摊铺机提升液压系统仿真研究

冯虎崔竹君高荣

文章编号：1000033X（2016）12010105

收稿日期：20160530

摘要：为了减小摊铺机提升液压系统的吸空现象对路面质量的影响，从结构和液压2个角度对提升系统进行分析，通过对液压系统的研究，使用AMESim仿真软件构建摊铺机提升液压系统模型，优化原提升系统存在的吸空问题，并验证了优化方案。结果表明，优化方案能够有效改善提升液压系统吸空现象对路面平整度的影响，仿真分析方法具有可行性。

关键词：摊铺机；提升液压系统；仿真；吸空现象

中图分类号：U415.521文献标志码：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

沥青混凝土摊铺机是公路、市政道路、机场等道路建设过程中必不可少的路面施工机械之一，主要用于完成沥青混凝土的摊铺，以形成一定厚度、宽度及密实度的平整路面，在各种路面建设工程中被广泛应用，可大大提高施工效率，降低劳动强度，同时显著提高路面质量[12]。

平整度作为高等级路面质量的关键评价参数之一，在路面施工过程中需进行重点控制[3]。提升系统是摊铺机的一个液压系统，其主要作用是通过改变提升油缸的工作状态，调整熨平板的姿态[4]。目前在施工用户反馈中发现提升液压系统在熨平板浮动状态下存在吸空现象，直接影响摊铺路面的平整度。为进一步研究提升系统的工作过程，本文运用AMESim软件对提升液压系统进行仿真研究，再现提升油缸的吸空现象，并分析原因，提出新的方案，为以后摊铺机提升液压系统的设计提供支撑。

1摊铺机工作装置

摊铺机工作装置主要包括熨平装置和振捣梁，其作用是将摊铺槽内全幅宽度的沥青混凝土摊平、捣实和熨平，如图1所示。摊铺机在停车起步阶段，提升油缸处于闭锁状态，避免熨平板产生位移；摊铺机在工作状态中，熨平板处于浮动状态，提升油缸大小腔均与油箱连通，回路压力较低，在浮动过程中易出现吸空现象，产生负压。因此，提升油缸由浮动状态切换至闭锁状态时，由于吸空存在负压[5]，建压需要一定时间，此过程中熨平板会产生向上或向下的位移，造成路面出现起拱或压痕。

图1摊铺机工作装置

2仿真模型建立

2.1AMESim软件

AMESim（Advaneed Modeling Enviroment for Simulation of engineering systems）是法国IMAGINE公司在1995年推出的一种涉及液压、机械、电气等多学科领域的仿真建模平台软件。该软件采用基于物理模型的图形化建模方式，使用户在仿真过程中无需推导复杂的数学公式，不要求仿真建模人员具备高水平的编程能力，降低了对操作人员专业知识的要求，使更多的用户能够更高效地将仿真分析方法运用到物理系统的设计中。

工程机械液压系统仿真建模常用库包括Signal&Control、Mechanical、Hydraulic三个元件库。如果现有元件库中没有合适的模型，可以运用元件设计库来搭建适合的元件模型。

2.2现有系统仿真模型

以某型号摊铺机的提升液压系统工作回路为研究对象，该回路由提升油缸、提升换向阀、闭锁阀、浮动阀等部件组成。当摊铺机正常摊铺时，提升换向阀处于中位，闭锁阀、浮动阀都处于导通位，提升液压缸大小腔通过闭锁阀、浮动阀、提升换向阀与油箱相通，从而使提升液压缸处于浮动状态。

（1）在AMESim仿真软件中，以草图模式建立提升液压系统仿真模型。按照提升液压系统工作原理，利用Sketch模式，调用系统提供的液压库、信息库、机械库建立提升系统工作回路模型，如图2所示。

图2提升系统仿真模型

（2）在子模型模式下，为每个图形模块选取子模型。模型中不考虑热工水力学，因此所有的元件模型均选取默认子模型。

（3）在参数模式下，按照实际系统参数设置仿真模型各元件相应参数。设置液压油液参数如表1所示；设置提升油缸参数如表2所示；设置浮动阀前阻尼孔参数如表3所示；设置提升换向阀参数如表4所示。

为搭建好系统各元件子模型，提升换向阀信号、闭锁阀信号、浮动阀信号、负载信号均为实测数据，如图3所示，将实测数据保存为文本文档，并导入模型中。根据实测数据中提升油缸的两腔压力和面积，忽略结构、摩擦、油液渗漏、管路损失等因素的影响，得出提升油缸在作业过程中所承受的负载信号，如图4、5所示。通过设置负载信号、各个阀的换向信号，模拟了提升液压系统的实际工作过程。其中，5792～7591 s为提升油缸浮动时刻。

（4）在运行模式下，进行提升液压系统仿真，设置仿真时间为80 s、仿真步长为001 s、运行方式为单个仿真，仿真结果如图6所示。提升油缸无杆腔压力实测与仿真对比如图7所示。

