基于AMESim的起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)建模與沖擊抑制

丁偉

(三一汽車(chē)起重機(jī)械有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410600)

0 前言

近些年，起重機(jī)在建筑、電力、核工業(yè)等行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，行業(yè)對(duì)起重機(jī)性能的要求也逐漸增高[1]?；剞D(zhuǎn)穩(wěn)定性是衡量起重機(jī)作業(yè)性能的重要指標(biāo)。然而，現(xiàn)有的起重機(jī)在回轉(zhuǎn)作業(yè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大、摩擦阻力矩過(guò)大等因素導(dǎo)致液壓系統(tǒng)受到較大的沖擊，回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較差的同時(shí)減少液壓元件壽命[2-3]。因此，抑制起重機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)的壓力沖擊對(duì)于提高起重機(jī)壽命與回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性非常重要。

現(xiàn)行的控制壓力沖擊的方法中，王貢獻(xiàn)等[4]研究了磁流變對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)沖擊載荷的控制效果，呂九九[5]對(duì)回轉(zhuǎn)控制閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小負(fù)載波動(dòng)的影響，范久臣和孫雪梅[6]研究了增加旁通回路與時(shí)序控制信號(hào)對(duì)回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的提升，周萬(wàn)傳等[7]研究了大型起重機(jī)回轉(zhuǎn)平穩(wěn)的閉環(huán)控制策略。以上方法均需增加傳感器或?qū)ζ鹬貦C(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提高了制造成本。開(kāi)環(huán)控制方法可在不增加成本的前提下提升起重機(jī)的回轉(zhuǎn)性能[8]。目前對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)的開(kāi)環(huán)控制方法多針對(duì)回轉(zhuǎn)過(guò)程中的吊重?cái)[動(dòng)抑制問(wèn)題[9-12]，而對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)過(guò)程中的壓力沖擊抑制關(guān)注較少。

因此，本文作者選取某55噸級(jí)起重機(jī)為研究對(duì)象，使用AMESim軟件建立其仿真模型并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。提出一種壓力沖擊抑制方法，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)建模

1.1 起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理及工作過(guò)程

圖1為某55噸級(jí)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理，其中，2個(gè)單向緩沖閥具有緩沖功能，在回路壓力過(guò)高時(shí)打開(kāi)；整個(gè)回路通過(guò)電控先導(dǎo)比例閥、制動(dòng)控制閥與自由回轉(zhuǎn)閥進(jìn)行控制；電控先導(dǎo)比例閥通過(guò)改變?nèi)涣〒Q向閥兩側(cè)先導(dǎo)腔的先導(dǎo)壓力改變?nèi)涣〒Q向閥的位移，進(jìn)而改變了起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)?？刂苹芈返膲毫τ煽刂朴捅锰峁?/p>

圖1 起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理

起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作過(guò)程分為：停止過(guò)程、正轉(zhuǎn)過(guò)程、反轉(zhuǎn)過(guò)程、自由回轉(zhuǎn)過(guò)程。

停止過(guò)程中，左先導(dǎo)比例閥Y1、右先導(dǎo)比例閥Y2、制動(dòng)控制閥Y3、自由回轉(zhuǎn)閥Y4不得電時(shí)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)被制動(dòng)器鎖死，整個(gè)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)。

正轉(zhuǎn)過(guò)程中，左先導(dǎo)比例閥Y1得電，制動(dòng)控制閥Y3得電，制動(dòng)器解除制動(dòng)，三位六通換向閥左側(cè)的先導(dǎo)壓力腔壓力升高，三位六通換向閥向右移動(dòng)，馬達(dá)A口與液壓泵接通，馬達(dá)B口與油箱接通，回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)起重機(jī)上車(chē)及吊臂回轉(zhuǎn)。

反轉(zhuǎn)過(guò)程中，右先導(dǎo)比例閥Y2得電，制動(dòng)控制閥Y3得電，制動(dòng)器解除制動(dòng)，三位六通換向閥右側(cè)的先導(dǎo)壓力腔壓力升高，三位六通換向閥向左移動(dòng)，馬達(dá)B口與液壓泵接通，馬達(dá)A口與油箱接通，回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)起重機(jī)上車(chē)及吊臂回轉(zhuǎn)。

