基于AMESim的混凝土泵送系统机电液耦合仿真及参数优化

王永刚祝贺罗斌

摘要:混凝土泵送系统在换向阶段会产生明显的压力冲击，这与电-机-液的匹配特性有关。首先，根据系统的工作原理和元件类型，等效建立AMESim动态特性仿真模型。然后，基于测试数据，对系统模型进行调试，完成模型验证。最后，对参数进行了优化，减少了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；参数最优化

序

泵送系统是混凝土泵车的重要组成部分，它通过机械结构、液压传动和电气控制的配合来实现泵送功能。机电耦合性能对整体泵浦性能起着决定性的作用。根据测试数据，泵送系统换向过程中，额定工况下冲击压力幅值达到11MPa，导致系统故障率高，使用寿命短。本文通过匹配分析和参数优化来降低换向过程中的压力冲击幅度。

技术路线图

泵送系统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。

在对机械系统、液压系统和电控系统分别建模后，耦合建模过程。机械系统主要体现在载荷上，根据实际情况完成载荷的等效简化。液压系统由几个液压元件组成。首先根据样件和测量数据对液压元件进行建模，然后根据液压原理图创建液压系统。电控系统主要是各个液压元件的控制策略，包括信号处理、延时等功能。根据试验过程中的控制策略，完成了电控系统的建模。根据系统总图完成三个系统模型的耦合。

调试过程是指试验现象的再现和模型参数的修正。根据试验数据，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。为了减少换向过程中的冲击现象，对液压元件的选择参数和液压系统中各种阀门的控制策略进行了优化。

液压元件建模

在泵送系统的电液耦合模型中，液压系统模型最为重要，液压元件是液压系统的基础，因此需要保证液压元件模型的准确性。图2给出了液压元件的建模过程，主要液压元件都是按照这个过程进行的。图3显示了一个液压组件建模的例子。通过尺寸测量、数据缩放，根据截面原理，建立AMESim模型。

机电液耦合模型的建立

根据技术路线和液压元件的建模过程，结合总系统图和液压原理图，建立了泵送液压系统机电液耦合的AMESim模型，如图4所示。力学模型包括:S管、等效载荷、质量块、弹簧阻尼器等。液压系统模型包括:恒功率主泵、主缸换向阀、摆缸换向阀、主缸、摆缸、单向阀、换向阀、溢流阀、节流阀等。电控系统模型包括:位移传感器、速度传感器、信号采样、电击信号开关、信号限幅、信号处理等。

模型修改和调试

泵送系统AMESim仿真模型建立后，必须通过实验进行验证和修正，仿真模型中的相关参数要根据实验数据进行修正。在这个阶段，主要修改的模型参数有:管道表面粗糙度、容积腔容积、阻尼特性、信号延迟时间、信号阶跃梯度、信号限幅等。

图5显示了模拟的主泵压力出口曲线，图6显示了实验的主泵压力出口曲线。压力低谷阶段是系统反转阶段。对比主泵最大压力，仿真结果为19.7MPa，测试结果为19.7MPa，两者一致。对比换向阶段压力冲击的幅度，仿真结果为10.5MPa，实验数据为11MPa，两者误差较小。对比压力变化曲线，两者的压力变化趋势是一致的，但在上升阶段压力值会有误差。原因是压力上升的过程就是系统流量上升的过程。在这个过程中，混凝土被压缩，流量增加，而混凝土的压缩和流动特性千差万别，所以只能用某一工况下的数值进行模拟，与试验结果会有差异。但仿真结果与试验结果在压力值和变化趋势上是一致的，可用于后续液压系统和控制策略的优化。

控制策略优化

5.1优化方案

目前换向阶段泵送系统的控制策略是:电控系统收到换向信号后，主换向阀和倾翻缸换向阀同时换向，先导溢流阀失电，主泵排量减小，几秒后排量增大。这种控制策略的目的是减少主泵的压力冲击，并确保泵送系统的连续性。

这种控制策略的优化重点是对主泵的控制，主泵是恒功率泵，电控，换向期间排量会减小。优化方案为:换向期间，主泵恒功率控制失效，其排量为换向前主泵排量减去主泵额定排量的1/3。

5.2优化效果

根据优化方案，修改了AMESim泵送系统电液耦合模型中主泵的排量控制模型和参数，并在相同试验条件下进行了泵送系统的电液耦合仿真。

图7显示了控制策略优化后的主泵压力曲线。压力幅值和变化趋势与实验现象一致，控制策略的优化不会改变泵送系统的整体功效。图8示出了换向阶段的压力曲线。压力冲击的幅度为5.3MPa，测试结果为11MPa。幅度降低52%，效果明显。但是在反转阶段，还是有很多压力冲击。

液压系统优化

6.1优化方案

泵送系统控制策略优化后，换向阶段压力冲击降低了52%，但冲击波形仍然较多，液压系统需要优化。

在反转阶段，先导安全阀将失去动力，这将降低系统压力。此时，安全阀相当于一个单向阀。而在入口压力变化的过程中，单向阀的行程发生变化，导致流通面积的变化。单向阀的特性一旦选择不当，就会造成明显的压力冲击。在这次优化中，用节流阀和开关阀的组合功能代替先导式溢流阀。在非换向状态下，开关阀关闭，节流阀不工作；在换向状态下，开关阀打开，节流阀工作降低系统压力。

6.2优化效果

根据优化方案，修改了泵送系统的AMESim电液耦合模型，将先导溢流阀改为节流阀和开关阀的组合。在相同的试验条件下，对泵送系统进行了电液耦合仿真。

图9是液压系统优化后的主泵压力曲线。压力幅值和变化趋势与实验现象一致，液压系统的优化不会改变泵送系统的整体效率。图10示出了换向阶段的压力曲线。之前的压力冲击现象消失，效果明显。

结论

本文利用AMESim软件对泵送液压系统的动态特性进行了仿真，并对参数进行了优化，得出了以下结论:

(1)在对泵送系统AMESim进行建模和参数设置时，严格遵循样本参数和部件工作原理，并用试验数据对AMESim模型进行验证，确保AMESim建模的正确性。

(2)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)该模型可用于将来优化其它特性，使泵系统的性能更好。

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

[1]傅勇凌等. LMS Imagine .AMESim系统建模与仿真[M].北京航空航天空出版社，2011

超，，等.基于AMESim的安全阀动态特性仿真[J].机械工程，2008

[3]金圣秋等.基于AMESim的液压同步阀仿真分析及结构改进研究[J].液压和气动，2009年

[4]石磊，孙恺。基于AMESim的举升液压系统仿真分析[J].机电设备，2011年

编辑/马