劉方超，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

基于AMESim的抓斗采礦船液粘調(diào)速系統(tǒng)仿真

劉方超，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

闡述了液粘調(diào)速離合器的原理及其在抓斗采礦船動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用，利用AMESim動(dòng)力仿真軟件對(duì)抓斗采礦船的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，調(diào)節(jié)元件模型參數(shù)，優(yōu)化模型。通過(guò)仿真抓斗采礦船的一個(gè)典型工作循環(huán)，得到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能曲線。通過(guò)分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證了液粘調(diào)速離合器的作用效果及模型的有效性。

抓斗采礦船；液粘調(diào)速離合器 ；AMESim；仿真分析

抓斗式采礦船由于采礦效率高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今淺海采礦船的主要形式。然而隨著抓斗斗容的不斷增大，對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求也越來(lái)越高，穩(wěn)定而靈活地控制抓斗吊放，對(duì)采礦效率及安全性有著重要的意義。但是對(duì)于載荷如此巨大且工礦復(fù)雜、換向調(diào)速頻繁的設(shè)備，一般的調(diào)速離合設(shè)備很難滿足要求。通過(guò)比較已有的各種傳動(dòng)裝置發(fā)現(xiàn)，近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型調(diào)速裝置——液粘調(diào)速離合器具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。利用這種離合器與液力變矩器結(jié)合構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠很好地適應(yīng)大型抓斗式采礦船舶。本文利用AMESim系統(tǒng)建模仿真軟件對(duì)斗容30m3抓斗采礦船的液粘調(diào)速動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并就抓斗的一個(gè)典型工作循環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。

1 液粘調(diào)速離合器

液粘調(diào)速離合器是基于流體力學(xué)中牛頓內(nèi)摩擦定律發(fā)展起來(lái)的一種新型流體傳動(dòng)技術(shù)，基本原理為(如圖1所示):相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩平板間單位面積上的油膜剪切力F與液體的動(dòng)力粘度μ、平板間的相對(duì)速度v成正比,與平板間的間隙即油膜厚度h成反比[1],其計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

圖1 牛頓內(nèi)摩擦定律原理圖

液粘調(diào)速離合器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，在輸入軸與輸出軸上各固定有數(shù)個(gè)摩擦圓盤(pán)，兩組圓盤(pán)同軸交錯(cuò)疊放。動(dòng)力由輸入軸上的花鍵傳至主動(dòng)摩擦片,再通過(guò)油膜剪切作用將動(dòng)力傳至被動(dòng)摩擦片, 然后經(jīng)由花鍵傳至輸出軸。通過(guò)調(diào)節(jié)作用在摩擦片上的液壓缸的油壓可以改變摩擦片的間距。根據(jù)流體的牛頓內(nèi)摩擦定律，在傳遞的扭矩不變的情況下，通過(guò)連續(xù)地調(diào)節(jié)油缸壓力，能夠進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。冷卻及潤(rùn)滑系統(tǒng)用于向摩擦片之間提供具有一定壓力的工作油,以保證在摩擦片之間形成穩(wěn)定的油膜, 并帶走由于滑摩產(chǎn)生的熱量, 保證調(diào)速器持續(xù)穩(wěn)定地工作[2]。液粘調(diào)速離合器具有以下特點(diǎn)[3]：

a.可實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的無(wú)級(jí)調(diào)速。

b.能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，遇到過(guò)載沖擊時(shí)自動(dòng)限矩，從而保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)不受損。

c.易于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，調(diào)速靈敏、穩(wěn)定、精度高。

d.摩擦片之間產(chǎn)生的滑摩熱被不斷循環(huán)的工作液體及時(shí)帶走，使設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 液粘調(diào)速離合器示意圖

e.當(dāng)摩擦片完全接觸時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)轉(zhuǎn)速差的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，即相當(dāng)于一根剛性軸，無(wú)功率損失，效率達(dá)到100%。