自由回轉(zhuǎn)過(guò)程中，左先導(dǎo)比例閥Y1、右先導(dǎo)比例閥Y2不得電，制動(dòng)控制閥Y3、自由回轉(zhuǎn)閥Y4得電，制動(dòng)器解除制動(dòng)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)在慣性作用下自由回轉(zhuǎn)，直至回轉(zhuǎn)停止。

1.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)AMESim模型建立

在分析起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理和工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，基于AMESim軟件建立了55噸級(jí)起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。仿真模型主要由AMESim軟件中的液壓元件庫(kù)(Hydraulic Library)、信號(hào)與控制元件庫(kù)(Signal,Control Library)、一維機(jī)械元件庫(kù)(1D Mechanical Library)、動(dòng)力系統(tǒng)元件庫(kù)(Powertrain Library)中的模塊搭建而成。為了準(zhǔn)確表示閥的結(jié)構(gòu)，保證模型的準(zhǔn)確性，使用AMESim軟件中的液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(Hydraulic Component Design Library)建立了主閥和單向閥模型。

圖2 起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)AMESim模型

建模過(guò)程中，對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化：假設(shè)減速機(jī)及齒輪齒圈處傳動(dòng)效率為100%，將減速機(jī)與齒輪齒圈使用減速增扭模型代替；假設(shè)控制油路傳遞信號(hào)沒(méi)有遲滯，將控制油路用信號(hào)與控制元件庫(kù)(Signal,Control Library)中的模型代替。

模型中的參數(shù)通過(guò)對(duì)一臺(tái)55噸級(jí)起重機(jī)進(jìn)行測(cè)量確定，模型的關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)置如表1所示，無(wú)法通過(guò)測(cè)量得到的參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值或AMESim中的默認(rèn)值設(shè)定[13]。

表1 關(guān)鍵部件參數(shù)

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

因人工控制起重機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)輸入信號(hào)存在著微小波動(dòng)，不利于對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)性能進(jìn)行定量分析的問(wèn)題，通過(guò)程序控制起重機(jī)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。使用CompactRIO控制器接入起重機(jī)的手柄CAN線(xiàn)，如圖3所示，CompactRIO控制器將PC發(fā)送的手柄信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)輸入給起重機(jī)主控器，以此控制起重機(jī)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)，其工作狀態(tài)決定了起重機(jī)回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，因此，在起重機(jī)馬達(dá)的A口處加裝壓力傳感器、流量傳感器，在起重機(jī)馬達(dá)的B口處加裝壓力傳感器。傳感器信號(hào)通過(guò)Parker儀進(jìn)行采集，傳感器布置如圖4所示。

圖3 CompactRIO控制器連線(xiàn)

圖4 傳感器布置

起重機(jī)回轉(zhuǎn)性能受多種因素影響，如起吊重物質(zhì)量、吊臂傾角、吊臂長(zhǎng)度等。為驗(yàn)證所搭建模型的正確性，選取起重機(jī)工況為不吊載重物，吊臂長(zhǎng)度為11.3 m，變幅角度為68°，通過(guò)PC對(duì)左先導(dǎo)比例閥輸入如圖5所示的信號(hào)，輸入信號(hào)達(dá)到1 000代表著回轉(zhuǎn)手柄處于最大位置，此時(shí)起重機(jī)以最快速度向左回轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得馬達(dá)流量及馬達(dá)A、B口壓力曲線(xiàn)如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)中馬達(dá)的A口壓力最大值達(dá)到11.2 MPa，之后穩(wěn)定在8 MPa左右，馬達(dá)B口壓力穩(wěn)定在6 MPa左右，馬達(dá)流量穩(wěn)定在33 L/min左右。

圖5 輸入信號(hào) 圖6 馬達(dá)A、B口壓力及流量曲線(xiàn)

在所搭建的AMESim模型中選取相同工況，對(duì)左先導(dǎo)比例閥輸入圖5所示的輸入信號(hào)進(jìn)行仿真，仿真所得馬達(dá)A、B口壓力曲線(xiàn)及馬達(dá)流量曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 仿真所得馬達(dá)A、B口壓力及馬達(dá)流量曲線(xiàn)

