任建輝，湯 波，姬紅斌，王進(jìn)峰

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

船用起重機(jī)開(kāi)閉式液壓系統(tǒng)的仿真分析比較

任建輝，湯 波，姬紅斌，王進(jìn)峰

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

為比較船用起重機(jī)開(kāi)、閉式液壓系統(tǒng)的性能差異，以30 t/28 m船用起重機(jī)為研究對(duì)象，應(yīng)用AMESim仿真平臺(tái)分別建立開(kāi)、閉式液壓系統(tǒng)中起升回路的仿真模型，對(duì)其在最大工作幅度28 m、起吊額定載荷30 t工況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，閉式液壓系統(tǒng)能夠回收電動(dòng)機(jī)反饋制動(dòng)產(chǎn)生的電能，系統(tǒng)效率和起吊重物時(shí)的壓力沖擊高于開(kāi)式液壓系統(tǒng)，兩者對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊基本一致。

船用起重機(jī)；AMESim；開(kāi)式系統(tǒng)；閉式系統(tǒng)；仿真

按照調(diào)速方式的不同，船用起重機(jī)液壓系統(tǒng)有開(kāi)式和閉式兩種形式[1]。開(kāi)式液壓系統(tǒng)一般采用負(fù)載敏感控制，通過(guò)變量泵和負(fù)載敏感閥，使泵的輸出功率與負(fù)載相適應(yīng)，從而達(dá)到節(jié)能的目的[2]；閉式液壓系統(tǒng)一般采用變量泵直接控制液壓馬達(dá)，節(jié)流損失小、效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。目前，相關(guān)文獻(xiàn)主要集中在對(duì)閉式液壓系統(tǒng)的實(shí)際故障進(jìn)行處理和開(kāi)、閉式液壓系統(tǒng)工作原理的分析比較及節(jié)能探討[3-4]。由于船用起重機(jī)液壓系統(tǒng)往往需要根據(jù)實(shí)際情況選用開(kāi)式或閉式系統(tǒng)，因此，對(duì)兩者性能進(jìn)行分析。

1 閉式起升回路的仿真分析

起升回路是用來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物升降的回路，是起重機(jī)中最基本最重要的回路，其工作性能的優(yōu)劣將直接影響起重機(jī)的技術(shù)性能。

1.1 仿真模型的建立

船用起重機(jī)閉式液壓系統(tǒng)中起升回路在仿真平臺(tái)AMESim中的模型見(jiàn)圖1。

圖1 閉式起升回路的仿真模型

其工作原理為：在起升重物的過(guò)程中，異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵，變量泵輸出的高壓油直接進(jìn)入液壓馬達(dá)，通過(guò)行星齒輪減速機(jī)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)工作；在下放重物的過(guò)程中，液壓馬達(dá)工作在泵工況，而液壓泵則工作在馬達(dá)工況，并拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于反饋制動(dòng)狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重物下放速度的控制。

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真模型中，為模擬船用起重機(jī)在最大工作幅度28 m時(shí)，使用吊鉤起升和下放30 t重物的整個(gè)過(guò)程，需要在不同時(shí)刻輸入相應(yīng)的控制信號(hào)。整個(gè)仿真過(guò)程時(shí)間為60 s，控制信號(hào)時(shí)序表見(jiàn)表1。

表1 閉式起升回路控制信號(hào)時(shí)序表

1.3 仿真結(jié)果分析

在起升和下放重物的過(guò)程中，起升回路一側(cè)始終為高壓，另一側(cè)始終為低壓，且低壓側(cè)壓力與補(bǔ)油壓力相等，高壓側(cè)壓力取決于負(fù)載。起升回路高壓側(cè)壓力隨時(shí)間變化見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，補(bǔ)油泵開(kāi)啟后壓力迅速上升至2.5 MPa。當(dāng)起升變量泵以最大排量突然開(kāi)啟時(shí)，瞬時(shí)最大壓力達(dá)40 MPa，在安全閥(設(shè)定壓力為38 MPa)的作用下迅速衰減至20 MPa左右。

在起升和下放重物過(guò)程中，主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變，通過(guò)泵的變量來(lái)改變重物的運(yùn)動(dòng)速度大小和方向。主電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。

