泵车臂架虚拟样机仿真与压损优化

王琛，丁海港，2，石峰，赵延斌，王福鑫，庞智珍

(1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116；2.江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心(省部共建)，江苏徐州 221116；3.徐州徐工施维英机械有限公司，江苏徐州 221000)

0 前言

臂架液压系统是混凝土泵车的核心，其性能的好坏影响系统的布料能力。泵车臂架负载变化大，变幅机构建模困难。由于臂架长管路布置，臂架液压管路存在较大的压力损失，同时在臂架下落过程中由于平衡阀的作用存在系统压力损失大、臂架抖动问题。建立泵车臂架虚拟样机对认识臂架液压系统压力分布，降低系统压力损失具有重大意义。

韩慧仙、曹显利[1]对混凝土泵车臂架多路阀进行了建模与仿真，得出多路阀的流量由流量阀弹簧预紧力和主阀芯开口共同决定的结论。李涛、刘会勇、金明勇等[2-4]借助AMESim的机械库与液压库建立了泵车液压系统仿真模型，得出了基本的压力、流量曲线。张海平[5]对平衡阀的应用与工作原理进行了详细探究，对多种结构的平衡阀工作原理与特点进行了详细介绍。王建森、王立增等[6-7]对LHDV型平衡阀的动态特性先导阻尼网络等进行了分析，建立了平衡阀数学模型，详细计算了阀口的通流面积，并探究了不同因素对系统稳定性的影响。李小棱[8]对泵车臂架液压平衡回路进行了详细分析，分析系统的动态响应与压力冲击状况。马喆等人[9-10]建立了采摘机与液压系统的联合仿真模型，得到各执行机构的压力、流量、负载、位移等参数随时间变化的曲线并进行了分析，验证了AMESim与Simcenter 3D Montion软件联合仿真的可行性。姜涛等人[11]建立了泵车多体动力学模型，并进行了有限元分析，提出混凝土泵车集成化虚拟设计解决方案。竺箐、宋德朝[12]基于ADAMS软件，建立运动学仿真模型，得到油缸行程曲线和油缸作用力—时间历程图，找出了油缸振动的原因。孙武和[13]对泵车臂架结构进行了系统建模，得到臂架结构线性静力和大变形计算的变形与应力。REN等[14]对泵车臂架动态特性进行了详细分析。王佳茜等[15]对泵车的动力控制系统进行研究，实现了整机功率与负载的精准匹配。通过对现有研究分析发现，当前对泵车臂架机液联合仿真分析的研究较少，且分别研究臂架机械结构与泵车液压系统，高精度机液联合仿真模型较少，对臂架压力分布规律不够明确。

本文作者借助AMESim软件与Simcenter 3D Montion仿真平台建立了62 m泵车臂架虚拟样机模型，并进行了实验验证。利用臂架虚拟样机研究系统的动态特性，揭示系统的压力分布，找出系统压损过高的原因，提出多种降低系统压力损失的方案，并以降低管路压损为例，进行了实验验证。

1 臂架系统工作原理

泵车臂架液压系统主要由负载敏感变量泵1、负载敏感多路阀2、平衡阀3、变幅油缸4组成。臂架液压系统原理如图1所示。

负载敏感变量泵1的油液经负载敏感多路阀2进入平衡阀3.1，此时平衡阀3.1起单向导通作用，单向阀打开进入变幅缸4的无杆腔。变幅油缸的有杆腔油液流入平衡阀3.2，此时平衡阀3.2起液控节流功能，来自平衡阀3.1的控制油液与变幅油缸4的负载压力共同控制平衡阀的开口，最终经负载敏感多路阀流回油箱。

2 虚拟样机建模

2.1 虚拟样机建模技术路线

图2是虚拟样机建模技术路线。在液压系统建模部分，对臂架液压系统建模，并进行验证；在泵车多体动力学部分，借助现有泵车三维模型，建立泵车多体动力学模型，并与实测数据进行对比验证。在完成臂架液压系统、泵车多体动力学模型修正的基础上，由液压系统驱动臂架三维动力学模型进行联合驱动，建立机电液联合仿真虚拟样机，实现臂架机构复合动作的动态特性输出。

图2 臂架虚拟样机建模技术路线

2.2 液压系统建模

借助AMESim软件的液压库、1D机械库，建立液压系统仿真模型。HB62V型泵车第五节臂的进回油管路总长度约94 m，其中钢管总长度为67 m，软管总长度为27 m，故需对臂架长管路进行精准建模。根据泵车管路布置，详细测量管路长度、直径。根据测量结果，借助“Hydraulic Modular Piping”元件，对单根钢管进行建模，分别设定钢管各部分的长度、直径、曲率、弯曲角度等参数。图3是HB62V泵车第五节臂液压管路模型。

图3 HB62V第五节臂管路模型

利用AMESim软件的“超级元件”功能，将长管路模型进行封装。按照系统工作原理，将负载敏感变量泵、负载敏感多路阀、臂架长管路、平衡阀、变幅油缸等元件进行连接，组建臂架液压系统的仿真模型。图4是HB62V液压系统第五节臂仿真模型。表1是HB62V泵车第五节臂仿真模型主要参数。

