基于AMESim仿真平台的塔式起重机液压驱动起升机构动载仿真.pdf

基于 AME S i m 仿真平台的塔式起重机 液压驱动起升机构动载仿真 王玉柱 许志沛 张劲予 张昆明 李文涛 1西南交通大学 机械工程学院成都6 1 0 0 3 1 2四J 1 l 现代建设机电集 团有限公司 成都6 1 1 7 3 0 摘 要论述了依据某新型塔式起重机研制中的液压驱动起升机构作业工况，采用 A M E S i m仿真分析软件 进行仿真的研究及其成果。 ’ 从得出的相应作业特性曲线分析该机构冲击响应状况与参数特征，表明该机构具有 较机械传动的塔式起重机起升机构在冲击响应、调速范围等参数上的优势，为基于虚拟平台的全液压塔式起重 机研发做出了有益的尝试，并值得类似产品虚拟样机开发借鉴。 关键词 塔式起重机；动载；液压驱动 ；起升机构；A ME S i m 中图分 类号 T H 2 1 3 ． 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 0 9 0 0 5 1 0 4 Ab s t r a c t T h e p a p e r d e s c rib e s t h e wo r k i n g c o n d i t i o n s o f a h y d r a u l i c l i h i n g me c h a n i s m i n d e v e l o p me n t b a s e d o n c e r - t a i n n e w t y p e t o we r c r a n e，a n d t h e s i mu l a t e d r e s e a r c h a n d o u t c o me f r o m a n a l y s i s wi t h AMES i m．T h e i mp a c t r e s p o n s e s t a t e a n d p a r a me t r i c c h a r a c t e ris t i c s o f t h e s t r u c t u r e are a n a l y z e d b a s e d o n t h e c o r r e s p o n d i n g w o r k i n g e u r y e ，i n d i c a t i n g t h a t t h e s t ruc t ur e ha s a d v a n t a g e s i n r e s p e c t o f i mp a c t r e s po n s e an d s pe e d r e g u l a t i n g s c o p e，e t c ．，c o mpa r e d t o me c ha n i c a l d riv e t o w e r c r a n e s ．I t i s a v a l u a b l e a t t e mp t f o r t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f t h e f u l l - h y d r a u l i c t o w e r c r a n e b a s e d o n t h e v i r t u e p l a t f o r m a n d p r o v i d e s r e f e r e n c e t o d e v e l o p v i rt u a l p r o t o t y p e o f s i mi l a r p r o d u c t s ． Ke y wo r d st o we r c r a n e ；d y n a mi c l o a d；h y d r a u l i c d r i v e ；l i f t i n g me c h a n i s m；AMES i m 0引言 1 液压驱动起升机构设计 本文源于某重 大技术装备 创新科研项 目，该 项 目通过研究 某型塔 式起 重机 以下简 称塔 机 性能优化和轻量化关键技术 ，利用国产低速大扭 矩液压传 动和先导伺服液 压控制等技术 ，解决 提 高塔机作业 的平稳性 、安全性 和调速性 能 ，以及 降低 自重和噪声等问题。 相对于单 一 的机 械传动 ，液压传动机 构 的质 量更轻 ，结构 紧凑 ，惯性较 小 ，通 过液压 管路 的 灵活连接设置 可方便传动机构 的布置 ，可大范 围 地实现无级 调速 ，且 具有传动 平稳 、易 于实现过 载保护和 自动 化等优点。将 液压传动应用 于塔机 的机构传 动，可实现起 制动平稳 ，能 自动依作业 负载的大小调 节作业速度 高低 ；且 传动构成 、配 套的电气设备 简单 ，可避免 塔机 的各 电动机 分立 配置和频繁 、带载启动 。 塔机全液压驱动 的主要研制 方案是保 留原顶 升液压系统 ， 将 起升、变 幅、回转机构 改为液压 驱动 ，相应位置基本不变。