圖3 主電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線

由圖3可見(jiàn)，在起升重物的過(guò)程中，主電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，在變量泵啟動(dòng)瞬間，最大值達(dá)1 440 N·m，隨后繞平均值620 N·m振動(dòng)；而在下放重物的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，主電動(dòng)機(jī)處于反饋制動(dòng)狀態(tài)。如果能將主電動(dòng)機(jī)反饋制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能回收，將顯著提高系統(tǒng)的效率。

在重物離地瞬間，船用起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)均受到較大沖擊。起升滑輪組彈性力隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖4。

圖4 起升滑輪組彈性力變化曲線

由圖4可見(jiàn)，在重物離地瞬間，船用起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)均受到較大的沖擊，起升滑輪組最大彈性力達(dá)342.3 kN，遠(yuǎn)超過(guò)重物自重294.3 kN，起升動(dòng)載系數(shù)為1.16。根據(jù)文獻(xiàn)[5]計(jì)算動(dòng)載系數(shù)的理論值φ2

(1)

式中：c——操作系數(shù)，取c=0.5；

v——額定起升速度，取v=0.333 m/s；

δ——結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響系數(shù)，取δ=1.038；

g——重力加速度，取g=9.81 m2/s；

λ0——在額定起升載荷作用下下滑輪組對(duì)上滑輪組的位移量，取λ0=0.102m；

y0——在額定起升載荷作用下重物懸掛處的結(jié)構(gòu)靜變位值，取y0=0.112 m。

計(jì)算得出φ2=1.11。

仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的正確性及方法的可行性。

重物位移隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖5。

圖5 重物位移曲線

由圖5可見(jiàn)，變量泵開(kāi)啟1.5 s后重物開(kāi)始上行，在t=4.5～26 s上行高度為6.8 m(包括減速制動(dòng)過(guò)程)，隨后懸停在空中；在t=30～52 s內(nèi)下降至水平面，最大速度約20 m/min。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，重物上行時(shí)無(wú)下滑趨勢(shì)，下放時(shí)無(wú)失速現(xiàn)象，運(yùn)行平穩(wěn)，符合設(shè)計(jì)要求。

2 開(kāi)式起升回路的仿真分析

2.1 仿真模型的建立

為對(duì)船用起重機(jī)開(kāi)、閉式液壓系統(tǒng)進(jìn)行有效的對(duì)比分析，需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的條件下，建立開(kāi)式液壓系統(tǒng)中起升回路的仿真模型。圖6為其在仿真平臺(tái)AMESim中的模型。

圖6 開(kāi)式起升回路的仿真模型

為提高系統(tǒng)的效率，使泵輸出的流量?jī)H與輸入的控制信號(hào)有關(guān)，開(kāi)式起升回路采用負(fù)載敏感控制。其工作原理為：當(dāng)比例方向閥右位或左位接通時(shí)，泵輸出的油液驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)起升或下放重物，同時(shí)通過(guò)閥體內(nèi)部油路將負(fù)載壓力反饋給泵的控制閥敏感腔，利用比例方向閥兩端壓差來(lái)控制變量控制閥，進(jìn)而推動(dòng)變量機(jī)構(gòu)，使壓差始終保持不變。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

與閉式液壓系統(tǒng)類(lèi)似，為模擬開(kāi)式液壓系統(tǒng)中起升回路在相同的工況下工作，即在最大工作幅度28 m，使用吊鉤起升和下放30 t重物的整個(gè)過(guò)程，需要在不同時(shí)刻輸入相應(yīng)的控制信號(hào)。整個(gè)仿真過(guò)程時(shí)間為60 s，控制信號(hào)時(shí)序表見(jiàn)表2。

2.3 仿真結(jié)果分析

在起升和下放重物的過(guò)程中，由于存在臂架彈簧、鋼絲繩滑輪組等彈性負(fù)載，因此，負(fù)載壓力始終存在著波動(dòng)。比例方向閥壓力油口P、工作油口A、B壓力隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖7。

