電動(dòng)葫蘆能效建模與仿真

秦偉皓，王松雷，陸忠華，徐榕

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214174)

電動(dòng)葫蘆能效建模與仿真

秦偉皓1，王松雷2，陸忠華2，徐榕1

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214174)

摘要：提出了一種用于評(píng)價(jià)電動(dòng)葫蘆能效的指標(biāo)——能效系數(shù),并給出了用于計(jì)算能效系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink中進(jìn)行相應(yīng)的仿真。以CD116-9型電動(dòng)葫蘆為例，探究了負(fù)載和行程對(duì)能效系數(shù)的影響規(guī)律。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的正確性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果之間的差異進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)葫蘆；能效數(shù)學(xué)模型；能效仿真模型；能效系數(shù)；能效測(cè)試

Modeling and Simulation for Electric Hoists’ Energy Efficiency

QIN Weihao1， WANG Songlei2,LU Zhonghua2, XU Rong1

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；

2. Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection, Wuxi Branch, Wuxi 214174, China)

Abstract:This paper introduceds energy efficiency coefficient which can be used as an index for evaluating electric hoists’ energy efficiency, gives out its mathematical model and builds its simulation model in MATLAB/Simulink environment. In addition, it also uses the simulation model to discuss the influence of two factors on the energy efficiency efficient. And then it validates our simulation results by field test and analyzes the differences between simulation and test results.

Keywords:electric hoist; energy efficiency mathematical model; energy efficiency simulation model; energy efficiency coefficient; energy efficiency test

0引言

節(jié)約能源是一項(xiàng)重要措施，能夠在一定程度上提高經(jīng)濟(jì)效益，是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必然要求。以電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)是使用量最大、數(shù)量增長(zhǎng)最快的起重機(jī)品種。研究電動(dòng)葫蘆的能效測(cè)試方法，對(duì)電動(dòng)葫蘆能效等級(jí)劃分、能效檢測(cè)和節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能監(jiān)管等都具有重要意義。

目前尚未發(fā)現(xiàn)將電動(dòng)葫蘆作為完整的機(jī)構(gòu)進(jìn)行能效測(cè)試和評(píng)價(jià)對(duì)象的國(guó)外文獻(xiàn)[1]，國(guó)內(nèi)在電動(dòng)葫蘆領(lǐng)域能耗測(cè)試方法領(lǐng)域的研究和應(yīng)用剛剛起步[2]，僅有少量的研究成果。目前對(duì)于電動(dòng)葫蘆的能效研究存在以下一些不足[3]：1) 目前采用的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)不太適用于以起降循環(huán)為基本運(yùn)行單位的電動(dòng)葫蘆；2) 對(duì)于電動(dòng)葫蘆能效的理論分析涉及很少；3) 沒(méi)有系統(tǒng)的研究各種影響因素對(duì)電動(dòng)葫蘆能效影響的規(guī)律[4]，而這些規(guī)律是制定合理的能效測(cè)試方法的依據(jù)。文中針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，做了一些探索。

1電動(dòng)葫蘆的分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為分類標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)通常將電動(dòng)葫蘆分為常速鋼絲繩電動(dòng)葫蘆、常慢速鋼絲繩電動(dòng)葫蘆、環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆、板鏈電動(dòng)葫蘆等幾種型式。

雖然電動(dòng)葫蘆的具體形式很多，但是從結(jié)構(gòu)組成和傳動(dòng)形式上來(lái)看則大同小異。現(xiàn)以常見(jiàn)的CD型鋼絲繩電動(dòng)葫蘆為例。CD型鋼絲繩電動(dòng)葫蘆由驅(qū)動(dòng)部分、制動(dòng)部分、傳動(dòng)部分和取物纏繞部分組成[1]。其中驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)兩個(gè)裝置是合二為一的錐形制動(dòng)鼠籠電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)裝置為三級(jí)或四級(jí)圓柱齒輪減速器，取物裝置為吊鉤、鋼絲繩和卷筒。從結(jié)構(gòu)組成和能量傳遞的角度來(lái)看，可將電動(dòng)葫蘆劃分為電氣傳動(dòng)部分和機(jī)械傳動(dòng)部分。需要注意的是，電動(dòng)葫蘆的制停采用的是二合一錐形電機(jī)的錐形制動(dòng)器，是一種機(jī)械制動(dòng)。CD型鋼絲繩電動(dòng)葫蘆在下降物時(shí)，采用的是回饋制動(dòng)方式，由錐形驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供與重物的重力矩相互抵消的電磁轉(zhuǎn)矩。

