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摘要：混凝土泵送系统在换向阶段会存在明显的压力冲击，其与机电液匹配特性相关。本文首先根据系统工作原理及元件型号，等效建立AMESim动态特性仿真模型;然后以试验数据为依据，进行系统模型调试，完成模型验证;最后，进行参数优化，降低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;参数优化
前言
泵送系统是混凝土泵车的重要组成部分，其通过机械结构、液压传动、电气控制协同工作共同实现泵送功能。机电液耦合性能的好坏，对总体泵送性能起决定性作用。依据试验数据，泵送系统在换向过程中，额定工况下的冲击压力幅值达到11MPa，导致系统故障率高，寿命降低。本文将通过匹配性分析和参数优化，降低换向过程中的压力冲击幅值。
技术路线
泵送系统机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。
建模过程按照机械系统、液压系统和电控系统单独建模后进行耦合。机械系统主要体现为负载，根据实际情况完成负载等效简化。液压系统是由多个液压元件组成的，首先根据样本和实测数据完成液压元件建模，然后依据液压原理圖完成液压系统创建。电控系统主要为各液压元件的控制策略，包含信号处理、延迟等功能，依据试验过程中的控制策略，完成电控系统建模。三个系统模型的耦合则依据系统总图完成。
调试过程是指试验现象复现和模型参数修正。依据试验数据，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。以降低换向过程中的冲击现象为目标，优化液压系统中的液压元件选型参数、各阀件的控制策略等。
液压元件建模
泵送系统机电液耦合模型中，液压系统模型是最重要的，而液压元件是液压系统的基础，故需保证液压元件模型的准确性。图2所示为液压元件建模流程，主要的液压元件均按照此流程进行。图3所示为液压元件建模示例，通过尺寸测量、数据缩放，并根据截面原理，完成AMESim模型创建。
机电液耦合模型创建
依据技术路线和液压元件建模流程，结合系统总图、液压原理图等，完成泵送液压系统机电液耦合AMESim模型创建，如图4所示。机械系统模型包含：S管、等效负载、质量块、弹簧阻尼器等;液压系统模型中包含：恒功率主泵、主油缸换向阀、摆缸换向阀、主油缸、摆缸、单向阀、换向阀、溢流阀、节流阀等;电控系统模型包含：位移传感器、速度传感器、信号采样、触电信号开关、信号限幅、信号处理等。
模型修正及调试
泵送系统AMESim仿真模型创建完成后，必须进行试验验证和修正，以试验数据为对标基础，修正仿真模型中的相关参数。在本阶段，主要修正的模型参数有：管路表面粗糙度、容积腔体积、阻尼特性、信号延迟时间、信号阶跃梯度、信号限幅等。
图5所示为仿真的主泵压力出口曲线，图6所示为试验的主泵压力出口曲线，压力波谷阶段为系统的换向阶段。对比主泵最大压力，仿真结果为19.7MPa，试验结果为19.7MPa，两者一致。对比换向阶段的压力冲击幅值，仿真结果为10.5MPa，试验数据为11MPa，两者误差较小。对比压力变化曲线，两者的压力变化趋势一致，只是在上升阶段的压力数值会存在误差。分析原因为：压力上升的过程就是系统流量上升的过程，在此过程中，混凝土存在压缩以及流速增大的现象，而混凝土的压缩特性和流动特性变化范围大，仿真时只能采用某一工况下的数值进行替代，与试验情况会存在差别。但是，仿真结果和试验结果在压力数值和变化趋势保持一致，可用于后续的液压系统优化和控制策略优化。
控制策略优化
5.1 优化方案
泵送系统目前采用的换向阶段控制策略为：电控系统收到换向信号后，主换向阀和摆缸换向阀同时换向，先导溢流阀失电，主泵排量降低，持续数秒后再增大排量。该控制策略的目的是减低主泵压力冲击，以及保证泵送系统输送的连续性。
本控制策略的优化点集中在主泵控制，主泵为恒功率泵，由电气控制，在换向期间会降低排量。本优化方案为：在换向期间，主泵的恒功率控制失效，其排量为换向前的主泵排量减去1/3主泵额定排量。
5.2 优化效果
根据优化方案，修改泵送系统AMESim机电液耦合模型中的主泵排量控制模型及参数，并以相同的试验工况进行泵送系统机电液耦合仿真。
