基于AMESim的新型軌道式混凝土攪拌車液壓系統(tǒng)建模與分析

， ,2， ,2， (.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州　730070； 2.蘭州立盛達(dá)鐵路新技術(shù)有限責(zé)任公司, 甘肅 蘭州　730070)

引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道施工量逐年增加，而隧道建設(shè)又離不開混凝土，因此，軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車在鐵路隧道建設(shè)中具有非常重要的作用，它承擔(dān)著將預(yù)拌混凝土從攪拌站運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)的重任，實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的掘進(jìn)和襯砌同步。其液壓系統(tǒng)是整車的一個(gè)重要組成部分，它將直接決定著攪拌運(yùn)輸車作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性及工作效率。本研究對(duì)6 m3軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，目的就是為了獲得液壓系統(tǒng)各參數(shù)的變化規(guī)律，為以后軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車液壓傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

1　軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車簡(jiǎn)介

軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車主要由平板車、副車架、柴油機(jī)、液壓系統(tǒng)、減速機(jī)、攪拌筒以及附屬裝置等組成，如圖1所示。

(1) 平板車平板車相對(duì)于整車上裝部分是獨(dú)立的，其作用就是承載著整個(gè)上裝部分在鋼軌上行走；

1.平板車　2、5.吊耳　3.輪對(duì)　4.副車架　6、8.滾道 7.攪拌筒　9.液壓系統(tǒng)及減速機(jī)　10.柴油機(jī)圖1　攪拌車結(jié)構(gòu)組成

(2) 副車架該車副車架與平板車是可分離的形式，其作用就是在攪拌運(yùn)輸車到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)以后，通過隧道內(nèi)的起吊裝置在吊耳處將副車架及其以上部分整體吊起，此時(shí)，副車架承擔(dān)著混凝土以及整個(gè)上裝部分的全部重量，而平板車可以完成其他作業(yè)任務(wù)；

(3) 液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源由柴油機(jī)提供，液壓泵通過取力器直接把柴油機(jī)的動(dòng)力引出，然后轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)的液壓能，最后經(jīng)過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)攪拌筒旋轉(zhuǎn)；

(4) 攪拌筒攪拌筒主要由攪拌筒體和攪拌葉片組成，還包括法蘭、滾道以及拖輪(前后各兩個(gè)對(duì)稱布置)等連接和支撐結(jié)構(gòu)。攪拌筒為三段式結(jié)構(gòu)，中節(jié)圓柱和兩端不對(duì)稱的雙錐體構(gòu)成，在攪拌筒內(nèi)焊接著兩條呈180°交錯(cuò)排列的攪拌葉片。整個(gè)攪拌筒以五點(diǎn)支撐的形式水平放置在副車架上，可以繞其軸線旋轉(zhuǎn)。

本研究就是對(duì)該攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過仿真初步了解液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各種參數(shù)的變化情況，這樣不僅可以降低設(shè)計(jì)的盲目性，還可以確保試車時(shí)的安全性和穩(wěn)定性，提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2　建立仿真模型

2.1　攪拌車液壓系統(tǒng)工作原理

該攪拌車液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.補(bǔ)油泵　2.變量液壓主泵　3.手動(dòng)換向閥　4.溢流閥 5、6.補(bǔ)油單向閥　7、8.高壓安全閥　9.梭閥 10.被壓閥　11.定量液壓馬達(dá)圖2　軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)原理圖

攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)工作原理：雙向變量液壓主泵可以正反向供油，雙向定量馬達(dá)可以雙向旋轉(zhuǎn)，液壓主泵的排量可以通過手動(dòng)換向閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速。當(dāng)變量液壓主泵正向供油時(shí)，高壓安全閥7工作以防液壓系統(tǒng)過載；反之，高壓安全閥8工作。

補(bǔ)油泵吸油并將補(bǔ)油單向閥6打開對(duì)低壓油路進(jìn)行補(bǔ)油，溢流閥可以限制該補(bǔ)油泵的最高壓力； 同時(shí)，補(bǔ)油泵的壓力可以控制梭閥的位置，然后將低壓管路和回油管路通過背壓閥10接通，將部分高溫液壓油排出，需要說明的是為了防止背壓閥的壓力過高，應(yīng)設(shè)置安全閥的調(diào)定壓力高于背壓閥[2]。