2電動(dòng)葫蘆運(yùn)行特點(diǎn)

電動(dòng)葫蘆的驅(qū)動(dòng)電機(jī)承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由兩部分組成：一部分是由吊鉤上重物的重力產(chǎn)生的位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz；另一部分是由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦產(chǎn)生的阻抗性負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf。為簡(jiǎn)化分析，當(dāng)電動(dòng)葫蘆提升或者下降重物時(shí)，忽略摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，僅考慮由重力產(chǎn)生的位能性轉(zhuǎn)矩TZ。而當(dāng)電動(dòng)葫蘆空鉤上升和下降時(shí)，忽略吊鉤的質(zhì)量，僅考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf[2]。電動(dòng)葫蘆在各種負(fù)載狀態(tài)下的工作特性如圖1所示。

圖1　電動(dòng)葫蘆四象限運(yùn)行時(shí)的工作特性

當(dāng)電動(dòng)葫蘆提升重物時(shí)，錐形驅(qū)動(dòng)電機(jī)將沿第一象限的機(jī)械特性曲線ab加速運(yùn)行，并最終穩(wěn)定在b點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程中，電機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)，從電網(wǎng)中吸收有功電能。當(dāng)電動(dòng)葫蘆下降重物時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將首先沿著第三象限的機(jī)械特性曲線a’c’加速運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于同步速，處于反向電動(dòng)狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收電能。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高，電機(jī)將繼續(xù)沿著第四象限的機(jī)械特性曲線c’b’加速運(yùn)行，并最終穩(wěn)定在b’點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程之中，電機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)，向電網(wǎng)回饋電能。

當(dāng)電動(dòng)葫蘆空鉤上升時(shí)，電機(jī)的工作特性與提升重物時(shí)是相同的，只是電機(jī)承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為較小的摩擦轉(zhuǎn)矩。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍然沿第一象限的機(jī)械特性曲線加速運(yùn)行，但最終穩(wěn)定在d點(diǎn)。此時(shí)電機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)，從電網(wǎng)中吸收有功電能。而當(dāng)電動(dòng)葫蘆空鉤下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將沿第三象限的機(jī)械特性曲線a’d’加速運(yùn)行并最終穩(wěn)定在d’點(diǎn)。整個(gè)過(guò)程中，電機(jī)始終處于反向電動(dòng)狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收電能。

3電動(dòng)葫蘆能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

電動(dòng)葫蘆是一種間歇工作的垂直運(yùn)輸工具，運(yùn)送的載荷屬于位能性負(fù)載。通常的工作方式是將一定量的載荷運(yùn)送到上方，也需將這些載荷運(yùn)回到下方，上下運(yùn)送量基本相等。電動(dòng)葫蘆的能效評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)一個(gè)包含上升和下降兩個(gè)過(guò)程的完整工作循環(huán)進(jìn)行考察，而不單單是考察上升或者下降過(guò)程中的效率，因此不能簡(jiǎn)單借用傳統(tǒng)的以單向能量傳遞為主要工作形式的能效指標(biāo)(如：電動(dòng)機(jī)的效率)。

為了體現(xiàn)電動(dòng)葫蘆以起降工作循環(huán)作為運(yùn)行基本單位的工作特點(diǎn)，提出以電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)δ作為評(píng)價(jià)電動(dòng)葫蘆能源利用效率的指標(biāo)。電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)是指完成單位輸送量kgm(千克米)的用電量J(焦耳)。

