基于AMESim的三峽升船機(jī)防撞緩沖液壓系統(tǒng)仿真分析

李飛*，鄢玲祉，鄒濤

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北宜昌，443000)

引言

三峽升船機(jī)是三峽水利樞紐的重要組成部分，是船舶翻越大壩的重要通道，船舶通過升船機(jī)可能對(duì)升船機(jī)船廂設(shè)備造成損壞，保護(hù)升船機(jī)船廂設(shè)備顯的尤為重要。升船機(jī)船廂防撞系統(tǒng)就是保護(hù)船廂在船舶失控時(shí)保護(hù)船廂設(shè)備的裝置，其主要原理是通過液壓系統(tǒng)來(lái)減緩船舶對(duì)船廂的撞擊能量。本文為提高三峽升船機(jī)防撞緩沖液壓系統(tǒng)的性能，利用AMESim軟件對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。AMESim仿真軟件能實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的液壓、機(jī)械、氣、動(dòng)、電、熱和磁等領(lǐng)域建模和仿真，運(yùn)用范圍廣范；不同領(lǐng)域之間的模塊可直接進(jìn)行連接[1]。AMESim為用戶提供了一個(gè)時(shí)域仿真建模工作環(huán)境，可利用已有模型和建立新的子模型元件，搭建系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型，可修改模型和仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪制曲線并分析仿真結(jié)果，利用批量處理功能可以對(duì)液壓仿真系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[2]。

1 峽升船機(jī)防撞緩沖系統(tǒng)工作原理

1.1 防撞裝置系統(tǒng)組成

升船機(jī)承船廂上下廂頭各有一套防撞裝置，防撞裝置主要由鋼絲繩組件、帶人行過道的鋼桁架、鋼桁架鎖定裝置、鋼桁架啟閉裝置、緩沖油缸液壓系統(tǒng)、導(dǎo)向滑輪、制動(dòng)裝置、限載與導(dǎo)向裝置、閂鎖裝置、閂鎖裝置導(dǎo)向架等設(shè)備組成。如圖1所示。

圖1 防撞裝置

1.2 防撞裝置功能及工作原理

正常工作時(shí)，張緊的鋼絲繩橫越船廂，一端由鎖閂固定在船廂的一側(cè)，另一端經(jīng)過導(dǎo)向滑輪后與緩沖油缸的活塞桿相連。擋船狀態(tài)鋼絲繩位于船廂正常水面以上0.55m。

鋼絲繩受到船只撞擊后，緩沖油缸的壓力升高，壓力達(dá)到液壓控制系統(tǒng)溢流閥的設(shè)定壓力后，溢流閥開啟溢流，將船只動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。受到船只撞擊后，松弛的鋼絲繩將由液壓控制系統(tǒng)重新張緊。

過船時(shí)鋼絲繩需讓開通道，提升鋼絲繩的工作由鋼桁架完成。鋼桁架的一端鉸支在船廂主縱梁上，可繞支鉸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，鋼桁架的另一端裝設(shè)有液壓操作的鎖閂裝置，用于將鋼絲繩從鎖閂上解脫或固定。

1.3 緩沖油缸液壓系統(tǒng)組成

緩沖油缸液壓系統(tǒng)主要由電機(jī)、液壓泵、溢流閥、單向閥、油缸、補(bǔ)油油箱、節(jié)流閥、三位四通電磁閥、兩位三通電磁閥、軟管等元件組成，其原理圖如下圖2所示。

1.4 緩沖油缸液壓系統(tǒng)工作原理

緩沖油缸液壓系統(tǒng)工作主要分為三個(gè)動(dòng)作：

（1）鋼絲繩預(yù)拉伸:為了實(shí)現(xiàn)防撞裝置的功能，鋼絲繩應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸。將電液換向閥置于交叉位置,壓力油經(jīng)電液換向閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥進(jìn)入制動(dòng)油缸有桿腔，無(wú)桿腔油液通過單向節(jié)流閥、液控單向閥和電液換向閥流回油箱，制動(dòng)油缸活塞桿縮回，進(jìn)行鋼絲繩預(yù)拉伸動(dòng)作。

（2）鋼絲繩釋放：在將鋼絲繩從錨錠槽內(nèi)提起時(shí)，必須先將電磁閥置于平行位置，壓力油經(jīng)電液換向閥、液控單向閥和單向節(jié)流閥進(jìn)入制動(dòng)無(wú)桿腔，有桿腔油液經(jīng)單向節(jié)流閥、液控單向閥、電液換向閥流回油箱，制動(dòng)油缸活塞桿伸出，進(jìn)行鋼絲繩釋放動(dòng)作。

（3）工作荷載（船舶碰撞）：一旦出現(xiàn)碰撞，鋼絲繩彈性拉長(zhǎng)，然后將液壓缸活塞桿拉出，從而使油缸有桿腔的壓力上升。在油缸的有桿腔設(shè)置了三個(gè)不同設(shè)定壓力的溢流閥，隨著鋼絲繩作用力的上升，三個(gè)溢流閥被遂步打開，實(shí)現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)的緩沖制動(dòng)。采用壓力繼電器來(lái)檢測(cè)制動(dòng)過載（船舶沖擊力）。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓系統(tǒng)建模與仿真