2.2　攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

液壓系統(tǒng)各元件的主要參數(shù)如表1所示。

表1　液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

2.3　仿真系統(tǒng)建模

AMESim軟件是某公司于1995年研發(fā)的專門用于液壓機(jī)械系統(tǒng)的建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析的優(yōu)秀軟件，該軟件包含了IMAGINE的專門技術(shù)并為工程設(shè)計(jì)提供交互能力[3]。AMESim軟件中的元件之間都可以雙向傳遞數(shù)據(jù)，并且變量都具有物理意義[4]。這里主要用到了軟件中的液壓模塊、機(jī)械模塊和信號(hào)控制模塊，由液壓系統(tǒng)原理圖來構(gòu)建攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。

圖3　6 m3軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)仿真模型

對(duì)仿真模型幾點(diǎn)說明：

(1) 由仿真模型我們可以看到在變量液壓主泵旁邊是一個(gè)控制信號(hào)， 因?yàn)樵谝簤耗K中沒有可選的變量液壓泵的液壓模型控件，所以在仿真過程中根據(jù)攪拌運(yùn)輸車不同工況向變量液壓泵加載不同信號(hào)以控制攪拌筒動(dòng)作；

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)AMESim軟件可以為用戶提供兩種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，即帶調(diào)控的與不帶調(diào)控的。這兩種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)都不符合攪拌車液壓系統(tǒng)的要求，因此，根據(jù)攪拌運(yùn)輸車實(shí)際工況，采用外部加載一個(gè)模擬信號(hào)來代替發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性，這里采用2100轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性來加載；

(3) 變量液壓主泵由于只能采用電信號(hào)來控制變量柱塞液壓泵實(shí)現(xiàn)攪拌筒的兩個(gè)正轉(zhuǎn)(4 r/min和12 r/min)、一個(gè)反轉(zhuǎn)(-4 r/min)以及停車四個(gè)工作位置，所以我們直接向變量柱塞泵加載連續(xù)控制信號(hào)來改變斜盤比例系數(shù)的大小和正反以實(shí)現(xiàn)泵的不同排量和方向，進(jìn)而模擬攪拌筒真實(shí)旋轉(zhuǎn)工況；

(4) 減速機(jī)在軟件的機(jī)械模塊庫中選用一個(gè)帶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的旋轉(zhuǎn)負(fù)載與一個(gè)一級(jí)機(jī)械變速齒輪串聯(lián)的方式來模擬專用減速機(jī)，在仿真模型中雙向液壓馬達(dá)右邊的即為專用減速機(jī)；

(5) 攪拌筒該軟件中沒有現(xiàn)成的攪拌筒模型，因此在軟件所提供的機(jī)械模塊庫中選擇一個(gè)一端固定而另一端可旋轉(zhuǎn)的元件來代替攪拌筒，該元件可以通過外部加載固定或可變信號(hào)來模擬混凝土的加載過程。

3　液壓系統(tǒng)仿真

混凝土攪拌運(yùn)輸車通過攪拌筒的旋轉(zhuǎn)來完成各種工況，在這里將工況分為兩大部分，一是裝載混凝土過程即進(jìn)料工況；二是攪拌運(yùn)輸車滿載工況。其中滿載工況又分為攪拌運(yùn)輸車滿載作業(yè)全過程工況(包括進(jìn)料、運(yùn)輸、卸料)、攪拌筒以4 r/min攪動(dòng)運(yùn)輸時(shí)突然啟動(dòng)和停止兩種情況[5]?，F(xiàn)分別對(duì)這幾種情況進(jìn)行仿真。