由图6、7可知，实测数据曲线与仿真数据曲线趋势基本吻合，但由于仿真模型中忽略了提升油缸结构等的影响，致使曲线存在一些区别。在仿真模型中，由于浮动状态下提升油缸的两腔连通，当油缸中一腔出现吸空现象时，油液无法及时补充，受负载力的影响，导致两腔压力都出现负值。在实际提升液压系统中，当熨平板处于浮动时刻时，提升油缸的活塞杆由于受负载力较大，加速了油缸向上或者向下运动[67]；此时提升油缸的有杆腔和无杆腔从T口管路吸油，但由于提升油缸安装位置高于油箱液位，且提升液压系统油液会有一定泄漏，致使油液无法及时补充至提升油缸两腔，导致提升油缸产生吸空现象，出现负压。

2.3优化后仿真模型

为了减小提升系统吸空现象对摊铺路面质量的影响，对摊铺机提升液压系统进行优化，提出一种新的提升液压系统。该系统通过引入先导式溢流阀、二位二通电磁换向阀，使提升液压系统具有了二级调压功能，即提升系统在提升、下降、闭锁状态时与浮动状态具有不同的系统工作压力；在浮动状态下，系统以较低的压力值工作，同时向提升油缸的两腔及时补油；在回油路上通过单向阀建立一定的背压，防止浮动状态下提升油缸出现吸空现象导致的负压，减小或消除摊铺机停车起步过程中因提升油缸产生位移而造成路面的压痕和起拱。

（1）改进方案的仿真模型如图8所示。通过压力控制阀的组合，等效了先导溢流阀的两级设定值，利用两位两通电比例阀的换向，实现换向前后压力控制阀先导口具有不同的先导作用力，然后再与先导作用面积系数相乘，从而使压力控制阀实现了在提升、下降、闭锁状态与浮动状态不同的压力开启设定值，进一步使提升液压系统具有了不同的工作压力。

（2）在子模型模式下，同样不考虑热工水力学，所有元件模型均选取默认子模型。

（3）在参数模式下，按照实际系统参数设置仿真模型中各元件相应参数，压力控制阀端口的压力作用面积比分别设置为0、1、12 N；设置两位两通电比例阀的信号如图9所示；设置单向阀开启压力为25 bar。

（4）在运行模式下，运行改进后的提升液压系统仿真模型，设置仿真时间为80 s、仿真步长为001 s，仿真结果如图10所示。

由图6、10可以看出，改进后提升油缸两腔压力不再出现负压，提升油缸吸空现象得到了明显改善。改进后，当提升油缸开始浮动时，受负载力影响较大，大约有2 s处于吸空状态，此时系统以低压向提升油缸供油，及时补充吸空状态供油不足的情况，并使油缸两腔压力达到基本一致，有效地减小了摊铺机停车起步过程中因提升油缸产生位移造成路面的压痕和起拱；同时，在浮动状态下，提升液压系统以较小的压力值溢流，降低了系统的压力损失。

3实测数据验证

以某型号改进前后的摊铺机为作业对象，分别在同一段稳定土层上进行摊铺作业。打开前进开关，在熨平板浮动状态下，通过压力传感器记录提升油缸两腔的压力变化，压力曲线如图11、12所示。

由图12可以看出，在同一稳定土层上摊铺，当熨平板处于浮动状态时，改进前提升油缸的无杆腔压力长时间处于负压状态，改进后提升油缸的无杆腔压力为负压的时间大大缩短，提升系统的吸空现象得到了明显改善。

4结语

（1）运用AMESim仿真软件可以方便快捷地构建提升液压系统的图形化仿真模型；按照实际系统参数设置模型元件参数，对提升液压系统存在的问题进行分析及改进，可有效提高研发效率，降低研发成本。

（2）在现有提升液压系统的基础上，提出通过使用先导式溢流阀、二位二通电磁换向阀，使提升系统在提升、下降、闭锁状态与浮动状态具有不同的工作压力，实现了二级调压。在浮动状态下，系统以较低的压力值向提升油缸补油；在回油路上通过单向阀建立了一定背压，防止浮动状态下提升油缸出现吸空现象导致长时间的负压，减小或消除摊铺机停车起步过程中因提升油缸产生位移造成路面的压痕和起拱，从而提高摊铺路面质量。

（3）通过对改进后的提升液压系统进行仿真分析，得出以下结论：提升油缸两腔出现负压的时间明显缩短，吸空现象明显改善；同时，浮动状态下，提升液压系统以较小的压力值溢流，降低了系统的压力损失。

（4）实际摊铺作业验证结果显示：改进后的提升液压系统相比改进前吸空现象明显改善，与仿真分析结果趋势一致，验证了摊铺机提升液压系统仿真模型的准确性及AMESim仿真分析方法的可行性。

参考文献：

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[责任编辑：高甜]