電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)δ的定義式如下：

式中：δ——電動(dòng)葫蘆的能效系數(shù)，單位為J/kgm；

Ec——電動(dòng)葫蘆在規(guī)定的工作循環(huán)內(nèi)，從電網(wǎng)輸入的電能(測(cè)試值)，單位是J；

Wz——電動(dòng)葫蘆在測(cè)試周期內(nèi)，吊鉤運(yùn)送有效載荷完成的工作量，即每次運(yùn)送的有效載荷質(zhì)量m(負(fù)載)與被移動(dòng)的垂直起升距離h(行程)之乘積，單位為kgm；

Ec1——起升重物的過(guò)程中，電動(dòng)葫蘆從電網(wǎng)中吸收的有功電能，單位是J；

根據(jù)能效系數(shù)的定義可知：能效系數(shù)越大表明完成單位工作量時(shí)浪費(fèi)的電量越多，則電動(dòng)葫蘆的能效越低。

采用能效指標(biāo)δ對(duì)電動(dòng)葫蘆的能效進(jìn)行評(píng)價(jià)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1) 物理含義清晰，能夠直觀地反應(yīng)出電動(dòng)葫蘆的能耗水平。2) 這個(gè)指標(biāo)可以把重物的上升和下降過(guò)程統(tǒng)一在一起，可以反映電動(dòng)葫蘆以起降工作循環(huán)為基本工作單位的特點(diǎn)。3) 能效系數(shù)指標(biāo)的建立思想與世界能源委員會(huì)對(duì)“能源效率”定義——“減少提供同等能源服務(wù)的能源投入”的思想基本一致。

4電動(dòng)葫蘆能效數(shù)學(xué)模型

常見(jiàn)的電動(dòng)葫蘆可以分解為電氣傳動(dòng)部分和機(jī)械傳動(dòng)部分2個(gè)組成部分。

電動(dòng)葫蘆的電氣傳動(dòng)部分的關(guān)鍵是鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。為了能夠更加精確地描述電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)電機(jī)采用瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型加以描述。在自然坐標(biāo)系下電機(jī)的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的常微分方程組，為了計(jì)算的方便，先給出驅(qū)動(dòng)電機(jī)在正交旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q-0坐標(biāo)系下的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型[3]。然后再通過(guò)坐標(biāo)反變換，將d-q-0坐標(biāo)系下的各個(gè)電量還原到自然坐標(biāo)系中，再進(jìn)行電機(jī)部分的能量傳遞和損耗分析。

電動(dòng)葫蘆的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在d-q-0坐標(biāo)系下的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型主要由狀態(tài)變量的初始值和狀態(tài)方程兩部分組成，如式(1)。

電動(dòng)葫蘆的機(jī)械傳動(dòng)部分則采用等效折算的方法，即將負(fù)載的重力矩折算為電機(jī)軸上等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并將位于不同軸位置上的飛輪矩折算為電機(jī)主軸上的等效飛輪矩，將機(jī)械傳動(dòng)部分的多軸系統(tǒng)等效為一個(gè)單軸系統(tǒng)。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式(2)確定。

起升重物時(shí)：

(2)

式中，t1為起升重物階段電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)刻，t2為起升重物階段電機(jī)斷電的時(shí)刻。

下降重物時(shí)：

(3)

顯然，當(dāng)給出電機(jī)的輸入電壓參數(shù)以及重物的質(zhì)量m時(shí)，并將電機(jī)參數(shù)代入方程，就可以通過(guò)求解方程得到ids、iqs、idr、iqr以及重物的線速度vL。

為了得到電機(jī)的輸入功率，還需要求解在自然坐標(biāo)系下的電機(jī)定子電流iA、iB、iC。iA、iB、iC與ids、iqs存在如下的關(guān)系：

(4)

