船用起重機開閉式液壓系統的仿真分析比較

任建輝，湯 波，姬紅斌，王進峰

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

船用起重機開閉式液壓系統的仿真分析比較

任建輝，湯 波，姬紅斌，王進峰

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

為比較船用起重機開、閉式液壓系統的性能差異，以30 t/28 m船用起重機為研究對象，應用AMESim仿真平臺分別建立開、閉式液壓系統中起升回路的仿真模型，對其在最大工作幅度28 m、起吊額定載荷30 t工況進行仿真分析，結果表明，閉式液壓系統能夠回收電動機反饋制動產生的電能，系統效率和起吊重物時的壓力沖擊高于開式液壓系統，兩者對機械結構的沖擊基本一致。

船用起重機；AMESim；開式系統；閉式系統；仿真

按照調速方式的不同，船用起重機液壓系統有開式和閉式兩種形式[1]。開式液壓系統一般采用負載敏感控制，通過變量泵和負載敏感閥，使泵的輸出功率與負載相適應，從而達到節能的目的[2]；閉式液壓系統一般采用變量泵直接控制液壓馬達，節流損失小、效率高，但結構復雜、成本較高。目前，相關文獻主要集中在對閉式液壓系統的實際故障進行處理和開、閉式液壓系統工作原理的分析比較及節能探討[3-4]。由于船用起重機液壓系統往往需要根據實際情況選用開式或閉式系統，因此，對兩者性能進行分析。

1 閉式起升回路的仿真分析

起升回路是用來實現貨物升降的回路，是起重機中最基本最重要的回路，其工作性能的優劣將直接影響起重機的技術性能。

1.1 仿真模型的建立

船用起重機閉式液壓系統中起升回路在仿真平臺AMESim中的模型見圖1。

圖1 閉式起升回路的仿真模型

其工作原理為：在起升重物的過程中，異步電動機驅動變量泵，變量泵輸出的高壓油直接進入液壓馬達，通過行星齒輪減速機驅動卷揚機工作；在下放重物的過程中，液壓馬達工作在泵工況，而液壓泵則工作在馬達工況，并拖動異步電動機加速旋轉，當轉速超過其同步轉速時，電動機處于反饋制動狀態，輸出轉矩與轉動方向相反，從而實現對重物下放速度的控制。

1.2 仿真參數設置

在仿真模型中，為模擬船用起重機在最大工作幅度28 m時，使用吊鉤起升和下放30 t重物的整個過程，需要在不同時刻輸入相應的控制信號。整個仿真過程時間為60 s，控制信號時序表見表1。

表1 閉式起升回路控制信號時序表

1.3 仿真結果分析

在起升和下放重物的過程中，起升回路一側始終為高壓，另一側始終為低壓，且低壓側壓力與補油壓力相等，高壓側壓力取決于負載。起升回路高壓側壓力隨時間變化見圖2。

由圖2可見，補油泵開啟后壓力迅速上升至2.5 MPa。當起升變量泵以最大排量突然開啟時，瞬時最大壓力達40 MPa，在安全閥(設定壓力為38 MPa)的作用下迅速衰減至20 MPa左右。

在起升和下放重物過程中，主電動機的轉動方向不變，通過泵的變量來改變重物的運動速度大小和方向。主電動機輸出轉矩隨時間的變化見圖3。

圖3 主電動機輸出轉矩變化曲線

由圖3可見，在起升重物的過程中，主電動機輸出的轉矩與轉動方向相同，在變量泵啟動瞬間，最大值達1 440 N·m，隨后繞平均值620 N·m振動；而在下放重物的過程中，電動機輸出的轉矩與轉動方向相反，主電動機處于反饋制動狀態。如果能將主電動機反饋制動過程中產生的電能回收，將顯著提高系統的效率。

在重物離地瞬間，船用起重機的機械結構和液壓系統均受到較大沖擊。起升滑輪組彈性力隨時間變化的曲線見圖4。

圖4 起升滑輪組彈性力變化曲線

由圖4可見，在重物離地瞬間，船用起重機的機械結構和液壓系統均受到較大的沖擊，起升滑輪組最大彈性力達342.3 kN，遠超過重物自重294.3 kN，起升動載系數為1.16。根據文獻[5]計算動載系數的理論值φ2

(1)

式中：c——操作系數，取c=0.5；

v——額定起升速度，取v=0.333 m/s；

δ——結構質量影響系數，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構靜變位值，取y0=0.112 m。

計算得出φ2=1.11。

仿真結果與理論計算結果相近，進一步驗證了模型的正確性及方法的可行性。

重物位移隨時間變化的曲線見圖5。

圖5 重物位移曲線

由圖5可見，變量泵開啟1.5 s后重物開始上行，在t=4.5～26 s上行高度為6.8 m(包括減速制動過程)，隨后懸停在空中；在t=30～52 s內下降至水平面，最大速度約20 m/min。在整個運行過程中，重物上行時無下滑趨勢，下放時無失速現象，運行平穩，符合設計要求。

2 開式起升回路的仿真分析

2.1 仿真模型的建立

為對船用起重機開、閉式液壓系統進行有效的對比分析，需要在機械結構不變的條件下，建立開式液壓系統中起升回路的仿真模型。圖6為其在仿真平臺AMESim中的模型。

圖6 開式起升回路的仿真模型

為提高系統的效率，使泵輸出的流量僅與輸入的控制信號有關，開式起升回路采用負載敏感控制。其工作原理為：當比例方向閥右位或左位接通時，泵輸出的油液驅動液壓馬達起升或下放重物，同時通過閥體內部油路將負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控制變量控制閥，進而推動變量機構，使壓差始終保持不變。

