吳軍良，周偉中，陳冠宇，畢堅(jiān)裔

（1. 海軍駐廣州第一軍代室，廣州 510000；2. 滬東重機(jī)有限公司，上海 200129；

3. 鎮(zhèn)江賽爾尼柯自動(dòng)化有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212009；4. 渤海船舶重工有限責(zé)任公司，遼寧葫蘆島 125004）

0 引言

近年來，起重機(jī)械在運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速，而克令吊的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在整個(gè)工況中占比很大，然而起重機(jī)需頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，若設(shè)計(jì)不當(dāng)將會(huì)直接影響整個(gè)液壓系統(tǒng)能量的利用，起重機(jī)整機(jī)效率的提高?？肆畹跏谴吧系囊环N起重設(shè)備，可幫助船員完成貨物的空間運(yùn)輸，主要作用是完成貨物在貨艙或碼頭上的位移。克令吊極大地減輕了船員裝載貨物的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了貨物裝載效率。因此，隨著近年來靈便型散貨船技術(shù)的發(fā)展，重型克林吊起重機(jī)械的市場需求顯著提升，年均增長約20%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，裝卸費(fèi)用占海運(yùn)費(fèi)用總運(yùn)費(fèi)的30%～60%，而帶有重型克林吊的靈便型散貨 船，不僅能夠方便地裝卸貨物，還可為船東帶來更多的收益?？肆值跗鹬貦C(jī)吊臂的回轉(zhuǎn)、俯仰需依靠其自身的液壓回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性將直接影響整個(gè)克林吊起重機(jī)的工作性能。

目前，國內(nèi)外起重機(jī)制造廠商主要依靠經(jīng)驗(yàn)或比例模型的方法，進(jìn)行回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再通過實(shí)體樣機(jī)來檢驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)問題。在此過程中，既需花費(fèi)大量的時(shí)間、精力和經(jīng)費(fèi)，還存在著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。為此，通過液壓系統(tǒng)的仿 真設(shè)計(jì)、模擬分析，可在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不合理的部分，為起重機(jī)的液壓控制系統(tǒng)尋找到最優(yōu)的解決方案。

1 液壓模擬仿真軟件Amesim

液壓模擬仿真軟件Amesim 是一整套經(jīng)過嚴(yán)格測試與試驗(yàn)驗(yàn)證、定義的圖形符號(hào)庫集成開發(fā)環(huán)境，用于液壓工程系統(tǒng)建模與負(fù)荷加載模擬仿真，使設(shè)計(jì)者預(yù)知所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化，達(dá)到最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該軟件因使用了圖形化的語言工具，使用時(shí)無需書寫程序代碼，從而使液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只專注于物理系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)，省去了繁瑣的數(shù)學(xué)求解過程。為此，本文針對(duì)船用克林吊起重機(jī)，利用Amesim構(gòu)建了其俯仰與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)控制的系統(tǒng)模型，在分析液壓系統(tǒng)運(yùn)行性能的基礎(chǔ)上，確認(rèn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，提出完善系統(tǒng)的改進(jìn)方案。軟件特點(diǎn)如下：

1）圖形化的建模方法，使用戶不必考慮物理流程中繁瑣的數(shù)學(xué)模型，專注于對(duì)物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。建模通過各環(huán)節(jié)邊界條件的工程技術(shù)語言描述輸入，其擴(kuò)充或修變都是通過友好的GUI界面，無需編寫任何代碼。

2）在系統(tǒng)描述上，保留了數(shù)學(xué)方程、方塊邏輯、元素和元件4 個(gè)層級(jí)的建模方式，使得用戶可以更靈活地根據(jù)自己特長，選擇建模方式；巧妙地利用各層級(jí)的特點(diǎn)，構(gòu)建模型的層次結(jié)構(gòu)。同時(shí)，利用其線性化分析工具（如求系統(tǒng)的特征值，分析Bode 圖、Nyquist 圖、根軌跡圖等）分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的模態(tài)、頻譜（如快速傅里葉轉(zhuǎn)換FFT、階次分析Oldel Analysis、頻譜圖SpectlaImaps 分析等）完善設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。

3）系統(tǒng)支持動(dòng)態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真、間斷連續(xù)仿真以及批處理仿真多種仿真運(yùn)行模式。

4）系統(tǒng)提供的基本元素，使得戶用可以用盡可能少的單元，構(gòu)建盡可能多的系統(tǒng)。這種方式，使得系統(tǒng)易于學(xué)習(xí)、掌握。用戶僅需掌握較少的系統(tǒng)建?！耙亍北憧山?，從而使得系統(tǒng)簡便、高效。

