基于AMESim的三峽升船機防撞緩沖液壓系統(tǒng)仿真分析

李飛*，鄢玲祉，鄒濤

(長江三峽通航管理局，湖北宜昌，443000)

引言

三峽升船機是三峽水利樞紐的重要組成部分，是船舶翻越大壩的重要通道，船舶通過升船機可能對升船機船廂設備造成損壞，保護升船機船廂設備顯的尤為重要。升船機船廂防撞系統(tǒng)就是保護船廂在船舶失控時保護船廂設備的裝置，其主要原理是通過液壓系統(tǒng)來減緩船舶對船廂的撞擊能量。本文為提高三峽升船機防撞緩沖液壓系統(tǒng)的性能，利用AMESim軟件對其液壓系統(tǒng)進行研究分析。AMESim仿真軟件能實現(xiàn)多學科的液壓、機械、氣、動、電、熱和磁等領域建模和仿真，運用范圍廣范；不同領域之間的模塊可直接進行連接[1]。AMESim為用戶提供了一個時域仿真建模工作環(huán)境，可利用已有模型和建立新的子模型元件，搭建系統(tǒng)優(yōu)化設計所需的實際原型，可修改模型和仿真參數(shù)進行穩(wěn)態(tài)及動態(tài)仿真、繪制曲線并分析仿真結(jié)果，利用批量處理功能可以對液壓仿真系統(tǒng)進行優(yōu)化設計研究[2]。

1 峽升船機防撞緩沖系統(tǒng)工作原理

1.1 防撞裝置系統(tǒng)組成

升船機承船廂上下廂頭各有一套防撞裝置，防撞裝置主要由鋼絲繩組件、帶人行過道的鋼桁架、鋼桁架鎖定裝置、鋼桁架啟閉裝置、緩沖油缸液壓系統(tǒng)、導向滑輪、制動裝置、限載與導向裝置、閂鎖裝置、閂鎖裝置導向架等設備組成。如圖1所示。

圖1 防撞裝置

1.2 防撞裝置功能及工作原理

正常工作時，張緊的鋼絲繩橫越船廂，一端由鎖閂固定在船廂的一側(cè)，另一端經(jīng)過導向滑輪后與緩沖油缸的活塞桿相連。擋船狀態(tài)鋼絲繩位于船廂正常水面以上0.55m。

鋼絲繩受到船只撞擊后，緩沖油缸的壓力升高，壓力達到液壓控制系統(tǒng)溢流閥的設定壓力后，溢流閥開啟溢流，將船只動能轉(zhuǎn)化為熱能。受到船只撞擊后，松弛的鋼絲繩將由液壓控制系統(tǒng)重新張緊。

過船時鋼絲繩需讓開通道，提升鋼絲繩的工作由鋼桁架完成。鋼桁架的一端鉸支在船廂主縱梁上，可繞支鉸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動90°，鋼桁架的另一端裝設有液壓操作的鎖閂裝置，用于將鋼絲繩從鎖閂上解脫或固定。

1.3 緩沖油缸液壓系統(tǒng)組成

緩沖油缸液壓系統(tǒng)主要由電機、液壓泵、溢流閥、單向閥、油缸、補油油箱、節(jié)流閥、三位四通電磁閥、兩位三通電磁閥、軟管等元件組成，其原理圖如下圖2所示。

1.4 緩沖油缸液壓系統(tǒng)工作原理

緩沖油缸液壓系統(tǒng)工作主要分為三個動作：

（1）鋼絲繩預拉伸:為了實現(xiàn)防撞裝置的功能，鋼絲繩應進行預拉伸。將電液換向閥置于交叉位置,壓力油經(jīng)電液換向閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥進入制動油缸有桿腔，無桿腔油液通過單向節(jié)流閥、液控單向閥和電液換向閥流回油箱，制動油缸活塞桿縮回，進行鋼絲繩預拉伸動作。

（2）鋼絲繩釋放：在將鋼絲繩從錨錠槽內(nèi)提起時，必須先將電磁閥置于平行位置，壓力油經(jīng)電液換向閥、液控單向閥和單向節(jié)流閥進入制動無桿腔，有桿腔油液經(jīng)單向節(jié)流閥、液控單向閥、電液換向閥流回油箱，制動油缸活塞桿伸出，進行鋼絲繩釋放動作。

