基于功率键合图的混凝土泵车液压系统建模与仿真研究

摘要：在混凝土的运输过程中，泵车是―种常用的机械设备，主要应用于混凝土的相关加工过程中，在建筑工程施工过程中得到了广泛的应用。本文就本泵车的结构进行慨述，对泵送和摆动系统负载进行分析，提出液压系统的数学模型和仿真模型两种情况，最后进行泵车系统仿真模型建立的实验分析，对于促进我国混凝土泵车液压系统设计水平的不断提升具有重要意义。

在泵车的结构中，液压系统是非常重要的组成部分，控制着泵车的整个操作过程，对于延长泵车的使用寿命具有重要影响。基于功率键合图的建模与仿真，对于改进混凝土泵车液压系统具有重大影响。

1.泵车的结构

一般情况下，混凝土泵车的结构主要分为动力传动系统、汽车底盘和上装总成三个部分，其中，动力传动系统包括发动机、变速器和分动箱三个主要装置；汽车底盘和上装总成两个部分是相互联系的。混凝土泵车的类型很多，其中，活塞式混凝土泵的应用范围最广，本文主要研究的是装载布料杆的活塞混凝土泵。混凝土泵的液压系统一般包括泵送系统、摆动系统、臂架系统和搅拌系统等，混凝土的输送过程就是通过泵送系统和摆动系统共同完成的。

2.泵送和摆动系统负载分析

在混凝土泵车的泵送系统负载中，因为混凝土具有流动性， 在输送过程中会产生摩擦，因此，主要承受的压力来自泵送负载和输送管壁的摩擦力，经过一定极压，会形成固体栓，因此，泵送系统负载主要是克服混凝土在输送过程中产生的摩擦力，其中，输送距离、弯管半径等都会对混凝土泵送负载造成极大影响。

摆动系统中，摆动油缸的作用主要是运用于推动s管阀的摆动，因此，在摆动过程中，s管阀受到的负载主要是侧面受混凝土影响产生的阻力、s管阀前滞留混凝土带来的阻力和空载时的经阻力，从而给混凝土泵车摆动系统的正常运转带来极大影响。

3.液压系统数学模型

在混凝土泵车液压系统中，泵送系统是最主要的系统，占据着非常重要的地位，一般情况下分为开式系统和闭式系统两种，本文研究的是目前使用范围最广的开式双回路系统。泵送系统的结构主要由主泵、溢流阀、换向阀组、主缸、高低压切换阀等部分组成，其中，主油泵有电控变量和恒功率控制两种类型，是带压力切断的恒功率变量泵，与系统的正常运转有着紧密联系。

在液压系统的动态特性研究中，功率件合图是常用的建模方法，是根据液压原理图来画出功率流动的情况，可以对系统各元件进行详细的描述，将各元件之间的负载效应和功率情况都形象的表示出来，因此，在混凝土泵车的液压系统中，功率键合图主要是用来表示系统功率的流向、分配等流动情况。根据键合图的本质特征，可以将多有的能量分为势变量和流变量两种，于功率的特性有着高度的相似性，因此，被用于液压系统数学模型的建模中。

在混凝土泵车的液压系统中，数学模型是根据混凝土摆动系统的键合图模型推导出来的，而键合图模型是根据泵送系统原理图构建的，其中，摆动系统的相关结构参数包括摆缸无杆腔面积、摆缸有杆腔面积、摆缸质量、s阀转动惯量等，因此，建立的数学模型与实际情况非常接近，可以根据不同的工况要求进行活塞位移曲线、换向等操作，从而对泵送压力进行详细分析，以给混凝土泵车液压系统中的泵送系统的开式双回路系统的研究提供有利依据。

4.液压系统仿真模型

一般情况下，混凝土泵车液压系统中，仿真建模运用的软件是Matlab中Simulink可视化仿真工具，具有方便、快捷和高效的特性，使模型更加逼真、生动，大大提高了编程的工作效率，可以优化选择参数，提高设计的合理性。Simulink模型主要有输入信号源、系统和接收模块三个板块，有初始化和模型执行两个仿真阶段，根据上述液压系统数学模型的构建过程，在Matlab环境下，依据相关建模规则，将数学模型转化为Simulink仿真模型，可以很方便的进行泵送回路和分配回路的仿真模型。

根据仿真模型的建模规则和泵送系统的功率键合图以及动态数学模型，可以实现对泵送系统Simulink仿真模型建模，由于仿真系统中缺少摆动系统，因此，设置了换向信号s模块，用以模拟液压缸的运动规律，提高仿真模型的可行性。同样情况下，根据仿真模型的建立规则、摆动系统的功率键合图和动态数学模型可以进行摆动系统Simulink仿真模型建模，其中，由换向信号s给摆动系统提供换向供油信号，周期是由用户来设定的。

在混凝土泵车的液压系统中，仿真模型的建立是在Simulink中将泵送和换向系统模块，然后进行换向信号的处理和修改就可以了。在仿真模型系统中，设置换向模块，可以推动摆动系统的运转，因此，液压系统仿真模型的建立是由泵送系统和摆动系统联合完成的，从而实现活塞的往复运动和换向信号操作，进而对泵车压力的情况进行研究。

5.实验分析

实验运用的是一台泵车、ulti System多功能测量仪和其它设备等，通过打水实验方法来采集主油泵出口的压力曲线、摆动油缸压力曲线和不同工况下的换向次数来确定模型的精确度和准确可靠性，从而确定模型的真实有效性，对于改进和设计混凝土泵车液压系统具有重要意义。

6.结束语

随着经济全球化发展趋势的不断加剧，高科技信息技术的不断推广和应用，使人们的生活方式变得越来越方便和快捷，推动全球经济的可持续发展。基于功率键合图的混凝土泵车液压系统建模与仿真研究，有利于提高泵车液压系统的稳定性，对于提高混凝土泵车液压系统的设计水平具有重要现实意义。

参考文献

[1]马志刚，高钦和，李晓丽.基于功率键合图的液压系统动态特性仿真研究[A].’2010系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C].，2010～4.

[2]刘会勇，李伟，彭秀英，胡园，赵青.混凝土泵车臂架液压系统建模与仿真研究[J].工程设计学报，2010，04：253 257+277.

[3]刘蕾，曾发林，王超，曾育平.混凝土泵车泵送系统缓冲效果仿真研究[J].机床与液压，2011，13：110 113.

[4]唐宏宾.混凝土泵车泵送液压系统故障诊断关键技术研究[D].中南大学，2012.