基于AMESim的液壓絞車(chē)起升性能仿真分析

胡明華,馬來(lái)好，楊杰，陳海泉

基于AMESim的液壓絞車(chē)起升性能仿真分析

胡明華1,馬來(lái)好2，楊杰2，陳海泉2

針對(duì)具體的技術(shù)要求，對(duì)液壓絞車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、鋼絲繩長(zhǎng)度，以及剛度等參數(shù)對(duì)絞車(chē)性能的影響，結(jié)果表明，鋼絲繩長(zhǎng)度和剛度對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速影響較小，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和鋼絲繩剛度對(duì)吊重起升速度影響較大，鋼絲繩長(zhǎng)度影響次之。

液壓絞車(chē)； AMESim；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；起升性能

液壓絞車(chē)是利用液壓馬達(dá)直接或通過(guò)減速器帶動(dòng)卷筒纏繞鋼繩來(lái)提升重物的起重設(shè)備[1]。由于其具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、安全性好、噪聲小、操作可靠、低速穩(wěn)定性好及效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶、港口、建筑、冶金等行業(yè)[2]。隨著工程技術(shù)不斷發(fā)展，絞車(chē)的速度越來(lái)越快，負(fù)載慣性越來(lái)越大，絞車(chē)系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控也就變得越來(lái)越困難[3]，因此，掌握絞車(chē)相關(guān)技術(shù)參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律，有助于改善絞車(chē)的調(diào)控效果。針對(duì)5 t吊重以0.8 m/s速度起升的技術(shù)要求，采用AMESim軟件對(duì)液壓絞車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行建模并數(shù)值仿真，研究系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、鋼絲繩長(zhǎng)度及剛度等參數(shù)對(duì)液壓絞車(chē)起升性能的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)出控制精準(zhǔn)、性能優(yōu)良的液壓絞車(chē)系統(tǒng)提供參考和依據(jù)。

1 絞車(chē)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，液壓油從油箱1中經(jīng)濾器3進(jìn)入主泵6和輔泵7中，主泵6排出的液壓油經(jīng)電磁換向閥8流向液壓馬達(dá)15，輔泵7排出的液壓油經(jīng)電磁換向閥9流向制動(dòng)器16。電磁換向閥8控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向，決定液壓絞車(chē)的起升或下放操作。電磁換向閥9和液動(dòng)換向閥13配合控制制動(dòng)器的脫開(kāi)或閉合。溢流閥4和12分別限定控制油路和工作油路的最高壓力，平衡閥11能夠使絞車(chē)的貨物下放操作更加平穩(wěn)。另外，節(jié)流閥10的開(kāi)度調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)的速度控制，即改變絞車(chē)的工作轉(zhuǎn)速[4]。液壓系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)見(jiàn)式(1)～式(6)

F=Mg

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：F為鋼絲繩牽引力，N；M為吊重質(zhì)量，kg；D為絞車(chē)滾筒直徑，m；Mw為絞車(chē)滾筒負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；v為吊重速度，m/s；nw為絞車(chē)滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速比；Mm為油馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；nm為油馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；qm為油馬達(dá)排量，mL；p為系統(tǒng)工作壓力，MPa；ηm為油馬達(dá)的機(jī)械效率。

取絞車(chē)滾筒直徑0.5 m，減速比20，系統(tǒng)工作壓力30 MPa，油馬達(dá)的機(jī)械效率0.95，計(jì)算得出油馬達(dá)的轉(zhuǎn)速約為610 r/min，排量為138 mL。

2 系統(tǒng)AMESim模型建立

采用面向系統(tǒng)原理圖建模的AMESim軟件進(jìn)行液壓系統(tǒng)建模，利用軟件中的信號(hào)庫(kù)、液壓庫(kù)和機(jī)械庫(kù)中的子元件搭建整體仿真模型，包含液壓泵模型、電磁換向閥模型、節(jié)流調(diào)速閥模型、平衡閥模型、高壓溢流閥組模型、油馬達(dá)模型、減速器模型、鋼絲繩模型，以及吊重模型等，如圖2所示。

3 性能分析

基于上述計(jì)算結(jié)果，仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。為探討液壓絞車(chē)的起升性能，分別改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、鋼絲繩長(zhǎng)度及剛度等參數(shù)，在分析影響因素時(shí)，設(shè)定其他參數(shù)不變。通過(guò)AMESim中的批處理進(jìn)行仿真對(duì)比，以分析液壓絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的變化情況[5-6]。