2 在Amesim 中建立液壓系統(tǒng)模型

Amesim 專門為液壓系統(tǒng)建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仿真模型庫，使用該標(biāo)準(zhǔn)仿真模型庫可以搭建最基本的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)性能是液壓起重機(jī)工作性能的重要特征，其系統(tǒng)分為開式和閉式2 種。開式系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、油液冷卻/散熱性能好、運(yùn)行中油液清潔度高、投資低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文在克林吊起重機(jī)設(shè)計(jì)上選用開式系統(tǒng)，如圖l 所示。系統(tǒng)的液壓動(dòng)力源，采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定量液壓泵。溢流閥限定為系統(tǒng)的最高壓力，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)利用三位四通換向電磁閥，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的正反轉(zhuǎn)，按照左位正轉(zhuǎn)、右位反轉(zhuǎn)、中位制動(dòng)的控制方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；為保證轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定，在系統(tǒng)中加設(shè)了平衡閥。整個(gè)系統(tǒng)的物理過程由Amesim 的腳本文件Sketch 進(jìn)行液壓系統(tǒng)仿真建模。利用Amesim 的Parameter 模塊對(duì)系統(tǒng)主要元件的初始邊界參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：減速比為2 218，定量液壓泵排量為80 ml/r，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，電機(jī)額度轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，溢流閥調(diào)定的預(yù)設(shè)壓力為23 MPa。設(shè)定好各個(gè)元件參數(shù)后，通過Run 按鈕，運(yùn)行Amesim，對(duì)所設(shè)計(jì)的開式克林吊起重機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

圖1 在AmesIM 中創(chuàng)建的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型

3 仿真結(jié)果與分析

在Run 模式下將仿真精度設(shè)定為0.001 s，仿真時(shí)間設(shè)定為35 s，設(shè)定3種啟動(dòng)斜坡仿真信號(hào)，仿真結(jié)果如圖2～圖4 所示。設(shè)定3 種制動(dòng)信號(hào)，仿真結(jié)果如圖5、圖6 所示。從圖3 中可以看出，由于液壓油的粘滯阻尼作用，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生一定的滯后，改制后會(huì)使系統(tǒng)的沖擊力減緩、回轉(zhuǎn)速度的改變趨于平穩(wěn)。從制動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的圖6 可以看出，制動(dòng)時(shí)間越長，液壓沖擊力越小，同時(shí)保持一定的制動(dòng)時(shí)間可以預(yù)防液壓定量泵的反轉(zhuǎn)。

圖2 不同斜坡啟動(dòng)信號(hào)曲線

圖3 不同斜坡信號(hào)對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度曲線

圖4 不同斜坡信號(hào)對(duì)應(yīng)的液壓定量泵啟動(dòng) 壓力特性曲線

圖7、圖8 為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在5 種不同工作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（5×106kg·m2、1×107kg·m2、2×107kg·m2、3×107kg·m2、4×107kg·m2）時(shí)的速度特性曲線，以及定量液壓泵啟動(dòng)的壓力特性曲線。

圖5 不同斜坡制動(dòng)信號(hào)曲線

圖6 不同制動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的液壓定量泵壓力特性曲線

圖7、圖8 中可以看出，對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)影響最直接的是慣性沖擊，負(fù)載越大，沖擊越明顯。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，都伴隨著巨大的慣性作用，由此帶來的沖擊，會(huì)減少減速機(jī)構(gòu)的使用壽命。圖9、圖10 為不同負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)速度和液壓定量泵的啟動(dòng)特性變化。

圖7 不同慣量對(duì)回轉(zhuǎn)速度的影響

圖8 不同慣量對(duì)液壓定量泵啟動(dòng)壓力的影響

圖9、圖10 為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)摩擦阻力1.0×105N、1.8×105 N、2.6×105N、3.6×105N、4.6×105N、5.6×105N 時(shí)液壓定量泵的壓力特性，以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度變化仿真曲線。摩擦阻力越大，負(fù)載越大，風(fēng)力越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越慢，但在一定程度上穩(wěn)定性有所增強(qiáng)；在摩擦阻力≤5.0×105N 時(shí)，不同工作壓力下對(duì)回轉(zhuǎn)速度和液壓定量泵啟動(dòng)特性的影響，其反應(yīng)速度可滿足基本需求。

圖9 不同負(fù)載工況下液壓定量泵啟動(dòng)壓力特性變化

圖10 不同負(fù)載工況下回轉(zhuǎn)平臺(tái)速度變化

由圖9、圖10 可知，其他條件不變時(shí)，起重質(zhì)量的變化直接導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，起重質(zhì)量也小，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，由于系統(tǒng)角加速度變化增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差；起重質(zhì)量大時(shí)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力波動(dòng)變大。通過控制系統(tǒng)的平衡閥，可以提高回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量工況下回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性；同時(shí)提高小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而提高作業(yè)效率。

圖11、圖12 為不同工作壓力下對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)速度和液壓定量泵啟動(dòng)特性的影響。在滿足克林吊起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)工作壓力與速度響應(yīng)要求的前提下，應(yīng)盡量降低工作壓力，使系統(tǒng)所受的沖擊壓力降低，從而減少能量損耗。