其中，θc=θc(0)+2πf(t2-t1)；t1為電機(jī)通電的時(shí)刻；t2為電機(jī)斷電的時(shí)刻。

將上面求解的結(jié)果帶入到能效系數(shù)δ的計(jì)算公式：

(5)

就得到了電動(dòng)葫蘆的能效數(shù)學(xué)模型。

5電動(dòng)葫蘆能效仿真

5.1電動(dòng)葫蘆能效仿真模型

上述一節(jié)中建立的電動(dòng)葫蘆能效數(shù)學(xué)模型是一個(gè)復(fù)雜的非線性常微分方程組，無(wú)法得到其解析形式解，只能借助數(shù)值計(jì)算方法，在此借用MATLAB的仿真工具箱Simulink中建立與數(shù)學(xué)模型相應(yīng)的電動(dòng)葫蘆能效仿真模型。該仿真模型包含起升重物過(guò)程能效仿真和下降重物過(guò)程能效仿真兩部分，兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)大致相同。下面以起升重物過(guò)程能效仿真模型為例，說(shuō)明仿真模型的構(gòu)成。起升重物過(guò)程電動(dòng)葫蘆能效仿真模型的電氣傳動(dòng)部分和機(jī)械傳動(dòng)部分的仿真模型分別如圖2和圖3所示。

圖2　電動(dòng)葫蘆的電氣傳動(dòng)部分仿真模型

圖3　電動(dòng)葫蘆的機(jī)械傳動(dòng)部分仿真模型

將上述的兩個(gè)模型連接在一起就可以得到電動(dòng)葫蘆起升重物過(guò)程的能效仿真模型。采用同樣的方法可以得到電動(dòng)葫蘆下降重物過(guò)程的能效仿真模型。

以CD116-9型電動(dòng)葫蘆為例設(shè)定仿真模型參數(shù),通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)初步驗(yàn)證能效仿真模型的合理性。CD116-9型電動(dòng)葫蘆以及所用的電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1　CD1 16-9型電動(dòng)葫蘆銘牌參數(shù)

表2　CD1 16-9型電動(dòng)葫蘆錐形

圖4從上到下顯示的依次是起升重物過(guò)程中電機(jī)的定子A相電流、轉(zhuǎn)子a相電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。從圖4可以看出，電動(dòng)機(jī)的速度在經(jīng)歷了短暫波動(dòng)以后維持在一個(gè)略小于同步速的穩(wěn)定速度上；啟動(dòng)過(guò)程明顯，剛啟動(dòng)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子的沖擊電流很大，在勻速狀態(tài)下電流輸出穩(wěn)定，符合實(shí)際情況。圖5顯示的是電動(dòng)葫蘆起升重物過(guò)程中電機(jī)從電網(wǎng)獲得的有功功率(實(shí)線)和無(wú)功功率(虛線)。可以看出，在電機(jī)啟動(dòng)瞬間的瞬時(shí)功率較高，隨后恢復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的水平，反映了電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中瞬時(shí)電流沖流。

圖4　電動(dòng)葫蘆上升過(guò)程仿真模型中電機(jī)模塊的輸出

圖5　電動(dòng)葫蘆上升過(guò)程有功功率和無(wú)功功率仿真結(jié)果

圖6從上到下顯示的依次是下降重物過(guò)程中電機(jī)的定子A相電流、轉(zhuǎn)子a相電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。從圖6可以看出，電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行速度略大于同步速，這是回饋制動(dòng)的一個(gè)特點(diǎn)；而且速度的穩(wěn)定值是一個(gè)負(fù)值，體現(xiàn)了下降過(guò)程的轉(zhuǎn)速與上升過(guò)程轉(zhuǎn)速相反的特點(diǎn)。圖7顯示的是電動(dòng)葫蘆下降重物過(guò)程中電機(jī)從電網(wǎng)獲得的有功功率(實(shí)線)和無(wú)功功率(虛線)。可以看出：在啟動(dòng)開始階段，有功功率為正值，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值而且穩(wěn)定值保持為一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)值，這與第2節(jié)對(duì)電動(dòng)葫蘆下降重物過(guò)程中工作特性的分析一致，即：電機(jī)先是處于反向電動(dòng)狀態(tài)從電網(wǎng)吸收電能，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)同步速時(shí)則工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)，因此向電網(wǎng)回饋電能。