圖7 比例方向閥油口壓力變化

圖7表明，在變量泵處于開(kāi)啟待機(jī)狀態(tài)時(shí)，泵輸出的流量?jī)H補(bǔ)償內(nèi)部泄漏，功率損失很小；當(dāng)換向閥右位接通時(shí)，壓力油口P與工作油口A相通，壓力變化趨勢(shì)基本保持一致，在15～20 MPa之間振蕩，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷筒起升重物；當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，壓力油口P保壓，工作油口A、B與回油口T相通，起升液壓馬達(dá)兩側(cè)管路油液均直接回油箱；當(dāng)換向閥左位接通時(shí)，壓力油口P與工作油口B相通，壓力變化趨勢(shì)仍基本保持一致，在4～5 MPa之間振蕩，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷筒下放重物。

實(shí)際上，盡管比例方向閥油口壓力始終存在著波動(dòng)，但由于采用了負(fù)載敏感控制，可使其兩端壓差始終保持不變，即泵出口壓力始終比負(fù)載壓力高出一個(gè)定值，壓力油口P與工作油口A、B之間的壓差隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖8。

圖8 比例方向閥油口壓差變化

由圖8可見(jiàn)，在起升重物的過(guò)程中，由于比例方向閥工作油口A的壓力油經(jīng)高壓優(yōu)先梭閥引至負(fù)載敏感泵的控制腔，在變量控制閥的作用下，P與A之間的壓差保持在1 MPa左右；同樣地，在下放重物的過(guò)程中，壓力油口P與工作油口B之間的壓差仍保持為1 MPa。

由于閥口壓差基本保持不變，因而通過(guò)閥的流量只與輸入的控制信號(hào)有關(guān)。可見(jiàn)，通過(guò)負(fù)載敏感控制，可使變量泵始終工作于與負(fù)載功率(負(fù)載壓力與所控制流量的乘積)匹配的狀況，具有明顯的節(jié)能效果。

但是，在下放重物時(shí)，為防止重物失速造成事故，必須增設(shè)平衡閥以限制下放速度，重物的勢(shì)能幾乎全部轉(zhuǎn)化為油液的熱能，造成能量浪費(fèi)和系統(tǒng)發(fā)熱。電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化見(jiàn)圖9。

圖9 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化

由圖9可見(jiàn)，在起升重物的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩為740 N·m，隨后繞平均值660 N·m振動(dòng)；在下放重物的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩繞平衡位置180 N·m振動(dòng)。電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩始終與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。

在重物離地瞬間，船用起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)同樣均受到較大沖擊，圖10為開(kāi)式液壓系統(tǒng)中起升滑輪組彈性力隨時(shí)間的變化。

圖10 起升滑輪組彈性力變化

由圖10可見(jiàn)，起升滑輪組最大彈性力仍為342.3 kN，且變化趨勢(shì)與圖4基本相同。

重物位移隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖11。

圖11 重物位移

由圖11可見(jiàn)，受臂架、鋼絲繩滑輪組變形及負(fù)載敏感泵動(dòng)態(tài)特性的影響，重物在比例方向閥接通約2.2 s之后才開(kāi)始上行，在t=5.2～26 s內(nèi)的上行高度為6.2 m(包括減速制動(dòng)過(guò)程)，之后懸停在空中，在t=30.0～51.5 s內(nèi)平穩(wěn)下降至水平面，最大速度約為20 m/min，符合設(shè)計(jì)要求。

3 開(kāi)、閉式起升回路的對(duì)比分析

3.1 效率對(duì)比分析

不論在開(kāi)式或閉式液壓系統(tǒng)中，起升回路均由變量泵開(kāi)啟待機(jī)、起升重物和下放重物等3個(gè)階段組成。

1)變量泵待機(jī)。當(dāng)變量泵開(kāi)啟待機(jī)時(shí)，泵輸出的流量?jī)H補(bǔ)償內(nèi)部泄漏，功率損失很小，均可忽略不計(jì)。

2)起升重物。

3)下放重物。

(1)在閉式液壓系統(tǒng)中，主電動(dòng)機(jī)工作在反饋制動(dòng)狀態(tài)，不考慮功率回收。補(bǔ)油電動(dòng)機(jī)的輸出功率即為回路的功率損失，Pb=7.8kW。

(2)在開(kāi)式液壓系統(tǒng)中，變量泵輸出的壓力油經(jīng)過(guò)比例方向閥后，為外控式平衡閥提供先導(dǎo)控制壓力油，主電動(dòng)機(jī)的輸出功率即為回路的功率損失，PM=32.8kW。

