基于AMESim的三峡升船机防撞缓冲液压系统仿真分析

2018-09-25李飞鄢玲祉邹涛

数码设计 2018年5期

李飞*，鄢玲祉，邹涛

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌，443000)

引言

三峡升船机是三峡水利枢纽的重要组成部分，是船舶翻越大坝的重要通道，船舶通过升船机可能对升船机船厢设备造成损坏，保护升船机船厢设备显的尤为重要。升船机船厢防撞系统就是保护船厢在船舶失控时保护船厢设备的装置，其主要原理是通过液压系统来减缓船舶对船厢的撞击能量。本文为提高三峡升船机防撞缓冲液压系统的性能，利用AMESim软件对其液压系统进行研究分析。AMESim仿真软件能实现多学科的液压、机械、气、动、电、热和磁等领域建模和仿真，运用范围广范；不同领域之间的模块可直接进行连接[1]。AMESim为用户提供了一个时域仿真建模工作环境，可利用已有模型和建立新的子模型元件，搭建系统优化设计所需的实际原型，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果，利用批量处理功能可以对液压仿真系统进行优化设计研究[2]。

1 峡升船机防撞缓冲系统工作原理

1.1 防撞装置系统组成

升船机承船厢上下厢头各有一套防撞装置，防撞装置主要由钢丝绳组件、带人行过道的钢桁架、钢桁架锁定装置、钢桁架启闭装置、缓冲油缸液压系统、导向滑轮、制动装置、限载与导向装置、闩锁装置、闩锁装置导向架等设备组成。如图1所示。

图1 防撞装置

1.2 防撞装置功能及工作原理

正常工作时，张紧的钢丝绳横越船厢，一端由锁闩固定在船厢的一侧，另一端经过导向滑轮后与缓冲油缸的活塞杆相连。挡船状态钢丝绳位于船厢正常水面以上0.55m。

钢丝绳受到船只撞击后，缓冲油缸的压力升高，压力达到液压控制系统溢流阀的设定压力后，溢流阀开启溢流，将船只动能转化为热能。受到船只撞击后，松弛的钢丝绳将由液压控制系统重新张紧。

过船时钢丝绳需让开通道，提升钢丝绳的工作由钢桁架完成。钢桁架的一端铰支在船厢主纵梁上，可绕支铰在竖直平面内转动90°，钢桁架的另一端装设有液压操作的锁闩装置，用于将钢丝绳从锁闩上解脱或固定。

1.3 缓冲油缸液压系统组成

缓冲油缸液压系统主要由电机、液压泵、溢流阀、单向阀、油缸、补油油箱、节流阀、三位四通电磁阀、两位三通电磁阀、软管等元件组成，其原理图如下图2所示。

1.4 缓冲油缸液压系统工作原理

缓冲油缸液压系统工作主要分为三个动作：

（1）钢丝绳预拉伸:为了实现防撞装置的功能，钢丝绳应进行预拉伸。将电液换向阀置于交叉位置,压力油经电液换向阀、液控单向阀、单向节流阀进入制动油缸有杆腔，无杆腔油液通过单向节流阀、液控单向阀和电液换向阀流回油箱，制动油缸活塞杆缩回，进行钢丝绳预拉伸动作。

（2）钢丝绳释放：在将钢丝绳从锚锭槽内提起时，必须先将电磁阀置于平行位置，压力油经电液换向阀、液控单向阀和单向节流阀进入制动无杆腔，有杆腔油液经单向节流阀、液控单向阀、电液换向阀流回油箱，制动油缸活塞杆伸出，进行钢丝绳释放动作。

（3）工作荷载（船舶碰撞）：一旦出现碰撞，钢丝绳弹性拉长，然后将液压缸活塞杆拉出，从而使油缸有杆腔的压力上升。在油缸的有杆腔设置了三个不同设定压力的溢流阀，随着钢丝绳作用力的上升，三个溢流阀被遂步打开，实现相对平稳的缓冲制动。采用压力继电器来检测制动过载（船舶冲击力）。

图2 液压系统原理图

2 液压系统建模与仿真

在AMESim环境下，启用Sketch模式并使用系统提供的HCD库、机械库、液压库和信号库建立波浪能发电的液压系统图[3]，如下图4所示。

图3 液压系统建模仿真图

在系统模型搭建完成后，系统中的每一个元件都必须分配一个数学模型。选择Submodel功能给元件选择子模型，在AMESim中，启用Premier submodel功能进行系统自动匹配元件的最简子模型。