表1 HB62V泵车第五节臂仿真模型主要参数

图4 HB62V第五节臂液压系统仿真模型

2.3 运动学仿真模型

Simcenter 3D Montion是西门子公司基于NX软件平台所创建的新一代CAE解决方案，为3D CAE将几何体编辑、关联仿真建模以及融入行业专业知识的多学科解决方案相结合，提高软件的兼容性，加快仿真流程。Simcenter 3D Montion集成了快速准确的计算器，可作为独立模拟环境使用。AMESim与Simcenter 3D Montion同为西门子公司推出的软件，两者之间具有稳定、兼容的联合仿真接口，仿真结果更加真实可信。文中液压系统较为复杂，且以液压系统为主要方面进行研究，选取AMESim为主要仿真平台。

首先将Pro/E软件中的三维模型以STEP文件格式导出，导入至NX软件中进行初步处理；三维模型初步处理完成后，打开Simcenter 3D Montion模块创建运动学仿真环境；运动学仿真模型完成后，建立联合仿真接口，替换原有的1D机械库模拟负载，建立泵车臂架虚拟样机模型。图5是臂架运动学仿真模型。

图5 臂架运动学仿真模型

2.4 仿真模型验证

图6是HB62V泵车五臂倒钩展开工况系统压力对比。液压系统的仿真曲线与实测曲线的变化规律相同、趋势一致、数值相近，模型真实度高达92%，说明仿真模型能够真实地模拟实际系统，具有可信性。

图6 五臂倒钩展开工况系统压力对比

3 泵车臂架液压系统压力分布规律

图7是五臂倒钩快速收回工况系统压力分布。图7所示的测压点压力测试值如表2所示。可知：臂架收回工况下系统工作压力接近臂架泵切断压力。系统压力损失主要集中在进、回油长管路和大腔侧平衡阀。其中大腔侧管路压力损失占比最大，约为4.1 MPa，小腔侧管路压力损失为3.29 MPa，大腔侧平衡阀压力损失为2.87 MPa。

表2 五臂倒钩收回工况系统压力分布

图7 五臂倒钩收回工况系统压力分布曲线

4 臂架长管路压力损失仿真分析与优化

由臂架液压系统压力分布曲线可知，系统的压力损失主要集中在回油侧平衡阀、臂架液压长管路。为降低管路压力损失，降低系统压力，提升臂架液压系统的利用率，提出如下3种方案降低系统的压力损失：(1)增大管路通径；(2)选用卸荷型平衡阀；(3)选用运动黏度更好的油液。以管路通径优化为例，进行系统压力损失优化。

当前HB62V五臂液压系统采用通径为8 mm的液压管路。图8是五臂管路现场实测接线图。图9是五臂油缸收回工况8 mm管路压力损失测试曲线。测试工况的油液温度为47～50 ℃，液压缸有杆腔进油流量为12 L/min。

图8 实测管路接线图

图9 五臂油缸收回工况通径8 mm管路压力损失

由测试结果可知，臂架小腔液压管路存在2.86～4.76 MPa的压力损失，大腔侧管路存在1.6～3.03 MPa的压力损失。管路的总压力损失约为4.0～7.5 MPa，能量损失较大，因此需对长管路进行压力优化。

针对长管路压力损失问题提出3种管路扩径方案：(1)方案一：大腔侧管路增大至10 mm(图例为P口至A口通径d1=10 mm)；(2)方案二：小腔侧管路增大至10 mm(图例为P口至B口通径d2=10 mm)；(3)方案三：大、小腔管路同时增大至10 mm(图例为10 mm)。

图10是3种管路通径优化方案的管路压力损失优化对比。表3是收回工况进、回油管路压损优化结果。由仿真结果可得，同时增大大腔侧管路与小腔侧管路通径，对管路压力损失优化的效果最明显，可降低压损55%。

表3 收回工况进、回油管路压损优化

图10 管路通径优化压力损失对比

5 管路压力优化方案测试验证

图11是10 mm管路压力损失测试曲线。表4是收回工况管路优化前、后系统压力损失变化。大、小腔侧管路通径同时增大后，在快速收回工况下，小腔侧管路压力损失降低50%，大腔侧管路压力损失降低60%，系统能耗有效降低，故通过优化管路通径可有效降低系统压力。

表4 收回工况管路优化前后系统压力损失

图11 10 mm管路压力损失测试曲线

6 结论

本文作者基于AMESim与Simcenter 3D Montion软件建立了臂架液压系统虚拟样机模型，并进行了模型验真，揭示了系统的压力分布，找出了系统压损过高的原因，提出了降低管路压力损失的方案。

研究结果表明：

(1)虚拟样机模型精度在90%以上，可真实反映臂架液压系统的动态特性。

(2)臂架液压系统的主要压力损失集中在平衡阀与长液压管路。

(3)五臂倒钩收回工况下，将臂架长管路通径由8 mm增大至10 mm，可使小腔侧管路压力损失降低50%，大腔侧管路压力损失降低60%，可有效降低系统压力。