圖6　電動(dòng)葫蘆下降過(guò)程仿真模型中電機(jī)模塊的輸出

圖7　電動(dòng)葫蘆下降過(guò)程有功功率和無(wú)功功率仿真結(jié)果

5.2兩種影響因素的能效仿真

利用5.1節(jié)建立的能效仿真模型定量地探究負(fù)載和行程這兩種因素對(duì)能效的影響規(guī)律。

在負(fù)載與能效系數(shù)關(guān)系仿真中，設(shè)定仿真模型的起升和下降過(guò)程均為12s，電機(jī)模型的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別依據(jù)負(fù)載為空載、2t、5t、8t、13t、15t和16t來(lái)確定。結(jié)果如圖8所示, 圖中橫坐標(biāo)為負(fù)載，縱坐標(biāo)為能效系數(shù)。在負(fù)載與行程關(guān)系仿真中，設(shè)定電動(dòng)葫蘆負(fù)載恒定為8t，通過(guò)改變起降時(shí)間控制起降高度，起降時(shí)間分別設(shè)為4s,8s,12s,16s,20s,30s,40s,50s。結(jié)果如圖9所示, 圖中橫坐標(biāo)為行程，縱坐標(biāo)為能效系數(shù)。

圖8　CD1 16-9型電動(dòng)葫蘆負(fù)載與能效系數(shù)關(guān)系(仿真)

圖9　CD1 16-9型電動(dòng)葫蘆行程與能效系數(shù)關(guān)系(仿真)

由圖8可以看出CD116-9型鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的能效系數(shù)隨負(fù)載變化的規(guī)律：隨著負(fù)載的增加，電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)先逐漸減小，即電動(dòng)葫蘆對(duì)電能的利用效率逐漸升高；當(dāng)負(fù)載超過(guò)50%額定起重量后，能效系數(shù)隨著載荷的增加變動(dòng)較小，能效系數(shù)的變化逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9反映了CD116-9型鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的能效系數(shù)隨行程變化的規(guī)律：隨著行程的增加，電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)先逐漸減小；當(dāng)行程超過(guò)25%的起升高度后，隨著行程的增加，能效系數(shù)變動(dòng)較小，逐漸趨于某一穩(wěn)定值。

6電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)上述的理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,采用國(guó)家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的電動(dòng)葫蘆多功能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了能效測(cè)試實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)的組成如圖10所示。借助該實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以測(cè)量電動(dòng)葫蘆起降重物的實(shí)際運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間，以及起升重物和下降重物階段輸入電動(dòng)葫蘆的電流有效值、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)。

圖10　電動(dòng)葫蘆多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成

實(shí)驗(yàn)中采用的電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)的計(jì)算公式為：

(6)

式中：重物質(zhì)量為m，重力加速度g=9.8m/s2，提升重物過(guò)程中三相交流電電壓有效值為Ui1(i=1,2,3)，電流有效值為Ii1(i=1,2,3)，功率因數(shù)cosφ1，下降重物過(guò)程中三相交流電電壓有效值為Ui2(i=1,2,3)，電流有效值為Ii2(i=1,2,3)，功率因數(shù)cosφ2，上升和下降時(shí)間均為t。

在負(fù)載與能效系數(shù)關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定起升12s，下降12s，考慮到電動(dòng)葫蘆的持續(xù)負(fù)載率要求，在起降之間暫停10s[4]。負(fù)載分別為空載、2t、5t、8t、13t、15t和16t，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。每種負(fù)載下的能效系數(shù)取該負(fù)載下3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果做在同一張圖11中，其中線1為仿真結(jié)果曲線，線2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。在行程與能效系數(shù)關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，電動(dòng)葫蘆負(fù)載恒定為8t，通過(guò)改變起升、下降的時(shí)間控制起降高度。起升時(shí)間分別設(shè)為4s,8s,12s,16s和20s，每組實(shí)驗(yàn)的起降時(shí)間相同，起降之間的間隔時(shí)間設(shè)為10s，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。同樣每種行程下的能效系數(shù)取該行程下3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果做在同一張圖12中，其中線1為仿真結(jié)果曲線，線2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。

