huán)境使用。AMESim與Simcenter 3D Montion同為西門(mén)子公司推出的軟件，兩者之間具有穩(wěn)定、兼容的聯(lián)合仿真接口，仿真結(jié)果更加真實(shí)可信。文中液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，且以液壓系統(tǒng)為主要方面進(jìn)行研究，選取AMESim為主要仿真平臺(tái)。

首先將Pro/E軟件中的三維模型以STEP文件格式導(dǎo)出，導(dǎo)入至NX軟件中進(jìn)行初步處理；三維模型初步處理完成后，打開(kāi)Simcenter 3D Montion模塊創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真環(huán)境；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型完成后，建立聯(lián)合仿真接口，替換原有的1D機(jī)械庫(kù)模擬負(fù)載，建立泵車(chē)臂架虛擬樣機(jī)模型。圖5是臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型。

圖5 臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

2.4 仿真模型驗(yàn)證

圖6是HB62V泵車(chē)五臂倒鉤展開(kāi)工況系統(tǒng)壓力對(duì)比。液壓系統(tǒng)的仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線的變化規(guī)律相同、趨勢(shì)一致、數(shù)值相近，模型真實(shí)度高達(dá)92%，說(shuō)明仿真模型能夠真實(shí)地模擬實(shí)際系統(tǒng)，具有可信性。

圖6 五臂倒鉤展開(kāi)工況系統(tǒng)壓力對(duì)比

3 泵車(chē)臂架液壓系統(tǒng)壓力分布規(guī)律

圖7是五臂倒鉤快速收回工況系統(tǒng)壓力分布。圖7所示的測(cè)壓點(diǎn)壓力測(cè)試值如表2所示?？芍罕奂苁栈毓r下系統(tǒng)工作壓力接近臂架泵切斷壓力。系統(tǒng)壓力損失主要集中在進(jìn)、回油長(zhǎng)管路和大腔側(cè)平衡閥。其中大腔側(cè)管路壓力損失占比最大，約為4.1 MPa，小腔側(cè)管路壓力損失為3.29 MPa，大腔側(cè)平衡閥壓力損失為2.87 MPa。

表2 五臂倒鉤收回工況系統(tǒng)壓力分布

圖7 五臂倒鉤收回工況系統(tǒng)壓力分布曲線

4 臂架長(zhǎng)管路壓力損失仿真分析與優(yōu)化

由臂架液壓系統(tǒng)壓力分布曲線可知，系統(tǒng)的壓力損失主要集中在回油側(cè)平衡閥、臂架液壓長(zhǎng)管路。為降低管路壓力損失，降低系統(tǒng)壓力，提升臂架液壓系統(tǒng)的利用率，提出如下3種方案降低系統(tǒng)的壓力損失：(1)增大管路通徑；(2)選用卸荷型平衡閥；(3)選用運(yùn)動(dòng)黏度更好的油液。以管路通徑優(yōu)化為例，進(jìn)行系統(tǒng)壓力損失優(yōu)化。

當(dāng)前HB62V五臂液壓系統(tǒng)采用通徑為8 mm的液壓管路。圖8是五臂管路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接線圖。圖9是五臂油缸收回工況8 mm管路壓力損失測(cè)試曲線。測(cè)試工況的油液溫度為47～50 ℃，液壓缸有桿腔進(jìn)油流量為12 L/min。

圖8 實(shí)測(cè)管路接線圖

圖9 五臂油缸收回工況通徑8 mm管路壓力損失

由測(cè)試結(jié)果可知，臂架小腔液壓管路存在2.86～4.76 MPa的壓力損失，大腔側(cè)管路存在1.6～3.03 MPa的壓力損失。管路的總壓力損失約為4.0～7.5 MPa，能量損失較大，因此需對(duì)長(zhǎng)管路進(jìn)行壓力優(yōu)化。

針對(duì)長(zhǎng)管路壓力損失問(wèn)題提出3種管路擴(kuò)徑方案：(1)方案一：大腔側(cè)管路增大至10 mm(圖例為P口至A口通徑d1=10 mm)；(2)方案二：小腔側(cè)管路增大至10 mm(圖例為P口至B口通徑d2=10 mm)；(3)方案三：大、小腔管路同時(shí)增大至10 mm(圖例為10 mm)。

圖10是3種管路通徑優(yōu)化方案的管路壓力損失優(yōu)化對(duì)比。表3是收回工況進(jìn)、回油管路壓損優(yōu)化結(jié)果。由仿真結(jié)果可得，同時(shí)增大大腔側(cè)管路與小腔側(cè)管路通徑，對(duì)管路壓力損失優(yōu)化的效果最明顯，可降低壓損55%。

表3 收回工況進(jìn)、回油管路壓損優(yōu)化

圖10 管路通徑優(yōu)化壓力損失對(duì)比

5 管路壓力優(yōu)化方案測(cè)試驗(yàn)證

圖11是10 mm管路壓力損失測(cè)試曲線。表4是收回工況管路優(yōu)化前、后系統(tǒng)壓力損失變化。大、小腔側(cè)管路通徑同時(shí)增大后，在快速收回工況下，小腔側(cè)管路壓力損失降低50%，大腔側(cè)管路壓力損失降低60%，系統(tǒng)能耗有效降低，故通過(guò)優(yōu)化管路通徑可有效降低系統(tǒng)壓力。

表4 收回工況管路優(yōu)化前后系統(tǒng)壓力損失

圖11 10 mm管路壓力損失測(cè)試曲線

6 結(jié)論

本文作者基于AMESim與Simcenter 3D Montion軟件建立了臂架液壓系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了模型驗(yàn)真，揭示了系統(tǒng)的壓力分布，找出了系統(tǒng)壓損過(guò)高的原因，提出了降低管路壓力損失的方案。

研究結(jié)果表明：

(1)虛擬樣機(jī)模型精度在90%以上，可真實(shí)反映臂架液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

(2)臂架液壓系統(tǒng)的主要壓力損失集中在平衡閥與長(zhǎng)液壓管路。

(3)五臂倒鉤收回工況下，將臂架長(zhǎng)管路通徑由8 mm增大至10 mm，可使小腔側(cè)管路壓力損失降低50%，大腔側(cè)管路壓力損失降低60%，可有效降低系統(tǒng)壓力。