3.1　進(jìn)料工況

一般情況下裝滿6 m3混凝土所用時(shí)間為3 min左右，在進(jìn)料的過程中柴油機(jī)需要不斷的提高輸出扭矩來保證快速進(jìn)料，因此在這個(gè)過程中攪拌筒的負(fù)載(T攪)是逐漸增加的，為了真實(shí)模擬這種工況向攪拌筒加載一個(gè)呈線性增加的控制信號(hào)來模擬混凝土量隨時(shí)間成線性增加的過程，并且給一固定信號(hào)使得變量液壓主泵處于最大正排量，為了保證混凝土的勻質(zhì)性，裝料停止后柴油機(jī)的最大轉(zhuǎn)速需要保持一段時(shí)間，在這里取這段時(shí)間為20 s，混凝土裝載曲線如圖4所示，仿真模型如圖5所示。

圖4　混凝土加載曲線

圖5　進(jìn)料工況仿真模型

仿真結(jié)果如圖6所示，由圖6可以看出液壓馬達(dá)扭矩變化情況。攪拌筒負(fù)載隨著混凝土量加入而增大，液壓馬達(dá)的扭矩也基本上呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)(負(fù)值表示反轉(zhuǎn))，整個(gè)進(jìn)料過程，只有在混凝土剛剛進(jìn)入攪拌筒的時(shí)候液壓馬達(dá)的扭矩(T馬)出現(xiàn)了劇烈的波動(dòng)，主要原因是混凝土的加入使得攪拌筒由空載工況變?yōu)樨?fù)載工況的時(shí)間較短，再加上攪拌筒與液壓馬達(dá)是通過減速機(jī)實(shí)現(xiàn)剛性連接，而液壓馬達(dá)與變量液壓泵是通過油液傳遞扭矩，進(jìn)料過程造成兩者的慣性不同步，進(jìn)而使管路內(nèi)的油液呈現(xiàn)出不規(guī)律的震蕩現(xiàn)象。這種現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較短，加上安全閥的保護(hù)作用，震蕩幅度下降的還是比較快的，之后馬達(dá)扭矩再?zèng)]出現(xiàn)任何波動(dòng)。由于裝載混凝土的速度較慢，在進(jìn)料過程中(除了剛開始)攪拌筒的負(fù)載變化率都比較小，對(duì)整個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊不會(huì)很大。

圖6　液壓馬達(dá)扭矩變化

3.2　滿載工況

1) 攪拌筒正常工作全過程工況

混凝土攪拌運(yùn)輸車在滿載正常工作時(shí)包括以下工序：首先隨著攪拌筒轉(zhuǎn)速的提高實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)進(jìn)料，并以12 r/min的轉(zhuǎn)速預(yù)攪拌，然后攪拌車運(yùn)輸混凝土過程中以4 r/min的轉(zhuǎn)速攪動(dòng)以防止混凝土離析、凝結(jié)，接著到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后保持12 r/min的轉(zhuǎn)速完成反轉(zhuǎn)卸料，最后停止(0 r/min )。

對(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車以上各種工況進(jìn)行仿真時(shí)，我們采用對(duì)變量液壓主泵加載連續(xù)變化信號(hào)，主要是利用信號(hào)來控制變量泵節(jié)流口的橫截面積，從而實(shí)現(xiàn)變量泵不同排量。在此將各種工況的換向時(shí)間，即手動(dòng)換向閥的轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為3 s，每種工況工作時(shí)間為15 s。仿真模型如圖3所示，圖7為信號(hào)加載，圖8～圖15為仿真結(jié)果。

圖7　液壓泵信號(hào)加載曲線

圖8　液壓泵兩端壓力變化曲線

由圖8顯示的液壓主泵兩端壓力變化實(shí)線表示液壓泵高壓端口3的壓力變化，虛線表示液壓泵低壓端口1的壓力變化，由曲線可以得到，在0 s、15 s、30 s、48 s時(shí)，即攪拌筒在不同的工況之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，液壓泵的壓力發(fā)生了明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，原因是因?yàn)樵谶@些時(shí)刻管路中的液壓油會(huì)產(chǎn)生不同程度的沖擊，造成液壓泵出現(xiàn)不穩(wěn)定工作，從圖中也可以看出這種不穩(wěn)定時(shí)間是比較短暫的。