在AMESim環(huán)境下，啟用Sketch模式并使用系統(tǒng)提供的HCD庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)和信號(hào)庫(kù)建立波浪能發(fā)電的液壓系統(tǒng)圖[3]，如下圖4所示。

圖3 液壓系統(tǒng)建模仿真圖

在系統(tǒng)模型搭建完成后，系統(tǒng)中的每一個(gè)元件都必須分配一個(gè)數(shù)學(xué)模型。選擇Submodel功能給元件選擇子模型，在AMESim中，啟用Premier submodel功能進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)匹配元件的最簡(jiǎn)子模型。

元件參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵，它直接影響到液壓系統(tǒng)仿真的結(jié)果。在Parameter模式下設(shè)置元件的主要參數(shù)值：高位油箱高度設(shè)定為 3.5m，容積200L；缸旁三個(gè)溢流閥的設(shè)定值為19MPa、24MPa、29.4MPa；緩沖油缸內(nèi)徑為320mm，桿徑為125mm，油缸長(zhǎng)度為2.34m，有桿伸出最大長(zhǎng)度1.3m；系統(tǒng)最高壓力設(shè)定為23MPa；滑塊質(zhì)量為85Kg；單向閥全開時(shí)流量379L/min，開啟壓力位0.3bar；換向閥旁兩個(gè)溢流閥的設(shè)定值為5MPa，建模過程中忽略了系統(tǒng)管道的影響。

在Simulation模式下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為1s,通信間隔時(shí)間為0.001s，在運(yùn)行模式為動(dòng)態(tài)后，開始仿真。

3 仿真結(jié)果分析

在上述給定的條件下分析油缸受到87t、123t、134t和150t拉力時(shí)系統(tǒng)壓力的動(dòng)態(tài)變化情況。

（1）在油缸受到87t和123t拉力時(shí)油缸的變化情況

圖4 受力為87t時(shí)油缸有桿腔壓力和行程

圖5 受力為123t時(shí)油缸有桿腔壓力和行程

如圖4所示，當(dāng)油缸受到87t的拉力時(shí)，油缸有桿腔的壓力開始震動(dòng)變化，很快趨于平穩(wěn)狀態(tài)達(dá)到 12.5MPa，油缸的行程也有相應(yīng)的變化過程。如圖 5所示，當(dāng)油缸受到123t拉力時(shí)油缸有桿腔壓力在17.7MPa左右趨于平穩(wěn)。比較圖4和圖5發(fā)現(xiàn)受到拉力較大時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)間越快。

（2）在油缸受到134t和150t拉力時(shí)油缸和溢流閥的變化情況

圖6 受力為134t時(shí)油缸有桿腔壓力和行程及溢流閥流量

圖7 受力為150t時(shí)油缸有桿腔壓力和行程及溢流閥流量

如圖6所示，當(dāng)油缸受到134t拉力時(shí)，油缸有桿腔的壓力為19.15MPa左右，開啟壓力為19MPa的溢流閥開啟，通過溢流閥的流量為 37.7L/min。如圖7所示，當(dāng)油缸受到150t拉力時(shí)，油缸有桿腔的壓力為21.9MPa左右，開啟壓力為19MPa的溢流閥開啟，通過溢流閥的流量為1154L/min。比較圖6和圖7發(fā)現(xiàn)當(dāng)溢流閥開啟溢流后，隨著油缸受到的拉力增加，油缸的行程也變大、通過溢流閥的油液流量也增加。

比較圖4至圖7發(fā)現(xiàn)隨著油缸受到的拉力越來(lái)越大，油缸達(dá)到平衡的時(shí)間有縮短的趨勢(shì)。緩沖油缸的行程也是逐漸變大的趨勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析

4.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，為檢測(cè)升船機(jī)防撞鋼絲繩的安全性能，安排排水量為2876.491t船舶“鵬杰5號(hào)”以規(guī)定航速3次下行出船廂撞擊防撞鋼絲繩。如下圖11所示。

圖8 “鵬杰5號(hào)”船舶進(jìn)行防撞實(shí)驗(yàn)

“鵬杰5號(hào)”船舶基本信息：長(zhǎng)80m、寬14m、水面以上高度14.2m、船舶吃水2.6m、總排水量2876.491t。

實(shí)驗(yàn)過程中還利用各種儀器檢測(cè)船舶的緩沖距離，鋼絲繩的拉力值，船舶的速度，液壓系統(tǒng)壓力的變化值等數(shù)值。如下圖12和圖13所示。