图7所示为控制策略优化后的主泵压力曲线，压力幅值和变化趋势与试验现象保持一致，控制策略的优化不会改变泵送系统的整体功效。图8所示为换向阶段压力曲线，压力冲击的幅值为5.3MPa，试验结果为11MPa，幅值降低52%，效果明显。但是，在换向阶段，依然存在多次的压力冲击现象。
液压系统优化
6.1 优化方案
泵送系统在控制策略优化后，换向阶段的压力冲击降低了52%，但是依然存在多个冲击波形，需要进行液压系统优化。
在换向阶段，先导溢流阀会失电，使系统压力降低，此时的溢流阀相当于单向阀。而单向阀在入口压力变化过程中，其行程改变而导致通流面积的变化，一旦单向阀特性选择不合适，会造成明显的压力冲击现象。本次优化时，采用节流阀+开关阀的组合功能代替先导溢流阀。非换向工况，开关阀关闭，节流阀不起作用;换向工况，开关阀打开，节流阀起作用，降低系统压力。
6.2 优化效果
根据优化方案，修改泵送系统AMESim机电液耦合模型，先导溢流阀更改为节流阀+开关阀的组合，并以相同的试验工况进行泵送系统机电液耦合仿真。
图9所示为液压系统优化后的主泵压力曲线，压力幅值和变化趋势与试验现象保持一致，液压系统的优化不会改变泵送系统的整体功效。图10所示为换向阶段压力曲线，先前的压力冲击现象消失，效果明显。
结论
本文运用AMESim软件对某泵送液压系统进行了动态特性仿真及参数优化，得到如下结论：
（1）泵送系统AMESim建模以及参数设置时，严格按照元件样本参数和工作原理进行，并用试验数据对AMESim模型进行验证，确保了AMESim建模的正确性。
（2）本文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）后续还可以用该模型进行其他特性优化，使泵送系统的性能更优。
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。
参考文献
[1]付永领等.LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真[M].京航天航空出版社，2011
[2]安林超等.基于AMESim的安全阀动态特性仿真[J].机械工程，2008
[3]金胜秋等.基于AMESim的液压同步阀仿真分析及结构改进研究[J].液压与气动，2009
[4]石磊，孙凯.基于AMESim克令吊起升液压系统仿真与分析[J].机电设备，2011
责编/马铭阳
关键词：AMESim仿真 压力冲击;动态特性;参数优化
前言
泵送系统是混凝土泵车的重要组成部分，其通过机械结构、液压传动、电气控制协同工作共同实现泵送功能。机电液耦合性能的好坏，对总体泵送性能起决定性作用。依据试验数据，泵送系统在换向过程中，额定工况下的冲击压力幅值达到11MPa，导致系统故障率高，寿命降低。本文将通过匹配性分析和参数优化，降低换向过程中的压力冲击幅值。
技术路线
泵送系统机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。
建模过程按照机械系统、液压系统和电控系统单独建模后进行耦合。机械系统主要体现为负载，根据实际情况完成负载等效简化。液压系统是由多个液压元件组成的，首先根据样本和实测数据完成液压元件建模，然后依据液压原理圖完成液压系统创建。电控系统主要为各液压元件的控制策略，包含信号处理、延迟等功能，依据试验过程中的控制策略，完成电控系统建模。三个系统模型的耦合则依据系统总图完成。
调试过程是指试验现象复现和模型参数修正。依据试验数据，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。以降低换向过程中的冲击现象为目标，优化液压系统中的液压元件选型参数、各阀件的控制策略等。
液压元件建模
泵送系统机电液耦合模型中，液压系统模型是最重要的，而液压元件是液压系统的基础，故需保证液压元件模型的准确性。图2所示为液压元件建模流程，主要的液压元件均按照此流程进行。图3所示为液压元件建模示例，通过尺寸测量、数据缩放，并根据截面原理，完成AMESim模型创建。
机电液耦合模型创建
依据技术路线和液压元件建模流程，结合系统总图、液压原理图等，完成泵送液压系统机电液耦合AMESim模型创建，如图4所示。机械系统模型包含：S管、等效负载、质量块、弹簧阻尼器等;液压系统模型中包含：恒功率主泵、主油缸换向阀、摆缸换向阀、主油缸、摆缸、单向阀、换向阀、溢流阀、节流阀等;电控系统模型包含：位移传感器、速度传感器、信号采样、触电信号开关、信号限幅、信号处理等。
