克令吊回轉機構液壓系統仿真

吳軍良，周偉中，陳冠宇，畢堅裔

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

3. 鎮江賽爾尼柯自動化有限公司，江蘇鎮江 212009；4. 渤海船舶重工有限責任公司，遼寧葫蘆島 125004）

0 引言

近年來，起重機械在運輸行業發展迅速，而克令吊的回轉機構在整個工況中占比很大，然而起重機需頻繁啟動、制動，若設計不當將會直接影響整個液壓系統能量的利用，起重機整機效率的提高。克令吊是船舶上的一種起重設備，可幫助船員完成貨物的空間運輸，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強度，提高了貨物裝載效率。因此，隨著近年來靈便型散貨船技術的發展，重型克林吊起重機械的市場需求顯著提升，年均增長約20%。據統計，裝卸費用占海運費用總運費的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。克林吊起重機吊臂的回轉、俯仰需依靠其自身的液壓回轉機構，因此，回轉機構動態特性將直接影響整個克林吊起重機的工作性能。

目前，國內外起重機制造廠商主要依靠經驗或比例模型的方法，進行回轉機構液壓驅動系統的設計，再通過實體樣機來檢驗并發現問題。在此過程中，既需花費大量的時間、精力和經費，還存在著巨大的風險。為此，通過液壓系統的仿 真設計、模擬分析，可在設計初期發現系統不合理的部分，為起重機的液壓控制系統尋找到最優的解決方案。

1 液壓模擬仿真軟件Amesim

液壓模擬仿真軟件Amesim 是一整套經過嚴格測試與試驗驗證、定義的圖形符號庫集成開發環境，用于液壓工程系統建模與負荷加載模擬仿真，使設計者預知所設計的液壓系統動態性能，從而實現對系統的優化，達到最終的設計目標。該軟件因使用了圖形化的語言工具，使用時無需書寫程序代碼，從而使液壓系統設計者只專注于物理系統本身設計，省去了繁瑣的數學求解過程。為此，本文針對船用克林吊起重機，利用Amesim構建了其俯仰與旋轉運動液壓驅動控制的系統模型，在分析液壓系統運行性能的基礎上，確認所設計系統的可行性，提出完善系統的改進方案。軟件特點如下：

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學模型，專注于對物理系統的設計。建模通過各環節邊界條件的工程技術語言描述輸入，其擴充或修變都是通過友好的GUI界面，無需編寫任何代碼。

2）在系統描述上，保留了數學方程、方塊邏輯、元素和元件4 個層級的建模方式，使得用戶可以更靈活地根據自己特長，選擇建模方式；巧妙地利用各層級的特點，構建模型的層次結構。同時，利用其線性化分析工具（如求系統的特征值，分析Bode 圖、Nyquist 圖、根軌跡圖等）分析系統的穩定性，通過所設計的系統的模態、頻譜（如快速傅里葉轉換FFT、階次分析Oldel Analysis、頻譜圖SpectlaImaps 分析等）完善設計的系統。

3）系統支持動態仿真、穩態仿真、間斷連續仿真以及批處理仿真多種仿真運行模式。

4）系統提供的基本元素，使得戶用可以用盡可能少的單元，構建盡可能多的系統。這種方式，使得系統易于學習、掌握。用戶僅需掌握較少的系統建模“要素”便可建模，從而使得系統簡便、高效。

2 在Amesim 中建立液壓系統模型

Amesim 專門為液壓系統建立了一個標準仿真模型庫，使用該標準仿真模型庫可以搭建最基本的液壓系統。液壓系統性能是液壓起重機工作性能的重要特征，其系統分為開式和閉式2 種。開式系統具有結構簡單、便于維護、油液冷卻/散熱性能好、運行中油液清潔度高、投資低廉等優點。本文在克林吊起重機設計上選用開式系統，如圖l 所示。系統的液壓動力源，采用了伺服電機驅動的定量液壓泵。溢流閥限定為系統的最高壓力，對系統進行保護。系統利用三位四通換向電磁閥，控制轉動平臺的正反轉，按照左位正轉、右位反轉、中位制動的控制方式驅動轉臺；為保證轉臺系統運行時的穩定，在系統中加設了平衡閥。整個系統的物理過程由Amesim 的腳本文件Sketch 進行液壓系統仿真建模。利用Amesim 的Parameter 模塊對系統主要元件的初始邊界參數進行設定：減速比為2 218，定量液壓泵排量為80 ml/r，額定轉速為1 000 r/min，電機額度轉速為1 000 r/min，溢流閥調定的預設壓力為23 MPa。設定好各個元件參數后，通過Run 按鈕，運行Amesim，對所設計的開式克林吊起重機液壓驅動系統進行仿真分析。

圖1 在AmesIM 中創建的回轉液壓系統仿真模型

3 仿真結果與分析

在Run 模式下將仿真精度設定為0.001 s，仿真時間設定為35 s，設定3種啟動斜坡仿真信號，仿真結果如圖2～圖4 所示。設定3 種制動信號，仿真結果如圖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，系統啟動時間會產生一定的滯后，改制后會使系統的沖擊力減緩、回轉速度的改變趨于平穩。從制動信號對應的圖6 可以看出，制動時間越長，液壓沖擊力越小，同時保持一定的制動時間可以預防液壓定量泵的反轉。

圖2 不同斜坡啟動信號曲線

圖3 不同斜坡信號對應的回轉速度曲線

圖4 不同斜坡信號對應的液壓定量泵啟動 壓力特性曲線

圖7、圖8 為回轉機構在5 種不同工作轉動慣量（5×106kg·m2、1×107kg·m2、2×107kg·m2、3×107kg·m2、4×107kg·m2）時的速度特性曲線，以及定量液壓泵啟動的壓力特性曲線。