圖9 應(yīng)變片安裝、攝像頭和激光檢測(cè)儀

圖10 撞擊時(shí)有桿腔壓力

圖11 船舶撞擊鋼絲繩

圖12 防撞鋼絲繩受撞擊時(shí)狀態(tài)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

船舶撞擊速度、鋼絲繩拉力與緩沖油缸有桿腔壓力三者的關(guān)系。

緩沖油缸參數(shù)：Φ320/125-1300mm。有桿腔壓力為泵站內(nèi)觀測(cè)壓力表MB11（系統(tǒng)壓力表）所得數(shù)據(jù)。船舶以不同速度撞擊鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩的最大拉力及緩沖油缸有桿腔壓力的關(guān)系如下表1。

表1 防撞試驗(yàn)特征值統(tǒng)計(jì)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析

根據(jù)防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理分析，整個(gè)防撞系統(tǒng)最薄弱的地方應(yīng)該是與緩沖油缸和防撞鋼絲繩都相連接的預(yù)斷接頭，查看零件圖得，預(yù)斷接頭最大設(shè)計(jì)工作載荷為210t，材料為42CrMo，HB240-300調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)用卷尺測(cè)量斷裂點(diǎn)直徑為54mm。42CrMo材料參數(shù)

查詢得，42CrMo材料的屈服強(qiáng)度σs=930MPa,抗拉強(qiáng)度σb=1080MPa。結(jié)合上述預(yù)斷接頭材料的強(qiáng)度和橫截面積參數(shù)，計(jì)算預(yù)斷接頭設(shè)計(jì)承載力理論值：屈服力Fs=212.97t;抗拉力Fb=247.32t。

預(yù)斷接頭與活塞桿連接，預(yù)斷接頭正常斷裂時(shí)受到的拉力為 210t，極限條件下斷裂受到的最大拉力為 247.32t。所以活塞桿可能受到的最大拉力在210t到247.32t之間。隨船舶撞擊速度增大，船舶動(dòng)能增大，緩沖油缸活塞桿受力、行程、及做功增大，在船速0.41m/s撞擊時(shí)，緩沖油缸已經(jīng)發(fā)生第一級(jí)溢流，預(yù)斷接頭發(fā)生塑性變形，在0.5m/s設(shè)計(jì)速度撞擊時(shí)，防撞繩最大拉力為 147t，緩沖油缸并未達(dá)到第二級(jí)溢流，預(yù)斷接頭盡管發(fā)生塑性形變，但至210t的最大工作荷載還有差距，船舶進(jìn)廂速度在0.5m/s內(nèi)都是安全的。

4.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真所得結(jié)果在數(shù)值上極為接近，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了相互論證。通過仿真模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以推斷出防撞鋼絲繩在受到更大力撞擊時(shí)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果還對(duì)油缸受到不同撞擊力時(shí)溢流閥的開啟情況進(jìn)行了研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用AMESim軟件對(duì)三峽升船機(jī)防撞緩沖液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，防撞裝置能夠有效阻攔測(cè)試船舶“鵬杰5號(hào)”（總排水量約2500t）在0.5m/s設(shè)計(jì)速度的沖擊，并且有一定的安全裕度[4-5]。

（2）通過在一定條件下利用船舶對(duì)鋼絲進(jìn)行撞擊的實(shí)際試驗(yàn)，測(cè)試到的結(jié)果有效的證明了仿真系統(tǒng)結(jié)論的正確性。

（3）通過 AMESim仿真軟件，建立了防撞裝置緩沖模型，模擬了防撞鋼絲繩受到不同大小力撞擊時(shí)油缸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，還對(duì)系統(tǒng)溢流閥的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究。

（4）利用軟件對(duì)升船機(jī)防撞液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要的意義，為以后更好的分析解決升船機(jī)運(yùn)行中遇到的各種液壓?jiǎn)栴}提供了一個(gè)新的方法和思路。

（5）仿真分析中得到的溢流閥的相關(guān)數(shù)據(jù)，給以后實(shí)驗(yàn)測(cè)試提供了一定的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，仿真所得數(shù)據(jù)也需要實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來(lái)進(jìn)行深入論證。

（6）根據(jù)實(shí)測(cè)，緩沖油缸發(fā)生第一級(jí)溢流時(shí)，預(yù)斷接頭已發(fā)生塑性形變，從安全角度考慮，建議船舶撞擊防撞裝置后應(yīng)及時(shí)更換預(yù)斷接頭。

[1] 付永領(lǐng),祁曉野. LMS Imagine.Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2011. 2.

[2] 劉緒儒,黃連忠,林煌翔,等.基于 AMESim 船舶風(fēng)翼回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析[J].液壓氣動(dòng)與密封,2013(4)：30-34.

[3] 劉仕平,楊非,雷金柱. 基于 AMESim 的工程車輛液壓懸架系統(tǒng)仿真[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào), 2008.29(1):74-77.

[4] 孟慶鑫,弓海霞,楊清梅,袁夫彩.水下遙控鉆孔機(jī)的比例閥控系統(tǒng)及其仿真的研究[J].機(jī)床與液壓,2004,(01).

[5] 何清華,張大慶,郝鵬,張新海.液壓挖掘機(jī)工作裝置仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,(03).