本抓斗船的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵部件是液力變矩器，其因具有自適應(yīng)性、反轉(zhuǎn)制動(dòng)性、隔震防過(guò)載、帶載啟動(dòng)、變速變矩等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種工程機(jī)械、礦山機(jī)械、起重機(jī)械的動(dòng)力傳動(dòng)裝置中。在傳動(dòng)系統(tǒng)中其良好的動(dòng)力性能是其他裝置無(wú)法取代的，所以該抓斗船的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仍然采用液力變矩器作為主要的傳動(dòng)部件以改善系統(tǒng)的動(dòng)力性能。液力變矩器雖然能夠根據(jù)外部阻力的變化，自動(dòng)改變渦輪輸出軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒功率的牽引，然而這一調(diào)節(jié)過(guò)程是自動(dòng)的。換句話說(shuō)是不受人為控制的，這對(duì)抓斗船來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不允許的，所以需要一個(gè)有效的控制策略對(duì)液力變矩器的輸出進(jìn)行人為控制。為此在液力變矩器與柴油機(jī)之間串聯(lián)一液粘調(diào)速離合器,這樣在柴油機(jī)額定工況、不改變液力變矩器外特性的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)液粘調(diào)速離合器的摩擦片間距來(lái)改變液力變矩器的泵輪輸入轉(zhuǎn)速,從而可在不改變柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速的情況下,得到無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。這樣能在高效情況下滿足抓斗采礦船的工況需要[4]。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

抓斗采礦船動(dòng)力提升系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、液粘調(diào)速離合器、液力變矩器、齒輪箱、卷?yè)P(yáng)機(jī)、抓斗等組成。抓斗的上升下降是通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)收放纜繩來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其起吊的速度由卷筒轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。因此，對(duì)起吊速度的控制其實(shí)就是對(duì)液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速的控制。

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)、液粘調(diào)速離合器、液力變矩器、齒輪箱、卷?yè)P(yáng)機(jī)依次串聯(lián)。檢測(cè)裝置用于檢測(cè)絞車(chē)輸出轉(zhuǎn)速，信號(hào)比較器將檢測(cè)到的信號(hào)與駕駛室發(fā)出的指令信號(hào)相比較，控制調(diào)節(jié)器根據(jù)信號(hào)差值對(duì)液粘調(diào)速離合器的摩擦片間的油膜厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出轉(zhuǎn)速與指令信號(hào)代表的轉(zhuǎn)速一致。由于液粘調(diào)速離合器反應(yīng)迅速，精確性高，所以目前大多數(shù)抓斗式船舶都采用這種傳動(dòng)形式。

圖3 采礦船的動(dòng)力裝置組成

3 系統(tǒng)的AMESim建模與仿真

本文的建模對(duì)象為舟山海川船舶有限公司的一艘斗容30m3的抓斗采礦船的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，該船的工況技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 工況技術(shù)指標(biāo)

3.1模型的建立

AMESim 是法國(guó)IMAGINE 公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件，該仿真軟件采用基于物理模型的圖形化建模方式，提供了豐富的可以直接使用的元件應(yīng)用庫(kù)，從而避免了繁瑣的數(shù)學(xué)建模，用戶只需專注于物理系統(tǒng)本身就能構(gòu)建出滿意的模型，軟件還提供了強(qiáng)大的后處理功能，便于用戶進(jìn)行分析、優(yōu)化[5]。利用該平臺(tái)中的傳動(dòng)及控制信號(hào)元件庫(kù)，能夠快速地建立抓斗采礦船的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)模型參數(shù)可方便地模擬各種工況，并得到系統(tǒng)各部件的詳細(xì)仿真結(jié)果。

依據(jù)抓斗采礦船系統(tǒng)部件的組成及參數(shù)，運(yùn)用AMESim 軟件建立了系統(tǒng)中各模塊模型，如圖4所示(實(shí)線代表動(dòng)力傳遞，虛線代表控制信號(hào))。

圖4 AMESim建立的系統(tǒng)模型

液粘調(diào)速離合器采用AMESim傳動(dòng)系統(tǒng)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)摩擦離合器模型TRDC002A代替，調(diào)整該模型的內(nèi)部參數(shù)，使其在滑摩狀態(tài)時(shí)干摩擦傳遞的力矩為零，摩擦片只有油膜傳遞的剪切力矩存在，再通過(guò)合理地設(shè)定油液的密度及粘度，就能近似地模擬液粘調(diào)速離合器的調(diào)速特性。

為了簡(jiǎn)化仿真，整個(gè)仿真過(guò)程中用一恒速信號(hào)源代表柴油機(jī)，這即簡(jiǎn)化了仿真模型，又符合實(shí)際工作時(shí)希望柴油機(jī)工作在恒速的理想情況。因?yàn)楸敬畏抡娴哪康臑椋簯?yīng)用液粘調(diào)速離合器調(diào)節(jié)液力變矩器以適應(yīng)抓斗采礦船的典型工況循環(huán)，所以液粘調(diào)速離合器的控制部分直接用信號(hào)庫(kù)的PID模塊代替，仿真時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)來(lái)達(dá)到模擬控制器的目的，這樣既簡(jiǎn)化了模型又不會(huì)對(duì)結(jié)果的可靠性有太大的影響[6]。用兩端口的限位質(zhì)量塊模擬抓斗，通過(guò)在其一端口輸入一階躍信號(hào)來(lái)模擬當(dāng)抓斗礦砂突然卸載時(shí)所帶來(lái)的沖擊，限位參數(shù)用于模擬海底對(duì)抓斗下放的深度限制。速度和轉(zhuǎn)矩變換模塊用來(lái)模擬齒輪箱。