模型修正及调试
泵送系统AMESim仿真模型创建完成后，必须进行试验验证和修正，以试验数据为对标基础，修正仿真模型中的相关参数。在本阶段，主要修正的模型参数有：管路表面粗糙度、容积腔体积、阻尼特性、信号延迟时间、信号阶跃梯度、信号限幅等。
图5所示为仿真的主泵压力出口曲线，图6所示为试验的主泵压力出口曲线，压力波谷阶段为系统的换向阶段。对比主泵最大压力，仿真结果为19.7MPa，试验结果为19.7MPa，两者一致。对比换向阶段的压力冲击幅值，仿真结果为10.5MPa，试验数据为11MPa，两者误差较小。对比压力变化曲线，两者的压力变化趋势一致，只是在上升阶段的压力数值会存在误差。分析原因为：压力上升的过程就是系统流量上升的过程，在此过程中，混凝土存在压缩以及流速增大的现象，而混凝土的压缩特性和流动特性变化范围大，仿真时只能采用某一工况下的数值进行替代，与试验情况会存在差别。但是，仿真结果和试验结果在压力数值和变化趋势保持一致，可用于后续的液压系统优化和控制策略优化。
控制策略优化
5.1 优化方案
泵送系统目前采用的换向阶段控制策略为：电控系统收到换向信号后，主换向阀和摆缸换向阀同时换向，先导溢流阀失电，主泵排量降低，持续数秒后再增大排量。该控制策略的目的是减低主泵压力冲击，以及保证泵送系统输送的连续性。
本控制策略的优化点集中在主泵控制，主泵为恒功率泵，由电气控制，在换向期间会降低排量。本优化方案为：在换向期间，主泵的恒功率控制失效，其排量为换向前的主泵排量减去1/3主泵额定排量。
5.2 优化效果
根据优化方案，修改泵送系统AMESim机电液耦合模型中的主泵排量控制模型及参数，并以相同的试验工况进行泵送系统机电液耦合仿真。
图7所示为控制策略优化后的主泵压力曲线，压力幅值和变化趋势与试验现象保持一致，控制策略的优化不会改变泵送系统的整体功效。图8所示为换向阶段压力曲线，压力冲击的幅值为5.3MPa，试验结果为11MPa，幅值降低52%，效果明显。但是，在换向阶段，依然存在多次的压力冲击现象。
液压系统优化
6.1 优化方案
泵送系统在控制策略优化后，换向阶段的压力冲击降低了52%，但是依然存在多个冲击波形，需要进行液压系统优化。
在换向阶段，先导溢流阀会失电，使系统压力降低，此时的溢流阀相当于单向阀。而单向阀在入口压力变化过程中，其行程改变而导致通流面积的变化，一旦单向阀特性选择不合适，会造成明显的压力冲击现象。本次优化时，采用节流阀+开关阀的组合功能代替先导溢流阀。非换向工况，开关阀关闭，节流阀不起作用;换向工况，开关阀打开，节流阀起作用，降低系统压力。
6.2 优化效果
根据优化方案，修改泵送系统AMESim机电液耦合模型，先导溢流阀更改为节流阀+开关阀的组合，并以相同的试验工况进行泵送系统机电液耦合仿真。
图9所示为液压系统优化后的主泵压力曲线，压力幅值和变化趋势与试验现象保持一致，液压系统的优化不会改变泵送系统的整体功效。图10所示为换向阶段压力曲线，先前的压力冲击现象消失，效果明显。
结论
本文运用AMESim软件对某泵送液压系统进行了动态特性仿真及参数优化，得到如下结论：
（1）泵送系统AMESim建模以及参数设置时，严格按照元件样本参数和工作原理进行，并用试验数据对AMESim模型进行验证，确保了AMESim建模的正确性。
（2）本文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）后续还可以用该模型进行其他特性优化，使泵送系统的性能更优。
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。
参考文献
[1]付永领等.LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真[M].京航天航空出版社，2011
[2]安林超等.基于AMESim的安全阀动态特性仿真[J].机械工程，2008
[3]金胜秋等.基于AMESim的液压同步阀仿真分析及结构改进研究[J].液压与气动，2009
[4]石磊，孙凯.基于AMESim克令吊起升液压系统仿真与分析[J].机电设备，2011
责编/马铭阳