表1 仿真系統(tǒng)中的主要參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的影響

保持其他系統(tǒng)參數(shù)不變，改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，增大系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的穩(wěn)態(tài)值基本保持在30.5 r/min和0.8 m/s不變，但絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為能量波動(dòng)的一種存儲(chǔ)，其值較大能夠較好地平穩(wěn)系統(tǒng)響應(yīng)波動(dòng)，這對(duì)平穩(wěn)吊重的速度波動(dòng)影響尤為明顯。

3.2 鋼絲繩長(zhǎng)度對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的影響

鋼絲繩為撓性件，對(duì)其受力分析[7]。

(7)

(8)

式中：Δl為鋼絲繩伸長(zhǎng)量；K為鋼絲繩總剛度；Kp為單位長(zhǎng)度鋼絲繩的剛度；L為鋼絲繩的長(zhǎng)度。

由式(7)、(8)可見(jiàn)，當(dāng)長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，鋼絲繩的總剛度也發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量也會(huì)發(fā)生變化，而且長(zhǎng)度變化也會(huì)伴隨自重的變化，都會(huì)影響系統(tǒng)的起升性能。保持其他系統(tǒng)參數(shù)不變，改變鋼絲繩長(zhǎng)度，對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，隨著鋼絲繩長(zhǎng)度的增加，絞車(chē)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)變化和穩(wěn)態(tài)值基本不變，影響較小，而吊重速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，波動(dòng)加劇，這主要是因?yàn)殇摻z繩長(zhǎng)度增加，剛度減小，內(nèi)部形變量增大[8]。

3.3 鋼絲繩剛度對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的影響

保持其他系統(tǒng)參數(shù)不變，改變鋼絲繩剛度，對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，隨著鋼絲繩剛度的增加，絞車(chē)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變化不明顯，而吊重速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變快，超調(diào)量減少，更為明顯的是穩(wěn)定性增加，波動(dòng)減小?？梢?jiàn)鋼絲繩剛度的增加有利于降低吊重起升的振動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[9]。

4 結(jié)論

1)適當(dāng)增加系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以降低吊重起升的振動(dòng)。增大系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后，絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的穩(wěn)態(tài)值基本保持在30.5 r/min和0.8 m/s不變，但絞車(chē)轉(zhuǎn)速和吊重速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，其值較大能夠較好地平穩(wěn)系統(tǒng)響應(yīng)波動(dòng)。

2)鋼絲繩長(zhǎng)度和剛度對(duì)絞車(chē)轉(zhuǎn)速影響較小，對(duì)吊重起升的振動(dòng)影響較大。鋼絲繩長(zhǎng)度的減小和剛度的增加有利于降低吊重起升的振動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

[1] 衛(wèi)振勇.基于AMESim的液壓絞車(chē)液壓系統(tǒng)研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2011(5):71-73.

[2] 汪宇亮.基于AMESim的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障仿真研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[3] 徐廣闊.大功率液壓絞車(chē)新型液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 米雙山,付久長(zhǎng).AMESim在液壓系統(tǒng)故障仿真中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2013(11):183-186.

[5] 陸敏恂,李夢(mèng)如,李萬(wàn)莉,等.新型液壓能量回收絞車(chē)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009(7):964-968.

[6] 謝安桓,宋金威,喻峰.曳綱絞車(chē)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制研究[J].液壓與氣動(dòng),2014(10):11-16.

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[8] 張笑,胡元,秦家升.基于AMEsim的液壓千斤頂優(yōu)化仿真探究[J].煤礦機(jī)械,2012(11):49-50.

[9] 馮林,張新福.基于模糊自適應(yīng)PID的波浪補(bǔ)償控制器研究[J].船舶工程,2012(7):107-109.

[10] 高立龍.基于AMESim的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的仿真研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2015(12):64-68.

[11] 胡明華.基于AMESim-Simulink的船舶液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真研究[J].船舶工程,2015(12):28-30.

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170；2.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

Simulation of Lifting Performance of Hydraulic Winch Based on AMESim

HU Ming-hua1, MA Lai-hao2, YANG Jie2, CHEN Hai-quan2

(1.Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China;2.Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

The hydraulic winch system was designed for 5 ton crane with the lifting speed of 0.8 m/s. The model of the system was established in AMESim to analyze the influence of the parameters upon the performance of the winch, such as the inertia of the system, the length of the wire rope and the rigidity of the wire rope. The results showed that the length and rigidity of the wire rope had little effect on the rotation speed of the winch, the inertia of the system and the rigidity of the wire rope had a greater influence on the lifting speed of the crane than the length of the wire rope.

Hydraulic Winch; AMESim; System Design; Lifting Performance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.022

2016-11-17

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上資助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(16KJB580013)

胡明華(1965—)，男，碩士，副教授研究方向:輪機(jī)工程技術(shù)

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0087-04

修回日期：2016-12-09