（3）工作荷載（船舶碰撞）：一旦出現(xiàn)碰撞，鋼絲繩彈性拉長，然后將液壓缸活塞桿拉出，從而使油缸有桿腔的壓力上升。在油缸的有桿腔設置了三個不同設定壓力的溢流閥，隨著鋼絲繩作用力的上升，三個溢流閥被遂步打開，實現(xiàn)相對平穩(wěn)的緩沖制動。采用壓力繼電器來檢測制動過載（船舶沖擊力）。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓系統(tǒng)建模與仿真

在AMESim環(huán)境下，啟用Sketch模式并使用系統(tǒng)提供的HCD庫、機械庫、液壓庫和信號庫建立波浪能發(fā)電的液壓系統(tǒng)圖[3]，如下圖4所示。

圖3 液壓系統(tǒng)建模仿真圖

在系統(tǒng)模型搭建完成后，系統(tǒng)中的每一個元件都必須分配一個數(shù)學模型。選擇Submodel功能給元件選擇子模型，在AMESim中，啟用Premier submodel功能進行系統(tǒng)自動匹配元件的最簡子模型。

元件參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵，它直接影響到液壓系統(tǒng)仿真的結(jié)果。在Parameter模式下設置元件的主要參數(shù)值：高位油箱高度設定為 3.5m，容積200L；缸旁三個溢流閥的設定值為19MPa、24MPa、29.4MPa；緩沖油缸內(nèi)徑為320mm，桿徑為125mm，油缸長度為2.34m，有桿伸出最大長度1.3m；系統(tǒng)最高壓力設定為23MPa；滑塊質(zhì)量為85Kg；單向閥全開時流量379L/min，開啟壓力位0.3bar；換向閥旁兩個溢流閥的設定值為5MPa，建模過程中忽略了系統(tǒng)管道的影響。

在Simulation模式下對系統(tǒng)進行時域分析，設置仿真時長為1s,通信間隔時間為0.001s，在運行模式為動態(tài)后，開始仿真。

3 仿真結(jié)果分析

在上述給定的條件下分析油缸受到87t、123t、134t和150t拉力時系統(tǒng)壓力的動態(tài)變化情況。

（1）在油缸受到87t和123t拉力時油缸的變化情況

圖4 受力為87t時油缸有桿腔壓力和行程

圖5 受力為123t時油缸有桿腔壓力和行程

如圖4所示，當油缸受到87t的拉力時，油缸有桿腔的壓力開始震動變化，很快趨于平穩(wěn)狀態(tài)達到 12.5MPa，油缸的行程也有相應的變化過程。如圖 5所示，當油缸受到123t拉力時油缸有桿腔壓力在17.7MPa左右趨于平穩(wěn)。比較圖4和圖5發(fā)現(xiàn)受到拉力較大時系統(tǒng)達到平穩(wěn)時間越快。

（2）在油缸受到134t和150t拉力時油缸和溢流閥的變化情況

圖6 受力為134t時油缸有桿腔壓力和行程及溢流閥流量

圖7 受力為150t時油缸有桿腔壓力和行程及溢流閥流量

如圖6所示，當油缸受到134t拉力時，油缸有桿腔的壓力為19.15MPa左右，開啟壓力為19MPa的溢流閥開啟，通過溢流閥的流量為 37.7L/min。如圖7所示，當油缸受到150t拉力時，油缸有桿腔的壓力為21.9MPa左右，開啟壓力為19MPa的溢流閥開啟，通過溢流閥的流量為1154L/min。比較圖6和圖7發(fā)現(xiàn)當溢流閥開啟溢流后，隨著油缸受到的拉力增加，油缸的行程也變大、通過溢流閥的油液流量也增加。

比較圖4至圖7發(fā)現(xiàn)隨著油缸受到的拉力越來越大，油缸達到平衡的時間有縮短的趨勢。緩沖油缸的行程也是逐漸變大的趨勢。

4 實驗結(jié)果驗證分析

4.1 實驗驗證

實驗方案設計，為檢測升船機防撞鋼絲繩的安全性能，安排排水量為2876.491t船舶“鵬杰5號”以規(guī)定航速3次下行出船廂撞擊防撞鋼絲繩。如下圖11所示。

圖8 “鵬杰5號”船舶進行防撞實驗

“鵬杰5號”船舶基本信息：長80m、寬14m、水面以上高度14.2m、船舶吃水2.6m、總排水量2876.491t。

實驗過程中還利用各種儀器檢測船舶的緩沖距離，鋼絲繩的拉力值，船舶的速度，液壓系統(tǒng)壓力的變化值等數(shù)值。如下圖12和圖13所示。

圖9 應變片安裝、攝像頭和激光檢測儀

圖10 撞擊時有桿腔壓力

圖11 船舶撞擊鋼絲繩

圖12 防撞鋼絲繩受撞擊時狀態(tài)