2.2 仿真參數設置

與閉式液壓系統類似，為模擬開式液壓系統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重物的整個過程，需要在不同時刻輸入相應的控制信號。整個仿真過程時間為60 s，控制信號時序表見表2。

2.3 仿真結果分析

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

圖7 比例方向閥油口壓力變化

圖7表明，在變量泵處于開啟待機狀態時，泵輸出的流量僅補償內部泄漏，功率損失很小；當換向閥右位接通時，壓力油口P與工作油口A相通，壓力變化趨勢基本保持一致，在15～20 MPa之間振蕩，液壓馬達驅動卷筒起升重物；當換向閥處于中位時，壓力油口P保壓，工作油口A、B與回油口T相通，起升液壓馬達兩側管路油液均直接回油箱；當換向閥左位接通時，壓力油口P與工作油口B相通，壓力變化趨勢仍基本保持一致，在4～5 MPa之間振蕩，液壓馬達驅動卷筒下放重物。

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

圖8 比例方向閥油口壓差變化

由圖8可見，在起升重物的過程中，由于比例方向閥工作油口A的壓力油經高壓優先梭閥引至負載敏感泵的控制腔，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，因而通過閥的流量只與輸入的控制信號有關。可見，通過負載敏感控制，可使變量泵始終工作于與負載功率(負載壓力與所控制流量的乘積)匹配的狀況，具有明顯的節能效果。

但是，在下放重物時，為防止重物失速造成事故，必須增設平衡閥以限制下放速度，重物的勢能幾乎全部轉化為油液的熱能，造成能量浪費和系統發熱。電動機的輸出轉矩隨時間變化見圖9。

圖9 電動機輸出轉矩變化

由圖9可見，在起升重物的過程中，電動機的最大輸出轉矩為740 N·m，隨后繞平均值660 N·m振動；在下放重物的過程中，電動機的輸出轉矩繞平衡位置180 N·m振動。電動機輸出的轉矩始終與轉動方向相同。

在重物離地瞬間，船用起重機的機械結構和液壓系統同樣均受到較大沖擊，圖10為開式液壓系統中起升滑輪組彈性力隨時間的變化。

圖10 起升滑輪組彈性力變化

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

重物位移隨時間的變化見圖11。

圖11 重物位移

由圖11可見，受臂架、鋼絲繩滑輪組變形及負載敏感泵動態特性的影響，重物在比例方向閥接通約2.2 s之后才開始上行，在t=5.2～26 s內的上行高度為6.2 m(包括減速制動過程)，之后懸停在空中，在t=30.0～51.5 s內平穩下降至水平面，最大速度約為20 m/min，符合設計要求。

3 開、閉式起升回路的對比分析

3.1 效率對比分析

不論在開式或閉式液壓系統中，起升回路均由變量泵開啟待機、起升重物和下放重物等3個階段組成。

1)變量泵待機。當變量泵開啟待機時，泵輸出的流量僅補償內部泄漏，功率損失很小，均可忽略不計。

2)起升重物。

3)下放重物。

(1)在閉式液壓系統中，主電動機工作在反饋制動狀態，不考慮功率回收。補油電動機的輸出功率即為回路的功率損失，Pb=7.8kW。

(2)在開式液壓系統中，變量泵輸出的壓力油經過比例方向閥后，為外控式平衡閥提供先導控制壓力油，主電動機的輸出功率即為回路的功率損失，PM=32.8kW。

可見，在起升重物過程中，閉式液壓系統的效率略高于開式液壓系統，功率損失分別主要表現在補油壓力損失和閥口節流損失。但是，在下放重物過程中，閉式液壓系統的功率損失明顯小于開式液壓系統，并且可以通過回收電動機反饋制動產生的電能，進一步提高系統的總效率。

3.2 啟、制動性能對比分析

在閉式液壓系統中，由于液壓泵、馬達的進出油口直接相連，因此，當泵以最大排量突然啟動時，系統壓力沖擊瞬時達40MPa；而開式液壓系統由于比例方向閥的閥口節流作用，壓力沖擊僅20MPa，但重物啟動較慢。

3.3 對機械結構沖擊對比分析

在開式和閉式液壓系統中，船用起重機起升滑輪組彈性力大小和變化趨勢基本相同。可見，機械結構動載荷主要取決于船用起重機的機械結構，受液壓系統形式影響較小。

4 結論

1)在船用起重機開式負載敏感液壓系統中，變量泵始終工作在與負載功率匹配的狀況，具有明顯的節能效果；

2)船用起重機在起升負載時，閉式液壓系統的效率略高于開式液壓系統；在下放負載時，前者可以通過電動機的反饋制動，將負載的重力勢能轉換為電能進行回收，但后者只能通過平衡閥將負載的重力勢能轉換為熱能；

3)船用起重機在起升負載時，閉式液壓系統的壓力沖擊高于開式液壓系統，但整機動態載荷主要取決于機械結構，受液壓系統形式影響較小；

4)船用起重機在實際選用開式或閉式液壓系統時，應同時兼顧安裝空間、操作人員習慣和工作環境等因素的影響。

[1] 李壯云.液壓元件與系統 [M].3版.北京:機械工業出版社,2012.

[2] 魏建華,肖 慧.H3026000-4000船用甲板式起重機液壓系統設計[J].液壓與氣動,2010,(6):15-18.

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

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

[5] 桂壽平.門座起重機動載系數φ2的計算與測試數據對比分析[C]∥中國的經濟建設與21世紀的物料搬運技術——中國機械工程學會物料搬運分會第五屆學術年會論文集,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

國家發改委項目

任建輝(1980-)，男，學士，工程師

TH137

A

1671-7953(2015)01-0107-05

修回日期：2014-08-22

研究方向:船用超重機液壓系統開發設計

E-mail:whcj@wmmp.com.cn