由圖9可以明顯的看出，液壓馬達(dá)扭矩(T馬)波動(dòng)也是比較明顯的，液壓馬達(dá)的扭矩在攪拌筒剛剛開始進(jìn)料和卸料時(shí)波動(dòng)最大，主要原因是在這兩個(gè)時(shí)刻攪拌筒負(fù)載變化比較快，由此形成的液壓沖擊相對(duì)于其他工況較大。而圖10變量液壓泵的扭矩(T泵)波動(dòng)程度相對(duì)于液壓馬達(dá)扭矩波動(dòng)程度來說就比較小，這主要是由于管路中的油液對(duì)變量液壓泵起到一定的緩沖作用，而液壓馬達(dá)與減速機(jī)之間屬于剛性連接，緩沖作用較小，因此液壓馬達(dá)波動(dòng)程度明顯的比變量液壓泵的波動(dòng)程度大的多。

圖9　液壓馬達(dá)扭矩變化曲線

圖10　液壓泵扭矩變化曲線

由圖11可以看出，相對(duì)于液壓泵和液壓馬達(dá)來說液壓系統(tǒng)的流量基本沒有變化，主要是因?yàn)橐缌鏖y、兩個(gè)高壓安全閥和輔助泵的補(bǔ)油回路在起作用，圖12中可以看出在攪拌筒工況轉(zhuǎn)換的時(shí)候溢流閥和安全閥均有明顯的有波動(dòng)，這就是安全閥在起作用，即以溢流量為代價(jià)來減小對(duì)各液壓元件的損壞程度。

圖11　系統(tǒng)流量變化曲線

圖12　溢流量變化曲線

圖13a和圖13b分別顯示的是液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線以及為了能夠清晰的表示馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化過程的局部放大圖， 其中圖13b顯示的是攪拌車到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后從攪動(dòng)工況停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后變換到反轉(zhuǎn)卸料工況并保持15 s，理論上在這段時(shí)間內(nèi)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是恒定的即平行于X軸，而從圖中可以看到該曲線在剛開始發(fā)生明顯的波動(dòng)后直線稍微有些傾斜，原因是當(dāng)變量液壓泵正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)切換時(shí)，閉式液壓系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)迫管路中的液壓油改變方向，盡管這個(gè)時(shí)間很短暫，但我們還是可以從圖中清晰的看出液壓油的換向?qū)σ簤罕幂敵隽髁康挠绊?，進(jìn)而造成液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線的波動(dòng)和傾斜。

圖13　液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線

圖14表示的是攪拌筒的轉(zhuǎn)速變化，最大轉(zhuǎn)速為12 r/min，運(yùn)輸時(shí)的攪動(dòng)轉(zhuǎn)速為4 r/min，最后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。攪拌筒轉(zhuǎn)速在48～51 s波動(dòng)最明顯，原因是由于攪拌筒由正傳變?yōu)榉崔D(zhuǎn)受到的沖擊較大。

圖14　攪拌筒轉(zhuǎn)速變化曲線

由以上仿真結(jié)果不難看出，攪拌筒在各種工況之間轉(zhuǎn)換時(shí)，液壓泵的壓力、液壓馬達(dá)的扭矩、轉(zhuǎn)速以及攪拌筒的轉(zhuǎn)速都發(fā)生了明顯的波動(dòng)，但是波動(dòng)的時(shí)間都是比較短暫的，并且波動(dòng)量都在液壓元件的承受范圍之內(nèi)，再加上液壓系統(tǒng)中安全閥可以起到保護(hù)作用，所以不會(huì)因過大的壓力和扭矩而損壞液壓元件。因此可以得出攪拌運(yùn)輸車在正常工作過程中液壓系統(tǒng)仿真模型各個(gè)參數(shù)的設(shè)定是合理、可靠的。