4.2 實驗結(jié)果

船舶撞擊速度、鋼絲繩拉力與緩沖油缸有桿腔壓力三者的關(guān)系。

緩沖油缸參數(shù)：Φ320/125-1300mm。有桿腔壓力為泵站內(nèi)觀測壓力表MB11（系統(tǒng)壓力表）所得數(shù)據(jù)。船舶以不同速度撞擊鋼絲繩時，鋼絲繩的最大拉力及緩沖油缸有桿腔壓力的關(guān)系如下表1。

表1 防撞試驗特征值統(tǒng)計

4.3 實驗結(jié)果計算分析

根據(jù)防撞系統(tǒng)的設計原理分析，整個防撞系統(tǒng)最薄弱的地方應該是與緩沖油缸和防撞鋼絲繩都相連接的預斷接頭，查看零件圖得，預斷接頭最大設計工作載荷為210t，材料為42CrMo，HB240-300調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)現(xiàn)場用卷尺測量斷裂點直徑為54mm。42CrMo材料參數(shù)

查詢得，42CrMo材料的屈服強度σs=930MPa,抗拉強度σb=1080MPa。結(jié)合上述預斷接頭材料的強度和橫截面積參數(shù)，計算預斷接頭設計承載力理論值：屈服力Fs=212.97t;抗拉力Fb=247.32t。

預斷接頭與活塞桿連接，預斷接頭正常斷裂時受到的拉力為 210t，極限條件下斷裂受到的最大拉力為 247.32t。所以活塞桿可能受到的最大拉力在210t到247.32t之間。隨船舶撞擊速度增大，船舶動能增大，緩沖油缸活塞桿受力、行程、及做功增大，在船速0.41m/s撞擊時，緩沖油缸已經(jīng)發(fā)生第一級溢流，預斷接頭發(fā)生塑性變形，在0.5m/s設計速度撞擊時，防撞繩最大拉力為 147t，緩沖油缸并未達到第二級溢流，預斷接頭盡管發(fā)生塑性形變，但至210t的最大工作荷載還有差距，船舶進廂速度在0.5m/s內(nèi)都是安全的。

4.4 實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

實驗測試結(jié)果與仿真所得結(jié)果在數(shù)值上極為接近，仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果進行了相互論證。通過仿真模型和實驗測試數(shù)據(jù)可以推斷出防撞鋼絲繩在受到更大力撞擊時液壓系統(tǒng)的響應情況。仿真結(jié)果還對油缸受到不同撞擊力時溢流閥的開啟情況進行了研究。

5 結(jié)束語

利用AMESim軟件對三峽升船機防撞緩沖液壓系統(tǒng)進行仿真分析，并進行了試驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)仿真結(jié)果和實際測試數(shù)據(jù)來看，防撞裝置能夠有效阻攔測試船舶“鵬杰5號”（總排水量約2500t）在0.5m/s設計速度的沖擊，并且有一定的安全裕度[4-5]。

（2）通過在一定條件下利用船舶對鋼絲進行撞擊的實際試驗，測試到的結(jié)果有效的證明了仿真系統(tǒng)結(jié)論的正確性。

（3）通過 AMESim仿真軟件，建立了防撞裝置緩沖模型，模擬了防撞鋼絲繩受到不同大小力撞擊時油缸的動態(tài)響應情況，還對系統(tǒng)溢流閥的相關(guān)參數(shù)進行了研究。

（4）利用軟件對升船機防撞液壓系統(tǒng)進行研究具有重要的意義，為以后更好的分析解決升船機運行中遇到的各種液壓問題提供了一個新的方法和思路。

（5）仿真分析中得到的溢流閥的相關(guān)數(shù)據(jù)，給以后實驗測試提供了一定的數(shù)據(jù)指導，仿真所得數(shù)據(jù)也需要實驗測試結(jié)果來進行深入論證。

（6）根據(jù)實測，緩沖油缸發(fā)生第一級溢流時，預斷接頭已發(fā)生塑性形變，從安全角度考慮，建議船舶撞擊防撞裝置后應及時更換預斷接頭。

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