3.2典型工況下的仿真分析

抓斗在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)分4個(gè)工作階段，即滿斗提升階段、滿斗動(dòng)力懸停階段、空斗動(dòng)力懸停階段、空斗下放階段[7]。其中在動(dòng)力懸停階段時(shí)，抓斗的提升高度沒(méi)有變化，抓斗只有水平移動(dòng)，此時(shí)抓斗張開(kāi)將礦砂倒入運(yùn)砂船倉(cāng)里，為了模擬抓斗質(zhì)量的這一突然變化，在抓斗的動(dòng)力懸停階段給代表抓斗的質(zhì)量塊輸入一幅值為300kN的階躍信號(hào)。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入為恒轉(zhuǎn)速2 100r/min，代表抓斗的質(zhì)量塊為120 000kg。假設(shè)在某次工作循環(huán)，控制器的輸入轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示，其中a-b段為滿斗提升階段，b-c段為動(dòng)力懸停階段(包括滿斗懸停和空斗懸停)，c-d段為空斗下放階段。

圖5 控制器輸入轉(zhuǎn)速曲線

運(yùn)行仿真軟件得到抓斗的輸入控制轉(zhuǎn)速及液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示?？梢钥闯鲆毫ψ兙仄鞯妮敵鏊俣鹊淖兓厔?shì)近似跟隨控制器輸入速度的變化，只是速度的變化會(huì)有些滯后，并且在起吊、卸斗和抓斗插入泥土?xí)r會(huì)出現(xiàn)一些波動(dòng)，這也符合系統(tǒng)的實(shí)際物理特點(diǎn)。

圖6 液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖7為液粘調(diào)速離合器的輸出速度隨油膜厚度的變化關(guān)系曲線。液粘調(diào)速離合器的輸入軸轉(zhuǎn)速一定，輸出軸轉(zhuǎn)速隨油膜厚度的變化而變化，由圖可以看出油膜厚度變化對(duì)輸出軸速度控制靈敏，調(diào)速范圍寬，能滿足工況要求。

圖7 液粘離合器的輸出速度和油膜厚度曲線

圖8為抓斗的提升高度和抓斗運(yùn)動(dòng)速度的變化曲線?？煽吹阶ザ诽嵘龝r(shí)的穩(wěn)定速度近似為60m/s,下降時(shí)的穩(wěn)定速度為80m/s,速度平穩(wěn)，符合抓斗船的技術(shù)指標(biāo)要求。還可看到，在動(dòng)力懸停階段，由于礦砂的突然卸載而造成的沖擊，使抓斗速度發(fā)生了微小的波動(dòng)，波動(dòng)使抓斗向上運(yùn)動(dòng)0.5m左右，說(shuō)明該系統(tǒng)具有明顯抗沖擊的能力。

圖8 抓斗的位移和速度變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用AMESim對(duì)采用了液粘調(diào)速離合器的抓斗采礦船的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，得到了系統(tǒng)的一些動(dòng)態(tài)性能曲線，反映了液粘調(diào)速離合器對(duì)系統(tǒng)的良好調(diào)速效果，同時(shí)也驗(yàn)證了模型的合理性。然而為了簡(jiǎn)化仿真，對(duì)模型做了一些簡(jiǎn)化，所以仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際情況還是存在著一些偏差，有待于將來(lái)進(jìn)一步研究完善。

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Hydro-viscousDriveSimulationofGrabMiningShipBasedonAMESim

LIU Fangchao, ZHANG Yulian

(Zhejiang Ocean University, Zhejiang Zhoushan, 316022, China)

It presents the principle and application of hydro-viscous variable speed clutch of grab mining ship, establishes the simulation model for hydro-viscous system with AMESim and optimizes this model based on the component model parameters. It obtains some key dynamic characteristic curves from the simulation in a typical work cycle of grab mining ship. The simulation result proves that the simulation model is reasonable.

Grab Mining Ship; Hydro-viscous Clutch; AMESim; Simulation and Analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.004

2013-12-02

浙江省重大科技專項(xiàng)社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(2013C03031)

劉方超(1985—)，男，遼寧朝陽(yáng)人，浙江海洋學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇皠?dòng)力工程及配套設(shè)備。

TP391.9

A

2095-509X(2014)08-0014-04