胡明華,馬來好，楊杰，陳海泉

基于AMESim的液壓絞車起升性能仿真分析

胡明華1,馬來好2，楊杰2，陳海泉2

針對具體的技術要求，對液壓絞車系統(tǒng)進行設計，采用AMESim軟件對系統(tǒng)進行建模，分析系統(tǒng)轉動慣量、鋼絲繩長度，以及剛度等參數(shù)對絞車性能的影響，結果表明，鋼絲繩長度和剛度對絞車轉速影響較小，系統(tǒng)轉動慣量和鋼絲繩剛度對吊重起升速度影響較大，鋼絲繩長度影響次之。

液壓絞車； AMESim；系統(tǒng)設計；起升性能

液壓絞車是利用液壓馬達直接或通過減速器帶動卷筒纏繞鋼繩來提升重物的起重設備[1]。由于其具有起動轉矩大、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，廣泛應用于船舶、港口、建筑、冶金等行業(yè)[2]。隨著工程技術不斷發(fā)展，絞車的速度越來越快，負載慣性越來越大，絞車系統(tǒng)的精準調控也就變得越來越困難[3]，因此，掌握絞車相關技術參數(shù)對其性能的影響規(guī)律，有助于改善絞車的調控效果。針對5 t吊重以0.8 m/s速度起升的技術要求，采用AMESim軟件對液壓絞車系統(tǒng)進行建模并數(shù)值仿真，研究系統(tǒng)轉動慣量、鋼絲繩長度及剛度等參數(shù)對液壓絞車起升性能的影響規(guī)律，為設計出控制精準、性能優(yōu)良的液壓絞車系統(tǒng)提供參考和依據(jù)。

1 絞車液壓系統(tǒng)設計

如圖1所示，液壓油從油箱1中經濾器3進入主泵6和輔泵7中，主泵6排出的液壓油經電磁換向閥8流向液壓馬達15，輔泵7排出的液壓油經電磁換向閥9流向制動器16。電磁換向閥8控制液壓馬達的轉向，決定液壓絞車的起升或下放操作。電磁換向閥9和液動換向閥13配合控制制動器的脫開或閉合。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能夠使絞車的貨物下放操作更加平穩(wěn)。另外，節(jié)流閥10的開度調節(jié)可實現(xiàn)對液壓馬達的速度控制，即改變絞車的工作轉速[4]。液壓系統(tǒng)有關參數(shù)見式(1)～式(6)

F=Mg

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：F為鋼絲繩牽引力，N；M為吊重質量，kg；D為絞車滾筒直徑，m；Mw為絞車滾筒負載轉矩，N·m；v為吊重速度，m/s；nw為絞車滾筒轉速，r/min；i為減速比；Mm為油馬達輸出轉矩，N·m；nm為油馬達轉速，r/min；qm為油馬達排量，mL；p為系統(tǒng)工作壓力，MPa；ηm為油馬達的機械效率。

取絞車滾筒直徑0.5 m，減速比20，系統(tǒng)工作壓力30 MPa，油馬達的機械效率0.95，計算得出油馬達的轉速約為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軟件進行液壓系統(tǒng)建模，利用軟件中的信號庫、液壓庫和機械庫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)流調速閥模型、平衡閥模型、高壓溢流閥組模型、油馬達模型、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

基于上述計算結果，仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。為探討液壓絞車的起升性能，分別改變系統(tǒng)的轉動慣量、鋼絲繩長度及剛度等參數(shù)，在分析影響因素時，設定其他參數(shù)不變。通過AMESim中的批處理進行仿真對比，以分析液壓絞車轉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 轉動慣量對絞車轉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)的轉動慣量，對絞車轉速和吊重速度進行仿真，結果見圖3。

由圖3可見，增大系統(tǒng)轉動慣量，絞車轉速和吊重速度的穩(wěn)態(tài)值基本保持在30.5 r/min和0.8 m/s不變，但絞車轉速和吊重速度的動態(tài)響應變慢，而且轉動慣量作為能量波動的一種存儲，其值較大能夠較好地平穩(wěn)系統(tǒng)響應波動，這對平穩(wěn)吊重的速度波動影響尤為明顯。

3.2 鋼絲繩長度對絞車轉速和吊重速度的影響

鋼絲繩為撓性件，對其受力分析[7]。

(7)

(8)

式中：Δl為鋼絲繩伸長量；K為鋼絲繩總剛度；Kp為單位長度鋼絲繩的剛度；L為鋼絲繩的長度。

由式(7)、(8)可見，當長度發(fā)生變化時，鋼絲繩的總剛度也發(fā)生變化，對應的伸長量也會發(fā)生變化，而且長度變化也會伴隨自重的變化，都會影響系統(tǒng)的起升性能。保持其他系統(tǒng)參數(shù)不變，改變鋼絲繩長度，對絞車轉速和吊重速度進行仿真，結果見圖4。

由圖4可見，隨著鋼絲繩長度的增加，絞車轉速的動態(tài)變化和穩(wěn)態(tài)值基本不變，影響較小，而吊重速度動態(tài)響應變慢，波動加劇，這主要是因為鋼絲繩長度增加，剛度減小，內部形變量增大[8]。

3.3 鋼絲繩剛度對絞車轉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，對絞車轉速和吊重速度進行仿真，結果見圖5。

由圖5可見，隨著鋼絲繩剛度的增加，絞車轉速的動態(tài)響應時間變化不明顯，而吊重速度的動態(tài)響應變快，超調量減少，更為明顯的是穩(wěn)定性增加，波動減小。可見鋼絲繩剛度的增加有利于降低吊重起升的振動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[9]。

4 結論

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

2)鋼絲繩長度和剛度對絞車轉速影響較小，對吊重起升的振動影響較大。鋼絲繩長度的減小和剛度的增加有利于降低吊重起升的振動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

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

(1.江蘇海事職業(yè)技術學院，江蘇 南京 211170；2.大連海事大學 輪機工程學院，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研究面上資助經費項目(16KJB580013)

胡明華(1965—)，男，碩士，副教授研究方向:輪機工程技術

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0087-04

修回日期：2016-12-09