圖11　CD1 16-9型電動(dòng)葫蘆負(fù)載與能效系數(shù)關(guān)系(仿真與實(shí)驗(yàn))

圖12　CD1 16-9型電動(dòng)葫蘆行程與能效系數(shù)關(guān)系(仿真與實(shí)驗(yàn))

從圖12可以看出如下一些特點(diǎn)：1) 仿真結(jié)果值均高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果值。其原因與圖11中出現(xiàn)的仿真結(jié)果高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象的原因是相同的。2) 在行程較小時(shí)，仿真值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大；隨著行程的增加，仿真結(jié)果值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果值越來(lái)越接近。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是，由于起升重物時(shí)啟動(dòng)瞬間的沖擊功率、下降重物時(shí)正的有功功率以及加速階段的速度小于穩(wěn)定速度這些現(xiàn)象的存在，使得仿真結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)行程較小時(shí)，這些效應(yīng)的影響很明顯，因此在圖12中可以看出在行程較小時(shí),仿真的能效系數(shù)遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)的能效系數(shù)。而隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，上述效應(yīng)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中所占的比例越來(lái)越小，對(duì)能效系數(shù)的影響逐漸變得不再明顯，這時(shí)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比較接近。

7結(jié)論

對(duì)電動(dòng)葫蘆的能效進(jìn)行了建模、仿真以及實(shí)驗(yàn)研究，為電動(dòng)葫蘆的能效測(cè)試方法研究打下了基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：

1) 電動(dòng)葫蘆在一個(gè)完整起降循環(huán)過(guò)程中能量的流動(dòng)方向具有如下的特點(diǎn)：電動(dòng)葫蘆在起升重物時(shí)，從電網(wǎng)吸收電能；下降重物時(shí)，向電網(wǎng)回饋電能。電動(dòng)葫蘆在空鉤起降的整個(gè)循環(huán)中，始終從電網(wǎng)吸收電能。根據(jù)這一特點(diǎn)，提出了更適合于評(píng)價(jià)電動(dòng)葫蘆能量利用效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)——能效系數(shù)。

2) 建立了計(jì)算電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。并以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在MATLAB/Simulink中建立相應(yīng)的仿真模型，該模型具有較好的實(shí)用性，為理論研究電動(dòng)葫蘆的能效提供了一種手段。

3) 通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，歸納出了電動(dòng)葫蘆的能效系數(shù)與負(fù)載和行程的關(guān)系：隨著負(fù)載的增加，電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)先逐漸減小；當(dāng)負(fù)載超過(guò)50%額定起重量后，能效系數(shù)的變化逐漸趨于穩(wěn)定。隨著行程的增加，電動(dòng)葫蘆能效系數(shù)先逐漸減?。划?dāng)行程超過(guò)25%的起升高度后，隨著行程的增加，能效系數(shù)變動(dòng)較小，逐漸趨于某一穩(wěn)定值。

參考文獻(xiàn):

[1] 宮本智. 葫蘆式起重機(jī)[M]. 天津: 天津科學(xué)技術(shù)出版社, 2009.

[2]劉錦波，張承慧. 電機(jī)與拖動(dòng) [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

[3]辜承林，陳喬夫，熊永前. 電機(jī)學(xué)[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2005.

[4]JB/T 9008.4-2004. 鋼絲繩電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)方法[S]. 全國(guó)起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì), 2004.

收稿日期：2014-01-10

中圖分類號(hào)：Tp11+.3；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0080-06

作者簡(jiǎn)介：秦偉皓(1986-)，男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。