基于AMESim的液压绞车起升性能仿真分析

胡明华,马来好，杨杰，陈海泉

基于AMESim的液压绞车起升性能仿真分析

胡明华1,马来好2，杨杰2，陈海泉2

针对具体的技术要求，对液压绞车系统进行设计，采用AMESim软件对系统进行建模，分析系统转动惯量、钢丝绳长度，以及刚度等参数对绞车性能的影响，结果表明，钢丝绳长度和刚度对绞车转速影响较小，系统转动惯量和钢丝绳刚度对吊重起升速度影响较大，钢丝绳长度影响次之。

液压绞车； AMESim；系统设计；起升性能

液压绞车是利用液压马达直接或通过减速器带动卷筒缠绕钢绳来提升重物的起重设备[1]。由于其具有起动转矩大、安全性好、噪声小、操作可靠、低速稳定性好及效率高等优点，广泛应用于船舶、港口、建筑、冶金等行业[2]。随着工程技术不断发展，绞车的速度越来越快，负载惯性越来越大，绞车系统的精准调控也就变得越来越困难[3]，因此，掌握绞车相关技术参数对其性能的影响规律，有助于改善绞车的调控效果。针对5 t吊重以0.8 m/s速度起升的技术要求，采用AMESim软件对液压绞车系统进行建模并数值仿真，研究系统转动惯量、钢丝绳长度及刚度等参数对液压绞车起升性能的影响规律，为设计出控制精准、性能优良的液压绞车系统提供参考和依据。

1 绞车液压系统设计

如图1所示，液压油从油箱1中经滤器3进入主泵6和辅泵7中，主泵6排出的液压油经电磁换向阀8流向液压马达15，辅泵7排出的液压油经电磁换向阀9流向制动器16。电磁换向阀8控制液压马达的转向，决定液压绞车的起升或下放操作。电磁换向阀9和液动换向阀13配合控制制动器的脱开或闭合。溢流阀4和12分别限定控制油路和工作油路的最高压力，平衡阀11能够使绞车的货物下放操作更加平稳。另外，节流阀10的开度调节可实现对液压马达的速度控制，即改变绞车的工作转速[4]。液压系统有关参数见式(1)～式(6)

F=Mg

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：F为钢丝绳牵引力，N；M为吊重质量，kg；D为绞车滚筒直径，m；Mw为绞车滚筒负载转矩，N·m；v为吊重速度，m/s；nw为绞车滚筒转速，r/min；i为减速比；Mm为油马达输出转矩，N·m；nm为油马达转速，r/min；qm为油马达排量，mL；p为系统工作压力，MPa；ηm为油马达的机械效率。

取绞车滚筒直径0.5 m，减速比20，系统工作压力30 MPa，油马达的机械效率0.95，计算得出油马达的转速约为610 r/min，排量为138 mL。

2 系统AMESim模型建立

采用面向系统原理图建模的AMESim软件进行液压系统建模，利用软件中的信号库、液压库和机械库中的子元件搭建整体仿真模型，包含液压泵模型、电磁换向阀模型、节流调速阀模型、平衡阀模型、高压溢流阀组模型、油马达模型、减速器模型、钢丝绳模型，以及吊重模型等，如图2所示。

3 性能分析

基于上述计算结果，仿真系统的主要参数见表1。为探讨液压绞车的起升性能，分别改变系统的转动惯量、钢丝绳长度及刚度等参数，在分析影响因素时，设定其他参数不变。通过AMESim中的批处理进行仿真对比，以分析液压绞车转速和吊重速度的变化情况[5-6]。

表1 仿真系统中的主要参数

3.1 转动惯量对绞车转速和吊重速度的影响

保持其他系统参数不变，改变系统的转动惯量，对绞车转速和吊重速度进行仿真，结果见图3。

由图3可见，增大系统转动惯量，绞车转速和吊重速度的稳态值基本保持在30.5 r/min和0.8 m/s不变，但绞车转速和吊重速度的动态响应变慢，而且转动惯量作为能量波动的一种存储，其值较大能够较好地平稳系统响应波动，这对平稳吊重的速度波动影响尤为明显。

3.2 钢丝绳长度对绞车转速和吊重速度的影响

钢丝绳为挠性件，对其受力分析[7]。

(7)

(8)

式中：Δl为钢丝绳伸长量；K为钢丝绳总刚度；Kp为单位长度钢丝绳的刚度；L为钢丝绳的长度。

由式(7)、(8)可见，当长度发生变化时，钢丝绳的总刚度也发生变化，对应的伸长量也会发生变化，而且长度变化也会伴随自重的变化，都会影响系统的起升性能。保持其他系统参数不变，改变钢丝绳长度，对绞车转速和吊重速度进行仿真，结果见图4。

由图4可见，随着钢丝绳长度的增加，绞车转速的动态变化和稳态值基本不变，影响较小，而吊重速度动态响应变慢，波动加剧，这主要是因为钢丝绳长度增加，刚度减小，内部形变量增大[8]。

3.3 钢丝绳刚度对绞车转速和吊重速度的影响

保持其他系统参数不变，改变钢丝绳刚度，对绞车转速和吊重速度进行仿真，结果见图5。

由图5可见，随着钢丝绳刚度的增加，绞车转速的动态响应时间变化不明显，而吊重速度的动态响应变快，超调量减少，更为明显的是稳定性增加，波动减小。可见钢丝绳刚度的增加有利于降低吊重起升的振动，提高系统的稳定性与可靠性[9]。

4 结论

1)适当增加系统的转动惯量，可以降低吊重起升的振动。增大系统转动惯量后，绞车转速和吊重速度的稳态值基本保持在30.5 r/min和0.8 m/s不变，但绞车转速和吊重速度的动态响应变慢，其值较大能够较好地平稳系统响应波动。

2)钢丝绳长度和刚度对绞车转速影响较小，对吊重起升的振动影响较大。钢丝绳长度的减小和刚度的增加有利于降低吊重起升的振动，提高系统的稳定性与可靠性。

[1] 卫振勇.基于AMESim的液压绞车液压系统研究[J].起重运输机械,2011(5):71-73.

[2] 汪宇亮.基于AMESim的工程机械液压系统故障仿真研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[3] 徐广阔.大功率液压绞车新型液压系统的设计与研究[D].杭州:浙江工业大学,2013.

[4] 米双山,付久长.AMESim在液压系统故障仿真中的应用[J].机床与液压,2013(11):183-186.

[5] 陆敏恂,李梦如,李万莉,等.新型液压能量回收绞车试验台的设计研究[J].同济大学学报：自然科学版,2009(7):964-968.

[6] 谢安桓,宋金威,喻峰.曳纲绞车液压系统的设计及控制研究[J].液压与气动,2014(10):11-16.

[7] 马来好.船舶液压推进系统螺旋桨负载模拟研究[D].大连:大连海事大学,2014.

[8] 张笑,胡元,秦家升.基于AMEsim的液压千斤顶优化仿真探究[J].煤矿机械,2012(11):49-50.

[9] 冯林,张新福.基于模糊自适应PID的波浪补偿控制器研究[J].船舶工程,2012(7):107-109.

[10] 高立龙.基于AMESim的负载敏感液压系统的仿真研究[J].起重运输机械,2015(12):64-68.

[11] 胡明华.基于AMESim-Simulink的船舶液压推进系统仿真研究[J].船舶工程,2015(12):28-30.

(1.江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211170；2.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 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

江苏省高校自然科学研究面上资助经费项目(16KJB580013)

胡明华(1965—)，男，硕士，副教授研究方向:轮机工程技术

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0087-04

修回日期：2016-12-09