混凝土泵液压系统建模与仿真研究

　　混凝土泵在泵送混凝土时,两个主油缸在压力油的作用下交替动作,油管中液压油的压力和流向在换向阀换向时发生变化,在液压系统中就会不可避免地产生液压冲击和振动[1-2],将导致混凝土泵使用寿命大大降低,严重时会发生“泵”毁人亡的事故。因此,对于混凝土泵液压系统,在设计时仅作静态分析不能满足设计要求,同时还要进行动态分析,以了解液压系统的动态性能和过渡品质。

　　AMESim是法国IMAGINE公司开发的高级工程系统仿真建模环境,为液压、机械、控制等系统提供了一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案,可以建立复杂的多学科领域系统的数学模型,并在此基础上进行仿真计算和分析[3-5]。

　　作者在分析混凝土泵液压系统工作原理的基础上,采用AMESim建立混凝土泵液压系统仿真模型,进行动态仿真,分析混凝土泵液压系统动态特性。

　　1　混凝土泵液压系统工作原理

　　混凝土泵的工作方式是通过压力油推动主油缸活塞,从而推动混凝土缸活塞来实现泵送混凝土的过程。其工作原理如图1所示。

　　电机5带动液压泵4转动,液压泵4输出的压力油经三位四通阀7进入主油缸8的无杆腔,主油缸活塞10前进,推动混凝土缸活塞14,将混凝土排出混凝土缸16。主油缸8和9的有杆腔通过油管连通,当主油缸活塞10前进时,主油缸活塞11后退,因此混凝土缸活塞15后退,将混凝土吸入混凝土缸17,从而实现混凝土的连续泵送。

　　2　混凝土泵液压系统仿真模型

　　2·1　泵送混凝土流动状态分析

　　混凝土在输送管道中流动时,要承受泵送压力和输送管道管壁的摩擦力,其流动状态可用宾哈姆体流变模型进行研究,其流变方程为[6]

　　式中:τ为剪切应力;

　　τ₀为屈服剪切应力;

　　η为黏性系数;

　　^{为速度梯度。}

　　对于泵送混凝土,可认为是宾哈姆体在推力作用下沿管道的流动,如图2所示[6]。

　　在目前的泵送条件下,泵送混凝土在输送管中的流动理论上属于层流。根据图2可求得层流的流速变化规律

　　即流速随半径成二次抛物线变化,r=0处v=v_max;r=R处v=0。层流的剪切应力随管道半径变化的规律为

　　即剪切应力随半径成直线变化,r=0处τ=0;r=R处,为最大。

　　根据宾哈姆体的流变方程式(1)可知,当τ>τ0开始流动。而由层流的剪切应力变化规律式(3)可知近管壁处的剪切应力τ最大。因而在混凝土泵的推动下,泵送混凝土在输送管中产生柱塞流动[6-8]。