攤鋪機(jī)提升液壓系統(tǒng)仿真研究

馮虎崔竹君高榮

文章編號：1000033X（2016）12010105

收稿日期：20160530

摘要：為了減小攤鋪機(jī)提升液壓系統(tǒng)的吸空現(xiàn)象對路面質(zhì)量的影響，從結(jié)構(gòu)和液壓2個(gè)角度對提升系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過對液壓系統(tǒng)的研究，使用AMESim仿真軟件構(gòu)建攤鋪機(jī)提升液壓系統(tǒng)模型，優(yōu)化原提升系統(tǒng)存在的吸空問題，并驗(yàn)證了優(yōu)化方案。結(jié)果表明，優(yōu)化方案能夠有效改善提升液壓系統(tǒng)吸空現(xiàn)象對路面平整度的影響，仿真分析方法具有可行性。

關(guān)鍵詞：攤鋪機(jī)；提升液壓系統(tǒng)；仿真；吸空現(xiàn)象

中圖分類號：U415.521文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Simulation of Hydraulic Lifting System of Paver

FENG Hu1，CUI Zhujun2，GAO Rong1

（1. Road Machinery Branch of XCMG Construction Machinery Co.， Ltd.， Xuzhou 221004， Jiangsu， China；

2. XCMG Research Institute， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： In order to reduce the impact of suction phenomenon of pavers hydraulic lifting system on the construction quality of pavement， the lifting system was analyzed in aspects of structure and hydraulics. AMESim， the simulation software， was applied to build a model for the hydraulic system of paver. Solution to the suction problem was proposed and later tested. The results indicate that the solution helps to reduce the impact of suction phenomenon on the pavement roughness， proving the simulation analysis to be feasible.

Key words： paver； hydraulic lifting system； simulation； suction phenomenon

0引言

瀝青混凝土攤鋪機(jī)是公路、市政道路、機(jī)場等道路建設(shè)過程中必不可少的路面施工機(jī)械之一，主要用于完成瀝青混凝土的攤鋪，以形成一定厚度、寬度及密實(shí)度的平整路面，在各種路面建設(shè)工程中被廣泛應(yīng)用，可大大提高施工效率，降低勞動強(qiáng)度，同時(shí)顯著提高路面質(zhì)量[12]。

平整度作為高等級路面質(zhì)量的關(guān)鍵評價(jià)參數(shù)之一，在路面施工過程中需進(jìn)行重點(diǎn)控制[3]。提升系統(tǒng)是攤鋪機(jī)的一個(gè)液壓系統(tǒng)，其主要作用是通過改變提升油缸的工作狀態(tài)，調(diào)整熨平板的姿態(tài)[4]。目前在施工用戶反饋中發(fā)現(xiàn)提升液壓系統(tǒng)在熨平板浮動狀態(tài)下存在吸空現(xiàn)象，直接影響攤鋪路面的平整度。為進(jìn)一步研究提升系統(tǒng)的工作過程，本文運(yùn)用AMESim軟件對提升液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，再現(xiàn)提升油缸的吸空現(xiàn)象，并分析原因，提出新的方案，為以后攤鋪機(jī)提升液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供支撐。

1攤鋪機(jī)工作裝置

攤鋪機(jī)工作裝置主要包括熨平裝置和振搗梁，其作用是將攤鋪槽內(nèi)全幅寬度的瀝青混凝土攤平、搗實(shí)和熨平，如圖1所示。攤鋪機(jī)在停車起步階段，提升油缸處于閉鎖狀態(tài)，避免熨平板產(chǎn)生位移；攤鋪機(jī)在工作狀態(tài)中，熨平板處于浮動狀態(tài)，提升油缸大小腔均與油箱連通，回路壓力較低，在浮動過程中易出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，產(chǎn)生負(fù)壓。因此，提升油缸由浮動狀態(tài)切換至閉鎖狀態(tài)時(shí)，由于吸空存在負(fù)壓[5]，建壓需要一定時(shí)間，此過程中熨平板會產(chǎn)生向上或向下的位移，造成路面出現(xiàn)起拱或壓痕。

圖1攤鋪機(jī)工作裝置

2仿真模型建立

2.1AMESim軟件

AMESim（Advaneed Modeling Enviroment for Simulation of engineering systems）是法國IMAGINE公司在1995年推出的一種涉及液壓、機(jī)械、電氣等多學(xué)科領(lǐng)域的仿真建模平臺軟件。該軟件采用基于物理模型的圖形化建模方式，使用戶在仿真過程中無需推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，不要求仿真建模人員具備高水平的編程能力，降低了對操作人員專業(yè)知識的要求，使更多的用戶能夠更高效地將仿真分析方法運(yùn)用到物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)仿真建模常用庫包括Signal&Control、Mechanical、Hydraulic三個(gè)元件庫。如果現(xiàn)有元件庫中沒有合適的模型，可以運(yùn)用元件設(shè)計(jì)庫來搭建適合的元件模型。

