SCC12000TM履帶式起重機機電液聯合仿真建模*

康 濱，賀 信，尹旭男，韓洪濤，李 兵

(1.浙江三一裝備有限公司，浙江 湖州 313000；2.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

傳統履帶式起重機在超起配重離地和移動時會出現整機傾翻和回轉支承結構安全的問題，曹思晴為解決這個問題，采用了集中參數法[1]。近些年，機電液聯合仿真在工業領域應用十分廣泛，對復雜系統進行分析時，需要使用到機械、液壓和控制三個領域的工程軟件，而復雜系統是由不同領域子系統所構成的，單個領域的工程軟件的仿真或是建模并不能達到研究目的，所以要將各個領域工程軟件聯合起來進行仿真，發揮各個軟件的優勢，便于對復雜系統分析[2]。

為解決上述問題，以SCC12000TM履帶式起重機為例，對其進行機電液聯合仿真建模。首先使用Adams軟件建立SCC12000TM履帶式起重機整機多體動力學仿真模型；其次利用Amesim軟件來建立起移動超起配重油缸四連桿機構的液壓系統仿真模型；最后采用Matlab軟件中的Simulink建立移動超起配重離地和移動的控制模型。Simulink完成輸入信號的給定，Adams反饋相應傳感器信息給Simulink，Amesim軟件再將油缸伸縮位移信號反饋至Simulink，將上述三個軟件數據信號交互，實現履帶起重機的機電液聯合仿真。

1 機電液聯合仿真模型建立

1.1 Adams多體動力學模型

Adams軟件具有強大的復雜機械系統多體動力學參數化建模功能。創建完全參數化幾何模型需使用到約庫、力庫、零件庫和交互式圖形環境，其仿真可用于峰值載荷、碰撞檢測、預測機械系統的性能、運動范圍和計算有限元輸入載荷等[3]。

文中采用Adams軟件建立SCC12000TM整機多體動力學仿真模型。SCC12000TM履帶式起重機的簡化模型如圖1所示。該模型由下車(履帶架、底座)、上車、中央配重、后配重、主臂、超起桅桿、主桅桿、超起、配重和超起配重撐架構成。真實油缸由超起配重移動油缸、主臂防后傾油缸、主桅桿防后傾油缸、超起桅桿防后傾油缸和超起配重提升油缸組成。虛擬油缸由主變幅，超起變幅,提升組成。傳感器由主臂臂頭主臂拉板拉力傳感器、主臂角度傳感器、超起桅桿角度傳感器、主變幅拉板拉力傳感器、超起配重離地高度傳感器、超起配重移動油缸行程傳感器、超起配重提升油缸提升力傳感器組成。

圖1 SCC12000TM履帶式起重機的簡化模型

文中所建立的多體動力學仿真模型可以實現起臂、起升重物、變幅過程的仿真，繼而得到各個鉸接點力和拉板力，為起重機的總體設計和有限元分析提供載荷。

1.2 Amesim移動超起配重機構液壓模型

Amesim可以用來建立多學科領域的系統模型，用戶可以在建立多學科領域的系統模型的基礎上進行仿真計算和深入分析，也可在這個平臺上進行研究任何元件或者系統的動態性能和系統的穩態[4-5]。移動超起配重執行機構液壓仿真模型如圖2所示。

圖2 移動超起配重執行機構液壓仿真模型

Amesim移動超起配重機構液壓模型系統仿真的過程如下：

(1)通過Simulink軟件求出平移油缸的速度，再由此給出泵比例閥的信號輸入。

(2)在Simulink軟件中輸入電磁換向閥正、負電信號，實現油缸的伸出和縮回。

(3)將Simulink軟件給出的油缸位置信號作為Adams軟件的輸入信號，通過一系列計算可以得到油缸的受力情況并通過Simulink將此信號反饋至Amesim中，用以計算出系統壓力。

1.3 Simulink仿真模型

Matlab軟件可用作數據分析以及控制系統仿真。其中Matlab軟件中的Simulink可以用來對動態系統進行建模、仿真和分析。Simulink進行搭建仿真控制模型時，能夠為用戶提供便捷的操作界面，更易于操作和使用，與傳統的仿真軟件相比較，Simulink軟件能更為直觀和清晰的向用戶呈現控制仿真模型[6]。

文中采用Simulink對整個系統進行整體控制仿真模型的建立。該控制模型包括傾覆穩定性控制、回轉支撐承載能力控制和主拉力板拉力范圍控制三部分組成。Matlab中的Simulink軟件主要完成輸入信號的給定、主臂拉板的速度信號的給定、提升油缸的吊重離地過程力的給定和提升過程位移的給定。使用Simulink軟件建立控制系統仿真建模，首先要保證當整機時不可傾翻與回轉支承等結構安全，然后要使拉板力和角度限位滿足建模和控制的要求，最后保證系統的控制邏輯也要滿足要求。

1.4 系統控制框圖

系統控制框圖如圖3所示。在對起重機控制系統進行建模與仿真時，將Simulink中的主臂拉板油缸速度信號、提升油缸吊重離地過程力和提升過程位移給定Adams軟件，Adams軟件再將超起配重離地高度傳感器、主變幅拉板力傳感器和超起后配重半徑允許值的信號反饋至Simulink軟件，根據主變幅拉板力傳感器、超起配重離地高度傳感器、超起半徑實際值和計算允許值來進行邏輯判斷進而控制液壓水平油缸比例閥電流。同樣的，Simulink軟件對Amesim軟件進行輸入信號的給定，Amesim軟件再將油缸伸縮位移信號反饋至Simulink軟件，通過控制液壓水平油缸比例閥電流來實現油缸提升和下降。對控制系統進行建模時，系統的水平油缸移動和提升油缸共用一個泵。系統的控制邏輯如下：

圖3 系統控制框圖

(1)當主變幅拉板力大于300 t，停止趴臂起鉤、超起配重往下落、托架油缸往回拉動作；當主變幅拉板力小于30 t，停止起臂、落鉤、超起配重往上起、托架油缸往前推動作。

(2)當主變幅桅桿拉力大于80 t后，超起配重往后走；當拉力小于30 t后，停止移動。

(3)當主變幅桅桿拉力小于40 t后，超起配重往前走；當拉力大于220 t后，停止移動。

(4)當超起配重離地高度大于350 mm后，停止提升超起配重油缸和往后推超起配重動作，并報警“超起配重離地過高，請降低高度”；當離地高度小于100 mm后，停止下降超起配重油缸動作和往前拉超起配重，并報警“超起配重離地太低”。

(5)當超起半徑大于21.2 m后，超起配重水平油缸禁止往外推，并報警“超起半徑過大，禁止超起配重往后運動”；當超起半徑小于14.5 m，超起配重平油缸禁止往里拉，并報警“超起半徑過小，禁止超起配重往前運動”。

2 總 結

建立了SCC12000TM履帶式起重機機電液聯合仿真模型，包括Adams軟件建立多體動力學模型、Amesim軟件建立移動超起配重機構液壓模型和Matlab中的Simulink建立移動超起配重離地和移動的控制模型。文中Simulink軟件完成對輸入信號的給定，Adams軟件反饋相應傳感器信息給Simulink軟件，Amesim軟件將油缸伸縮位移信號反饋至Simulink軟件，將三個軟件進行信號交互，實現起重機的機電液聯合仿真。通過建立SCC12000TM履帶式起重機機電液聯合仿真模型可為履帶起重機機電液聯合仿真的研究奠定基礎，保證起重機的安全性，從而大大節約起重機設計成本，提高效率。