液 压泵站与多路 阀置 于平衡臂靠 近平衡 重一侧 ，充 当一定 的平衡 重 ， 以减轻塔机 自重 ，该方案的布置简 图和现场实 景 如 图 1所示 1 ．配重2 ．液压泵站3 ．多路阀4 ．起升机构 5 ． 液压管路6 ．回转机构7 ．变 幅机构 8 ． 先导 阀 司机室 内 图 1 研制方案的布置简图 四川省重大技术装备创新研制专项 2 0 1 2年项 目资助 川财建 [ 2 0 1 2 ]2 9 7号 起重运输机械 2 0 1 5 f 9 一 51 2液压原理分析 如图2所示 ，该起升机构 由2条 回路构成 ，即 由小泵提供先导控制 回路 动力源 ，高 压 变量泵作 为执行工作 回路 的动力源。2个压力表分别检测这 2个回路的油压 ，在重要 的管路位置上设测压点 ， 可根据需要在控制 回路 中设 电磁 阀，以实现 限位 、 安全保护等。对 吸油 、回油、压力 油滤 油器 的堵 塞报警器、液位液温的继 电器等可接人 电气 系统 ， 便于反映实时状况。 1 ．小泵2 ．高压变量泵3 ．溢流阀4 ．先导阀 5 ．起升机构6 ．平衡 阀7 ．多路 阀 图 2 起升机构液压原 理图 当塔机作 业时 ，需要 多个工作装 置的执行元 件通过协 同来 完成作业 ，故要求 配置多个对应 的 方向控制 阀。为 了便 于集 中管控 ，将 这些 阀组装 成一体化的多路阀组 ，图2中的7即为整体式多路 阀组 中的起 升联。其实现液控 的压 力油来 自左边 的控制回路 ，所 吊运物 品的提 升速度大小 由司机 扳动先导手 柄幅度 ，即调节 多路 阀通路开 口大小 控制 ，可实现连续地无 级变 速，调速方便 。若要 求实现更好 的传动性能 ，还 可用 电液 比例液压 控 制系统再 配以专 门设计 的电气 系统 ，或是采用 负 载敏感技术等。 起升机构 的管路通 径经计算 校核后 ，按 文献 [ 1 ] 向偏大圆整选取。部分主要参数如表 1 所示。 一 5 2 一 表 1 主要元件及主要参数表 名 称 主要 参数 小泵 额定压力 2 0 M P a ， 排量 2 5 m L ／ r 额定压力3 0 M P a ，排量 7 8 mL ／ r ， 高压变量泵 变量起始压力 8 MP a 溢流 阀 最大流量 1 0 0 L ／ m i n 钢丝绳拉力 1 5 k N 第 1 层拉力 多路 阀 额定压力 2 5 MP a ，额定 流量 4 0 0 L ／ mi n 起升速度 0～ 3 0～ 6 0 m ／ m i n 2倍率 3 AME S i m 建模仿真及 结果分析 3 ． 1 AME S i m 简 介 A M E S i m用于建 立复杂 的多学 科领 域 系统模 型，并依此进行仿真计算 和深入分析 ，也 可在该 平 台上研究 任何元 件或 系统 的稳 态和 动态性 能。 本文着重运用 A ME S i m对 塔机起升机构 的液压驱 动进行建模仿真与动载分析。 3 ． 2 在 AME S i m 中建立液压系统模型 塔机起升机构 的液压 驱动系统建模 时忽略 了 部分元件 的影 响，对应于其液压原理 图及 塔机起 升机构 的布置尺 寸，在 草 图模式 下应 用 A ME S i m 标准库建立 的模 型如图 3所 示。使用首选 子模型 后 ，进人参数模 式按表 1进行主要元件 的参数设 置。提升载荷 质量分别取 6 0 0 k g 、8 0 0 k g 、1 0 0 0 k g、1 1 0 0 k g ，液压起升机构卷简直径为 3 2 0 m m， 减速 比为 5 。最后 进入运 行模式 ，设 置仿 真时 间 5 S ， 时间精度 0 ． 0 1 S ，得到物体初始仿真结果如图 5～图 8所 示 。 图 3 A ME S i m仿真模型 起重运输机械 2 0 1 5 9 3 ． 3仿真 结果 分 析 1 动载荷系数的理论计算 当从地面提升起升质量时 ，根据文献 [ 5 ]中 的规定 ，起升动载荷系数 与稳定起升速度 。 和 起升状态级别等有关 ，其值可 由试验或分析确定 ， 也可按下式计算 2 2 i 卢 2 Ⅱ 式 中 是 与起 升状态级别相对应 的起 升动 载系数 的最小值 ； 为按起 升状 态级别设定 的系 数 ； 。 为稳定起升速度 ，m ／ s ，与起升机构驱动控 制形式及 操作方法有关 。均 可查表获得 ，列举 如 表 2所示 。 表 2 卢 和 m i n 值 起升状态级别 2 m m HC1 0．1 7 1． 0 5 HC2 0 ．3 4 1 ．1 0 HC3 0 ．51 1 ．1 5 HC4 0．6 8 1 ． 2 0 根据文献 [ 6 ] 中 4 ． 2 ． 1 ． 2条规定 ，塔机受到 的动载荷作用须以 乘 以起 升载荷加以考虑。 按表 3计算选取。 表 3起升动载荷 系数 2 起升等级 2 a x ≤0． ．2 m／s 0． 2 m／s HE 1 1 ． o o 1 ． 0 o 0 ． 2 一 0 ． 2 1 ． 3 H C 2 1 ． 0 5 1 ． 0 5 0 ． 4 h 一 0 ． 2 1 ． 6 HC 3 1 ． 1 0 1 ． 