2.2現(xiàn)有系統(tǒng)仿真模型

以某型號攤鋪機(jī)的提升液壓系統(tǒng)工作回路為研究對象，該回路由提升油缸、提升換向閥、閉鎖閥、浮動閥等部件組成。當(dāng)攤鋪機(jī)正常攤鋪時(shí)，提升換向閥處于中位，閉鎖閥、浮動閥都處于導(dǎo)通位，提升液壓缸大小腔通過閉鎖閥、浮動閥、提升換向閥與油箱相通，從而使提升液壓缸處于浮動狀態(tài)。

（1）在AMESim仿真軟件中，以草圖模式建立提升液壓系統(tǒng)仿真模型。按照提升液壓系統(tǒng)工作原理，利用Sketch模式，調(diào)用系統(tǒng)提供的液壓庫、信息庫、機(jī)械庫建立提升系統(tǒng)工作回路模型，如圖2所示。

圖2提升系統(tǒng)仿真模型

（2）在子模型模式下，為每個(gè)圖形模塊選取子模型。模型中不考慮熱工水力學(xué)，因此所有的元件模型均選取默認(rèn)子模型。

（3）在參數(shù)模式下，按照實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置仿真模型各元件相應(yīng)參數(shù)。設(shè)置液壓油液參數(shù)如表1所示；設(shè)置提升油缸參數(shù)如表2所示；設(shè)置浮動閥前阻尼孔參數(shù)如表3所示；設(shè)置提升換向閥參數(shù)如表4所示。

為搭建好系統(tǒng)各元件子模型，提升換向閥信號、閉鎖閥信號、浮動閥信號、負(fù)載信號均為實(shí)測數(shù)據(jù)，如圖3所示，將實(shí)測數(shù)據(jù)保存為文本文檔，并導(dǎo)入模型中。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)中提升油缸的兩腔壓力和面積，忽略結(jié)構(gòu)、摩擦、油液滲漏、管路損失等因素的影響，得出提升油缸在作業(yè)過程中所承受的負(fù)載信號，如圖4、5所示。通過設(shè)置負(fù)載信號、各個(gè)閥的換向信號，模擬了提升液壓系統(tǒng)的實(shí)際工作過程。其中，5792～7591 s為提升油缸浮動時(shí)刻。

（4）在運(yùn)行模式下，進(jìn)行提升液壓系統(tǒng)仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為80 s、仿真步長為001 s、運(yùn)行方式為單個(gè)仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。提升油缸無桿腔壓力實(shí)測與仿真對比如圖7所示。

由圖6、7可知，實(shí)測數(shù)據(jù)曲線與仿真數(shù)據(jù)曲線趨勢基本吻合，但由于仿真模型中忽略了提升油缸結(jié)構(gòu)等的影響，致使曲線存在一些區(qū)別。在仿真模型中，由于浮動狀態(tài)下提升油缸的兩腔連通，當(dāng)油缸中一腔出現(xiàn)吸空現(xiàn)象時(shí)，油液無法及時(shí)補(bǔ)充，受負(fù)載力的影響，導(dǎo)致兩腔壓力都出現(xiàn)負(fù)值。在實(shí)際提升液壓系統(tǒng)中，當(dāng)熨平板處于浮動時(shí)刻時(shí)，提升油缸的活塞桿由于受負(fù)載力較大，加速了油缸向上或者向下運(yùn)動[67]；此時(shí)提升油缸的有桿腔和無桿腔從T口管路吸油，但由于提升油缸安裝位置高于油箱液位，且提升液壓系統(tǒng)油液會有一定泄漏，致使油液無法及時(shí)補(bǔ)充至提升油缸兩腔，導(dǎo)致提升油缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，出現(xiàn)負(fù)壓。

2.3優(yōu)化后仿真模型

為了減小提升系統(tǒng)吸空現(xiàn)象對攤鋪路面質(zhì)量的影響，對攤鋪機(jī)提升液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出一種新的提升液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過引入先導(dǎo)式溢流閥、二位二通電磁換向閥，使提升液壓系統(tǒng)具有了二級調(diào)壓功能，即提升系統(tǒng)在提升、下降、閉鎖狀態(tài)時(shí)與浮動狀態(tài)具有不同的系統(tǒng)工作壓力；在浮動狀態(tài)下，系統(tǒng)以較低的壓力值工作，同時(shí)向提升油缸的兩腔及時(shí)補(bǔ)油；在回油路上通過單向閥建立一定的背壓，防止浮動狀態(tài)下提升油缸出現(xiàn)吸空現(xiàn)象導(dǎo)致的負(fù)壓，減小或消除攤鋪機(jī)停車起步過程中因提升油缸產(chǎn)生位移而造成路面的壓痕和起拱。

（1）改進(jìn)方案的仿真模型如圖8所示。通過壓力控制閥的組合，等效了先導(dǎo)溢流閥的兩級設(shè)定值，利用兩位兩通電比例閥的換向，實(shí)現(xiàn)換向前后壓力控制閥先導(dǎo)口具有不同的先導(dǎo)作用力，然后再與先導(dǎo)作用面積系數(shù)相乘，從而使壓力控制閥實(shí)現(xiàn)了在提升、下降、閉鎖狀態(tài)與浮動狀態(tài)不同的壓力開啟設(shè)定值，進(jìn)一步使提升液壓系統(tǒng)具有了不同的工作壓力。