元件参数的选择非常关键，它直接影响到液压系统仿真的结果。在Parameter模式下设置元件的主要参数值：高位油箱高度设定为 3.5m，容积200L；缸旁三个溢流阀的设定值为19MPa、24MPa、29.4MPa；缓冲油缸内径为320mm，杆径为125mm，油缸长度为2.34m，有杆伸出最大长度1.3m；系统最高压力设定为23MPa；滑块质量为85Kg；单向阀全开时流量379L/min，开启压力位0.3bar；换向阀旁两个溢流阀的设定值为5MPa，建模过程中忽略了系统管道的影响。

在Simulation模式下对系统进行时域分析，设置仿真时长为1s,通信间隔时间为0.001s，在运行模式为动态后，开始仿真。

3 仿真结果分析

在上述给定的条件下分析油缸受到87t、123t、134t和150t拉力时系统压力的动态变化情况。

（1）在油缸受到87t和123t拉力时油缸的变化情况

图4 受力为87t时油缸有杆腔压力和行程

图5 受力为123t时油缸有杆腔压力和行程

如图4所示，当油缸受到87t的拉力时，油缸有杆腔的压力开始震动变化，很快趋于平稳状态达到 12.5MPa，油缸的行程也有相应的变化过程。如图 5所示，当油缸受到123t拉力时油缸有杆腔压力在17.7MPa左右趋于平稳。比较图4和图5发现受到拉力较大时系统达到平稳时间越快。

（2）在油缸受到134t和150t拉力时油缸和溢流阀的变化情况

图6 受力为134t时油缸有杆腔压力和行程及溢流阀流量

图7 受力为150t时油缸有杆腔压力和行程及溢流阀流量

如图6所示，当油缸受到134t拉力时，油缸有杆腔的压力为19.15MPa左右，开启压力为19MPa的溢流阀开启，通过溢流阀的流量为 37.7L/min。如图7所示，当油缸受到150t拉力时，油缸有杆腔的压力为21.9MPa左右，开启压力为19MPa的溢流阀开启，通过溢流阀的流量为1154L/min。比较图6和图7发现当溢流阀开启溢流后，随着油缸受到的拉力增加，油缸的行程也变大、通过溢流阀的油液流量也增加。

比较图4至图7发现随着油缸受到的拉力越来越大，油缸达到平衡的时间有缩短的趋势。缓冲油缸的行程也是逐渐变大的趋势。

4 实验结果验证分析

4.1 实验验证

实验方案设计，为检测升船机防撞钢丝绳的安全性能，安排排水量为2876.491t船舶“鹏杰5号”以规定航速3次下行出船厢撞击防撞钢丝绳。如下图11所示。

图8 “鹏杰5号”船舶进行防撞实验

“鹏杰5号”船舶基本信息：长80m、宽14m、水面以上高度14.2m、船舶吃水2.6m、总排水量2876.491t。

实验过程中还利用各种仪器检测船舶的缓冲距离，钢丝绳的拉力值，船舶的速度，液压系统压力的变化值等数值。如下图12和图13所示。

图9 应变片安装、摄像头和激光检测仪

图10 撞击时有杆腔压力

图11 船舶撞击钢丝绳

图12 防撞钢丝绳受撞击时状态

4.2 实验结果

船舶撞击速度、钢丝绳拉力与缓冲油缸有杆腔压力三者的关系。

缓冲油缸参数：Φ320/125-1300mm。有杆腔压力为泵站内观测压力表MB11（系统压力表）所得数据。船舶以不同速度撞击钢丝绳时，钢丝绳的最大拉力及缓冲油缸有杆腔压力的关系如下表1。

表1 防撞试验特征值统计

4.3 实验结果计算分析

根据防撞系统的设计原理分析，整个防撞系统最薄弱的地方应该是与缓冲油缸和防撞钢丝绳都相连接的预断接头，查看零件图得，预断接头最大设计工作载荷为210t，材料为42CrMo，HB240-300调质处理，经现场用卷尺测量断裂点直径为54mm。42CrMo材料参数

查询得，42CrMo材料的屈服强度σs=930MPa,抗拉强度σb=1080MPa。结合上述预断接头材料的强度和横截面积参数，计算预断接头设计承载力理论值：屈服力Fs=212.97t;抗拉力Fb=247.32t。

预断接头与活塞杆连接，预断接头正常断裂时受到的拉力为 210t，极限条件下断裂受到的最大拉力为 247.32t。所以活塞杆可能受到的最大拉力在210t到247.32t之间。随船舶撞击速度增大，船舶动能增大，缓冲油缸活塞杆受力、行程、及做功增大，在船速0.41m/s撞击时，缓冲油缸已经发生第一级溢流，预断接头发生塑性变形，在0.5m/s设计速度撞击时，防撞绳最大拉力为 147t，缓冲油缸并未达到第二级溢流，预断接头尽管发生塑性形变，但至210t的最大工作荷载还有差距，船舶进厢速度在0.5m/s内都是安全的。