圖5 不同斜坡制動信號曲線

圖6 不同制動信號對應的液壓定量泵壓力特性曲線

圖7、圖8 中可以看出，對回轉機構影響最直接的是慣性沖擊，負載越大，沖擊越明顯。回轉機構在啟動和制動時，都伴隨著巨大的慣性作用，由此帶來的沖擊，會減少減速機構的使用壽命。圖9、圖10 為不同負載運轉情況下，回轉機構的回轉速度和液壓定量泵的啟動特性變化。

圖7 不同慣量對回轉速度的影響

圖8 不同慣量對液壓定量泵啟動壓力的影響

圖9、圖10 為回轉機構摩擦阻力1.0×105N、1.8×105 N、2.6×105N、3.6×105N、4.6×105N、5.6×105N 時液壓定量泵的壓力特性，以及回轉機構的速度變化仿真曲線。摩擦阻力越大，負載越大，風力越大，系統響應速度越慢，但在一定程度上穩定性有所增強；在摩擦阻力≤5.0×105N 時，不同工作壓力下對回轉速度和液壓定量泵啟動特性的影響，其反應速度可滿足基本需求。

圖9 不同負載工況下液壓定量泵啟動壓力特性變化

圖10 不同負載工況下回轉平臺速度變化

由圖9、圖10 可知，其他條件不變時，起重質量的變化直接導致系統轉動慣量的變化。轉動慣量小，起重質量也小，此時系統的動態響應迅速，由于系統角加速度變化增大，從而導致系統的穩定性變差；起重質量大時，回轉機構的響應速度變慢，導致系統的壓力波動變大。通過控制系統的平衡閥，可以提高回轉機構在大轉動慣量工況下回轉運動的穩定性；同時提高小轉動慣量工況下的運轉速度，進而提高作業效率。

圖11、圖12 為不同工作壓力下對回轉機構回轉速度和液壓定量泵啟動特性的影響。在滿足克林吊起重機回轉機構系統工作壓力與速度響應要求的前提下，應盡量降低工作壓力，使系統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速度變化

圖12 不同工作壓力下液壓定量泵啟動壓力變化

圖13、圖14 為液壓定量泵快速啟動、制動、反轉啟動液壓定量泵壓力特性曲線和平臺速度變化曲線。從圖13 可以看出，系統的沖擊比較激烈；從圖14 可以看出，系統的速度不太平穩。在滿足系統回轉作業驅動工作壓力的前提下，降低工作壓力，可以降低系統所受的沖擊，也能滿足系統的速度響應要求，由此減少控制系統的能量損耗。

圖15、圖16、圖17 分別為平穩啟動、對應的速度和啟動、制動信號曲線以及制動液壓定量泵壓力特性曲線。

圖13 回轉平臺速度變化仿真曲線圖

圖14 液壓定量泵快速啟動、制動、反轉啟動 壓力特性曲線

圖15 液壓定量泵平穩起動特性

圖16 液壓定量泵對應起動速度曲線

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、制動時間可以提高系統的平穩性，且不影響系統響應。

4 結論

1）通過仿真分析回轉機構液壓驅動系統動態特性，可知轉動慣量對回轉機構動態特性的影響較大；回轉在啟動、制動時，液壓系統所受壓力沖擊明顯，回轉平臺出現來回晃動現象。克林吊起重機在回轉過程中運行平穩，停止時存在抖動現象，在自然環境風力較大時更為明顯；若啟動/停止操作速度過快，可能會引發吊臂乃至整個起重機隨其擺動的現象。通常采用的解決方案為：（1）通過設計合理的緩沖回路，減少和控制液壓沖擊；（2）選擇恰當的啟動/停止控制時間，緩解啟動/停止的瞬態沖擊。

2）工程機械中回轉機構的慣性負載大，液壓驅動的回轉運動占整機作業的循環時間的比例也長，約占整個循環作業時間的50%～70%；其間所消耗的能量也較大，占整機作業所消耗能量的25%～40%。在回轉機構的液壓系統中，回轉機構頻繁地啟動/停止操作，將產生大量的發熱量，有的甚至達到整機作業過程中發熱量的30%～40%。因此，在設計克林吊起重機的回轉機構液壓系統回路時，需根據克林吊起重機的工況要求，正確設置制動、緩沖補油回路，從而提高克林吊起重機的生存率，改善其工作性能，減少發熱量。

3）根據回轉機構工作在整個吊卸工況中的時間占比以及頻繁的剎車制動，預測節能液壓系統在起重運輸與工程機械上的應用將具有十分重要的意義。

4）通過仿真，對比分析系統在預設工況下的仿真曲線，得到系統中各元件在不同工況下對系統運行性能的影響。通過適當增加轉動慣量，提高系統的穩定性，從而使得系統的快速特性維持不變。溢流閥的溢流壓力可對系統造成較大的影響，由此需在保證系統正常工作的前提下，降低溢流閥溢流壓力的壓力值，進而有效提高系統穩定性，降低液壓系統所受的沖擊。

5）根據實際工況理論設計比較本文所設計的克林吊起重機液壓原理圖，經過仿真分析發現，速度曲線基本與實際標準一致，所以該仿真軟件的應用是正確的。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、經驗的、類比的、依靠實驗和復雜的數學模型中解脫出來，把精力集中在物理系統本身，有效提高研發效率。由此可知，仿真技術具有強大的生命力，將會越來越廣泛地應用于工程機械中。