2) 攪拌車運(yùn)輸時(shí)發(fā)生故障突然啟動(dòng)和停止工況

攪拌車最重要的功能就是向施工地點(diǎn)運(yùn)送預(yù)拌混凝土，在這種工況下為了保證混凝土的質(zhì)量攪拌筒必須保持4 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)，這也是用時(shí)最長(zhǎng)的一種工況，所以攪拌車在運(yùn)輸途中很可能發(fā)生故障，在排除故障后又必須迅速啟動(dòng)攪拌筒，因此為了獲取液壓系統(tǒng)參數(shù)在這種工況下的變化規(guī)律以及換向閥的換向時(shí)間為多大時(shí)對(duì)液壓元件最有利，我們需要對(duì)此工況進(jìn)行仿真。

在仿真時(shí)我們也是直接給變量液壓泵加載控制信號(hào)，使攪拌筒的旋轉(zhuǎn)速遞從0 r/min開始上升到正轉(zhuǎn)4 r/min，經(jīng)10 s后迅速?gòu)? r/min下降為0 r/min，該工況的仿真模型如圖3所示， 圖15a和圖15b為仿真結(jié)果。為了方便對(duì)比參數(shù)的變化規(guī)律，將四種不同換向時(shí)間下的曲線放在一張圖上，圖中的1、2、3、6曲線分別代表手動(dòng)換向閥的換向時(shí)間為1 s、2 s、3 s、6 s時(shí)液壓系統(tǒng)馬達(dá)扭矩的變化情況。

由圖15a顯示的是液壓馬達(dá)扭矩變化情況，圖15b顯示的是液壓馬達(dá)扭矩變化局部放大圖。 由圖可

圖15　液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩圖

以看出，當(dāng)攪拌筒啟動(dòng)和停止時(shí)，液壓馬達(dá)的扭矩都會(huì)有不同程度的波動(dòng)，換向閥的換向時(shí)間越短，轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)波動(dòng)量越大，對(duì)馬達(dá)的沖擊越大，因此我們可以采取延長(zhǎng)換向閥換向時(shí)間來降低液壓馬達(dá)的扭矩峰值，從而減小對(duì)液壓元件的沖擊，但是一味地延長(zhǎng)換向時(shí)間會(huì)降低攪拌運(yùn)輸車的工作效率，從圖中可以看到當(dāng)換向閥的換向時(shí)間為3 s時(shí)能兼顧到液壓馬達(dá)扭矩峰值與攪拌車工作效率之間的沖突。

4　結(jié)論

通過對(duì)6 m3軌道式混凝土攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以得出以下結(jié)論：

(1) 對(duì)攪拌筒進(jìn)料工況仿真結(jié)果得知整個(gè)進(jìn)料過程液壓馬達(dá)的扭矩(除剛開始)是比較穩(wěn)定的，即攪拌運(yùn)輸車可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)料；

(2) 對(duì)攪拌運(yùn)輸車正常工作過程進(jìn)行仿真，攪拌筒在不同工況之間轉(zhuǎn)換時(shí)液壓系統(tǒng)各參數(shù)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，這就對(duì)液壓系統(tǒng)各元件的性能提出了較高的要求。因此，在液壓系統(tǒng)選型時(shí)要留出一定的裕度來抵抗工況轉(zhuǎn)換時(shí)的液壓沖擊；

(3) 對(duì)攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸途中突然發(fā)生故障這種工況進(jìn)行仿真，可以得出手動(dòng)換向閥的換向時(shí)間為3 s時(shí)最佳，這不僅降低了液壓系統(tǒng)各元件的沖擊程度，還兼顧到了攪拌運(yùn)輸車的工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙鐵栓,蔡應(yīng)強(qiáng).基于AMESim的混凝土攪拌車液壓系統(tǒng)仿真[J].工程機(jī)械,2005,(8):52-56.

[2]梅彥利.新型混凝土攪拌運(yùn)輸車的液壓系統(tǒng)[J].液壓與氣動(dòng),2010,(6):23-25.

[3]付永領(lǐng),齊海濤.LMS Imagine. Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4]王勇亮,盧穎,趙振鵬,等.液壓仿真軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].液壓與氣動(dòng),2012,(8):1-4.

[5]袁成,韓嘉驊.一種新型雙動(dòng)力混凝土攪拌運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)及其能耗分析[J].液壓與氣動(dòng),2012,(12):93-97.