圖11 不同工作壓力下系統(tǒng)速度變化

圖12 不同工作壓力下液壓定量泵啟動(dòng)壓力變化

圖13、圖14 為液壓定量泵快速啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)液壓定量泵壓力特性曲線和平臺(tái)速度變化曲線。從圖13 可以看出，系統(tǒng)的沖擊比較激烈；從圖14 可以看出，系統(tǒng)的速度不太平穩(wěn)。在滿足系統(tǒng)回轉(zhuǎn)作業(yè)驅(qū)動(dòng)工作壓力的前提下，降低工作壓力，可以降低系統(tǒng)所受的沖擊，也能滿足系統(tǒng)的速度響應(yīng)要求，由此減少控制系統(tǒng)的能量損耗。

圖15、圖16、圖17 分別為平穩(wěn)啟動(dòng)、對(duì)應(yīng)的速度和啟動(dòng)、制動(dòng)信號(hào)曲線以及制動(dòng)液壓定量泵壓力特性曲線。

圖13 回轉(zhuǎn)平臺(tái)速度變化仿真曲線圖

圖14 液壓定量泵快速啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)啟動(dòng) 壓力特性曲線

圖15 液壓定量泵平穩(wěn)起動(dòng)特性

圖16 液壓定量泵對(duì)應(yīng)起動(dòng)速度曲線

圖17 液壓液壓定量泵壓力特性曲線

由圖15～圖17 可以看出，一定的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間可以提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性，且不影響系統(tǒng)響應(yīng)。

4 結(jié)論

1）通過仿真分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，可知轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響較大；回轉(zhuǎn)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)所受壓力沖擊明顯，回轉(zhuǎn)平臺(tái)出現(xiàn)來回晃動(dòng)現(xiàn)象?？肆值跗鹬貦C(jī)在回轉(zhuǎn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，停止時(shí)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，在自然環(huán)境風(fēng)力較大時(shí)更為明顯；若啟動(dòng)/停止操作速度過快，可能會(huì)引發(fā)吊臂乃至整個(gè)起重機(jī)隨其擺動(dòng)的現(xiàn)象。通常采用的解決方案為：（1）通過設(shè)計(jì)合理的緩沖回路，減少和控制液壓沖擊；（2）選擇恰當(dāng)?shù)膯?dòng)/停止控制時(shí)間，緩解啟動(dòng)/停止的瞬態(tài)沖擊。

2）工程機(jī)械中回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的慣性負(fù)載大，液壓驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)占整機(jī)作業(yè)的循環(huán)時(shí)間的比例也長，約占整個(gè)循環(huán)作業(yè)時(shí)間的50%～70%；其間所消耗的能量也較大，占整機(jī)作業(yè)所消耗能量的25%～40%。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)頻繁地啟動(dòng)/停止操作，將產(chǎn)生大量的發(fā)熱量，有的甚至達(dá)到整機(jī)作業(yè)過程中發(fā)熱量的30%～40%。因此，在設(shè)計(jì)克林吊起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)回路時(shí)，需根據(jù)克林吊起重機(jī)的工況要求，正確設(shè)置制動(dòng)、緩沖補(bǔ)油回路，從而提高克林吊起重機(jī)的生存率，改善其工作性能，減少發(fā)熱量。

3）根據(jù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作在整個(gè)吊卸工況中的時(shí)間占比以及頻繁的剎車制動(dòng)，預(yù)測節(jié)能液壓系統(tǒng)在起重運(yùn)輸與工程機(jī)械上的應(yīng)用將具有十分重要的意義。

4）通過仿真，對(duì)比分析系統(tǒng)在預(yù)設(shè)工況下的仿真曲線，得到系統(tǒng)中各元件在不同工況下對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。通過適當(dāng)增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而使得系統(tǒng)的快速特性維持不變。溢流閥的溢流壓力可對(duì)系統(tǒng)造成較大的影響，由此需在保證系統(tǒng)正常工作的前提下，降低溢流閥溢流壓力的壓力值，進(jìn)而有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低液壓系統(tǒng)所受的沖擊。

5）根據(jù)實(shí)際工況理論設(shè)計(jì)比較本文所設(shè)計(jì)的克林吊起重機(jī)液壓原理圖，經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)，速度曲線基本與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)一致，所以該仿真軟件的應(yīng)用是正確的。鑒于該軟件的圖形化建模，從建模與仿真過程可以看出，利用Amesim仿真軟件可以使研究人員從無序的、經(jīng)驗(yàn)的、類比的、依靠實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型中解脫出來，把精力集中在物理系統(tǒng)本身，有效提高研發(fā)效率。由此可知，仿真技術(shù)具有強(qiáng)大的生命力，將會(huì)越來越廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械中。