可見(jiàn)，在起升重物過(guò)程中，閉式液壓系統(tǒng)的效率略高于開(kāi)式液壓系統(tǒng)，功率損失分別主要表現(xiàn)在補(bǔ)油壓力損失和閥口節(jié)流損失。但是，在下放重物過(guò)程中，閉式液壓系統(tǒng)的功率損失明顯小于開(kāi)式液壓系統(tǒng)，并且可以通過(guò)回收電動(dòng)機(jī)反饋制動(dòng)產(chǎn)生的電能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的總效率。

3.2 啟、制動(dòng)性能對(duì)比分析

在閉式液壓系統(tǒng)中，由于液壓泵、馬達(dá)的進(jìn)出油口直接相連，因此，當(dāng)泵以最大排量突然啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)壓力沖擊瞬時(shí)達(dá)40MPa；而開(kāi)式液壓系統(tǒng)由于比例方向閥的閥口節(jié)流作用，壓力沖擊僅20MPa，但重物啟動(dòng)較慢。

3.3 對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)沖擊對(duì)比分析

在開(kāi)式和閉式液壓系統(tǒng)中，船用起重機(jī)起升滑輪組彈性力大小和變化趨勢(shì)基本相同。可見(jiàn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷主要取決于船用起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，受液壓系統(tǒng)形式影響較小。

4 結(jié)論

1)在船用起重機(jī)開(kāi)式負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中，變量泵始終工作在與負(fù)載功率匹配的狀況，具有明顯的節(jié)能效果；

2)船用起重機(jī)在起升負(fù)載時(shí)，閉式液壓系統(tǒng)的效率略高于開(kāi)式液壓系統(tǒng)；在下放負(fù)載時(shí)，前者可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)的反饋制動(dòng)，將負(fù)載的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行回收，但后者只能通過(guò)平衡閥將負(fù)載的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱能；

3)船用起重機(jī)在起升負(fù)載時(shí)，閉式液壓系統(tǒng)的壓力沖擊高于開(kāi)式液壓系統(tǒng)，但整機(jī)動(dòng)態(tài)載荷主要取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)，受液壓系統(tǒng)形式影響較小；

4)船用起重機(jī)在實(shí)際選用開(kāi)式或閉式液壓系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)同時(shí)兼顧安裝空間、操作人員習(xí)慣和工作環(huán)境等因素的影響。

[1] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng) [M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2] 魏建華,肖 慧.H3026000-4000船用甲板式起重機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2010,(6):15-18.

[3] 馬宏遠(yuǎn).EH3028-2船用起重機(jī)液壓故障分析與處理[J].液壓與氣動(dòng),2012,(12):129-132.

[4] 韋家礎(chǔ),陳永芳,舒海濱，等.船舶電動(dòng)液壓起貨機(jī)節(jié)能研究[J].液壓與氣動(dòng),2008,(11):6-9.

[5] 桂壽平.門(mén)座起重機(jī)動(dòng)載系數(shù)φ2的計(jì)算與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析[C]∥中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與21世紀(jì)的物料搬運(yùn)技術(shù)——中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)物料搬運(yùn)分會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,武漢:出版者不祥,1996.

Simulation Analysis and Comparison between Open and Closed Circuit Hydraulic Systems of Shipboard Crane

REN Jian-hui, TANG Bo, JI Hong-bin, WANG Jin-feng

(Wuhan Marine Machinery Plant Co. Ltd, Wuhan 430084, China)

In order to study the performance difference between the open and closed circuit hydraulic systems, the 30 t/28 m shipboard crane is taken as the research object, the simulation models of the lifting circuit for the open and closed circuit hydraulic systems are established respectively in AMESim platform, to simulate them under the same working condition. The results show that the closed circuit hydraulic system can recovery the electric power generated by the motor regenerative braking, its efficiency and impact pressure of lifting is higher than that of the open circuit system, while the mechanical impact of the two kinds of systems are almost the same.

shipboard crane; AMESim; open circuit system; closed circuit system; simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.028

2014-08-01

國(guó)家發(fā)改委項(xiàng)目

任建輝(1980-)，男，學(xué)士，工程師

TH137

A

1671-7953(2015)01-0107-05

修回日期：2014-08-22

研究方向:船用超重機(jī)液壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

E-mail:whcj@wmmp.com.cn