1 0 0 ． 6 一 0 ． 2 1 ． 9 根据塔机 的用途 和动态 特性 ，计 算在异 常操 作 如图 4所示 ，在起升滑轮组倍率为 2 、整个系 统启动稳定 后的情况下 ，迅速将先导 手柄推至稳 定起升速度为 3 0 m ／ mi n挡位 的情况下的动载荷 系数。本次计算选取起升等级为 H C ，即起升离地 有 中度 冲击。 按表 2中， 1 ． 1 5 0 ． 5 10 ． 51 ． 4 1 ；按 表 3中， 2 1 ． 1 0 0 ． 6 X 0 ． 5 0 ． 2 1 ． 2 8 。 起重运输机械 2 0 1 5 9 1 逛 一 ／ ／ 7 ． 时间／ s 图4 先导阀模拟输入信号 2 结果对 比分析 从图 5可看出，前 0 ． 5 s内物体位移 为 0，可 看作是液压 系统 压力 的缓 慢建 立 和起 升机 构卷 绕 的钢丝绳 由松 弛 到张 紧受 力 并逐 渐增 大 直至 与物体重力相等 的状态 。需说 明的是 ，由于图 3 中建立起升 卷扬 过程 的模 型 中只有 1根钢 丝绳 受力 ，由此 才 得 到 图 6中所 示 物 体 的 速 度 曲 线 。 - 。 6 0 0 k g ／／ 一 8 0 0k g ‘ 1 0 0 0k g ⋯一 一一一 l l u uK g ／／ ～／ _ 1 2 3 4 时间， s 图 5 不同质量下的位移 曲线 图 6 不同质量 下的速度 曲线 以提升 1 0 0 0 k g物体 为例 ，由图 6可 知，在 0 ． 5～1 ． 5 S 时，物体提升速 度平 稳上 升并很 快趋 近于稳定值 1 m／ s 。在 图 8中 ，在 1 s附近 的 冲 一 5 3 5 4 3 2 1 0 Ⅲ ／ 丌 J 6 0 0 k g 一 8 0 0 k g 1 0 0 0 k 窟 一⋯ 1 1 0 0k g 一 2 3 4 时间， s 图 7 不 同质量 下的加速度曲线 图 8 不 同质量下 的提升拉力 曲线 击力达到峰值 ，并 在 1 ． 7 s 时基本达 到受力 稳定 状态 。可 看 出在 提升 不 同 质量 的载荷 时 ，质 量 越大所带 来 的动 载荷 效 应 就越 明显 ，且 达 到稳 定状态 所 需 的 时间也 就 越长 。 因此 ，司机在 吊 载起动过 程 中应 尽 量缓 慢 平稳 操 作 ，以减 小动 载荷对 重物及 塔机 本 身 的 冲击振 动 而带 来 的 附 加 动应力。 图 9给 出了起升动载荷系数 的计算 图解。 由图 8中的响应曲线可计算得出如表 4中起升动载 系数 。 F 2 m g ’ 竺 ． ． ． 5 4 -- - 图 9 起升动载荷系数 图解 表 4 不 同质量 下的起升动载 系数 重量／ N 5 8 8 0 7 8 4 0 9 8 O 0 1 0 7 8 0 冲击峰值／ N 6 9 6 9 9 1 6 3 1 2 0 8 5 1 3 5 6 2 1 ． 1 8 5 1 ． 1 6 9 1 ． 2 3 3 1 ． 2 5 8 由分析可知，该液压系统的起升动载荷系数 小于机械传动 的起 升动载荷系数 ，说 明液压传动 的起升过程 中冲击小 ，明显减少 了起 升冲击峰值 对塔机的不利影响 。 4 结论 1 由于液压驱 动具有缓冲特性 ，这种类似连 接副间的柔性连接降低 了起升作业 动力冲击 ，使 起升工作更加平稳 ，易于实现快 速起 动、制 动和 频繁的换 向，其减弱冲击幅度可达 8 ％ 。 2 采用恒功 率控制 的高 压变 量泵 能够 实现 重 载低 速 、轻载 快 速 ， 自适应 地 满 足兼 顾塔 式 起 重机 吊 运 作 业 效 率 和 保 证 受 载 峰 值 减 少 的 需 要 ； 3 因该 A M E S i m仿真建模 中忽略了部分影 响 因素 ，这对该仿真偏差的影响程度有待探究。 参考文献 [ 1 ]王金诺 ，张质文，程文明，等 ．起重机设计手册 第 二版[ M] ． 北京 中国铁道出版社， 2 0 1 3 ． [ 2 ]梁全，苏齐莹 ．液压系统 A ME S i m计算机仿真指南 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ，2 0 1 4 ． [ 3 ]贾文福 ．全液压汽车起重机原理 结构 维修 [ M] ． 上海上海交通大学 ，1 9 9 8 ． [ 4 ]马先启，王秀林，李磊，等 ．现代工程机械液压传动 系统构造、原理与故障排除 彩图版 [ M] ． 北 京 国防工业 出版社 ，2 0 1 1 ． [ 5 ]G B ／ T 3 8 1 l 2 O 0 8 起重机设计规范[ s ] ． [ 6 ]G B ／ T 1 3 7 5 2 --1 9 9 2 塔式起重机设计规范[ s ] ． 作 者王玉柱 地 址四川省成都市二环路北一段 1 1 1号西南交通大 学机械工程研究所 邮 编 6 1 0 0 3 1 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 2 6 起重运输机械 2 0 1 5 9 5 O 5 O 5 s ， 毯制