（2）在子模型模式下，同樣不考慮熱工水力學(xué)，所有元件模型均選取默認(rèn)子模型。

（3）在參數(shù)模式下，按照實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置仿真模型中各元件相應(yīng)參數(shù)，壓力控制閥端口的壓力作用面積比分別設(shè)置為0、1、12 N；設(shè)置兩位兩通電比例閥的信號如圖9所示；設(shè)置單向閥開啟壓力為25 bar。

（4）在運(yùn)行模式下，運(yùn)行改進(jìn)后的提升液壓系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置仿真時(shí)間為80 s、仿真步長為001 s，仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖6、10可以看出，改進(jìn)后提升油缸兩腔壓力不再出現(xiàn)負(fù)壓，提升油缸吸空現(xiàn)象得到了明顯改善。改進(jìn)后，當(dāng)提升油缸開始浮動時(shí)，受負(fù)載力影響較大，大約有2 s處于吸空狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)以低壓向提升油缸供油，及時(shí)補(bǔ)充吸空狀態(tài)供油不足的情況，并使油缸兩腔壓力達(dá)到基本一致，有效地減小了攤鋪機(jī)停車起步過程中因提升油缸產(chǎn)生位移造成路面的壓痕和起拱；同時(shí)，在浮動狀態(tài)下，提升液壓系統(tǒng)以較小的壓力值溢流，降低了系統(tǒng)的壓力損失。

3實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

以某型號改進(jìn)前后的攤鋪機(jī)為作業(yè)對象，分別在同一段穩(wěn)定土層上進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。打開前進(jìn)開關(guān)，在熨平板浮動狀態(tài)下，通過壓力傳感器記錄提升油缸兩腔的壓力變化，壓力曲線如圖11、12所示。

由圖12可以看出，在同一穩(wěn)定土層上攤鋪，當(dāng)熨平板處于浮動狀態(tài)時(shí)，改進(jìn)前提升油缸的無桿腔壓力長時(shí)間處于負(fù)壓狀態(tài)，改進(jìn)后提升油缸的無桿腔壓力為負(fù)壓的時(shí)間大大縮短，提升系統(tǒng)的吸空現(xiàn)象得到了明顯改善。

4結(jié)語

（1）運(yùn)用AMESim仿真軟件可以方便快捷地構(gòu)建提升液壓系統(tǒng)的圖形化仿真模型；按照實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模型元件參數(shù)，對提升液壓系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析及改進(jìn)，可有效提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本。

（2）在現(xiàn)有提升液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出通過使用先導(dǎo)式溢流閥、二位二通電磁換向閥，使提升系統(tǒng)在提升、下降、閉鎖狀態(tài)與浮動狀態(tài)具有不同的工作壓力，實(shí)現(xiàn)了二級調(diào)壓。在浮動狀態(tài)下，系統(tǒng)以較低的壓力值向提升油缸補(bǔ)油；在回油路上通過單向閥建立了一定背壓，防止浮動狀態(tài)下提升油缸出現(xiàn)吸空現(xiàn)象導(dǎo)致長時(shí)間的負(fù)壓，減小或消除攤鋪機(jī)停車起步過程中因提升油缸產(chǎn)生位移造成路面的壓痕和起拱，從而提高攤鋪路面質(zhì)量。

（3）通過對改進(jìn)后的提升液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：提升油缸兩腔出現(xiàn)負(fù)壓的時(shí)間明顯縮短，吸空現(xiàn)象明顯改善；同時(shí)，浮動狀態(tài)下，提升液壓系統(tǒng)以較小的壓力值溢流，降低了系統(tǒng)的壓力損失。

（4）實(shí)際攤鋪?zhàn)鳂I(yè)驗(yàn)證結(jié)果顯示：改進(jìn)后的提升液壓系統(tǒng)相比改進(jìn)前吸空現(xiàn)象明顯改善，與仿真分析結(jié)果趨勢一致，驗(yàn)證了攤鋪機(jī)提升液壓系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性及AMESim仿真分析方法的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉.基于ANSYS的瀝青混凝土攤鋪機(jī)熨平板有限元分析[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[2]龔敬.履帶式攤鋪機(jī)行走液壓系統(tǒng)啟動及轉(zhuǎn)向工況研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[3]付久長，王永杰，馬龍，等.仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的運(yùn)用及展望[J].液壓氣動與密封，2014，34（9）：12.

[4]王威，戴錦春，巫世晶，等.AMESim在液壓傳動教學(xué)中的應(yīng)用[J].液壓氣動與密封，2014，34（10）：5255.

[5]韓慧仙，曹顯利.基于AMESim的輪胎式起重機(jī)行走液壓系統(tǒng)仿真與優(yōu)化[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（7）：1316.

[6]金勝秋.基于AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結(jié)構(gòu)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009.

[7]李家柱.基于AMEsim的車輛關(guān)鍵點(diǎn)振動仿真及分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[責(zé)任編輯：高甜]