由仿真結(jié)果可看出：仿真模型中馬達(dá)的A口壓力最大值達(dá)到11.1 MPa，之后穩(wěn)定在7.8 MPa左右，馬達(dá)B口壓力穩(wěn)定在5.8 MPa左右，馬達(dá)流量穩(wěn)定在35 L/min左右。將仿真與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，A口壓力最大值相對(duì)誤差為0.89%，A口壓力穩(wěn)定值相對(duì)誤差為2.50%，B口壓力穩(wěn)定值相對(duì)誤差為3.33%，馬達(dá)流量穩(wěn)定值相對(duì)誤差為6.06%。產(chǎn)生誤差的主要原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中存在著環(huán)境因素的干擾，如發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、上車(chē)回轉(zhuǎn)平面的傾斜、摩擦力的非線(xiàn)性等。在忽略此類(lèi)誤差的前提下，認(rèn)為仿真模型能夠較為準(zhǔn)確地描述起重機(jī)的回轉(zhuǎn)性能。

2.2 沖擊抑制方法設(shè)計(jì)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，造成起重機(jī)回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)沖擊的問(wèn)題在于起重機(jī)啟動(dòng)時(shí)手柄移動(dòng)過(guò)快導(dǎo)致的起重機(jī)馬達(dá)進(jìn)口處壓力產(chǎn)生波動(dòng)，而起重機(jī)停止回轉(zhuǎn)時(shí)的壓力波動(dòng)較小，對(duì)起重機(jī)回轉(zhuǎn)穩(wěn)定的影響較小。抑制起重機(jī)回轉(zhuǎn)過(guò)程中的沖擊需要降低起重機(jī)回轉(zhuǎn)過(guò)程中馬達(dá)的進(jìn)口壓力波動(dòng)。

因此，設(shè)計(jì)一種沖擊抑制方法，如圖8所示：對(duì)手柄信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)手柄輸入信號(hào)值為增大狀態(tài)時(shí)，起重機(jī)處于回轉(zhuǎn)啟動(dòng)過(guò)程；當(dāng)手柄輸入信號(hào)值為減小狀態(tài)時(shí)，起重機(jī)處于回轉(zhuǎn)停止過(guò)程，對(duì)處于不同狀態(tài)的輸入信號(hào)使用不同的濾波器進(jìn)行濾波運(yùn)算，啟動(dòng)過(guò)程濾波器濾除較多的高頻信號(hào)，停止過(guò)程濾波器濾除的高頻信號(hào)較少。如圖9所示，某一隨機(jī)回轉(zhuǎn)操作的原始輸入信號(hào)通過(guò)該程序處理后，達(dá)到所述效果。

圖8 沖擊抑制方法流程

圖9 處理前后輸入信號(hào)對(duì)比

2.3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真模型中輸入信號(hào)處添加沖擊抑制方法，對(duì)左先導(dǎo)比例閥輸入如圖5所示的斜坡信號(hào)進(jìn)行仿真，仿真所得馬達(dá)A、B口壓力曲線(xiàn)及馬達(dá)流量曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 仿真所得馬達(dá)A、B口壓力及馬達(dá)流量曲線(xiàn)

由圖10可知:馬達(dá)的A口壓力最大值達(dá)到9 MPa，A口壓力穩(wěn)定后在7.6 MPa左右，馬達(dá)B口壓力穩(wěn)定在5.7 MPa左右，馬達(dá)流量穩(wěn)定在34.5 L/min左右。與未加入控制方法的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，輸入信號(hào)相同的情況下，馬達(dá)的A口壓力最大值降低2.1 MPa，A口穩(wěn)定壓力降低0.2 MPa，馬達(dá)B口穩(wěn)定壓力降低0.1 MPa，馬達(dá)流量降低0.5 L/min，證明沖擊抑制方法有降低壓力沖擊的效果。

在所選55噸級(jí)起重機(jī)的主控器中，加入所設(shè)計(jì)沖擊抑制方法，選取起重機(jī)工況為不吊載重物，吊臂長(zhǎng)度為11.3 m，變幅角度為68°，通過(guò)PC與CompactRIO控制器對(duì)左先導(dǎo)比例閥輸入如圖5所示的斜坡信號(hào)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得馬達(dá)A、B口壓力曲線(xiàn)及馬達(dá)流量曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)得馬達(dá)A、B口壓力及流量曲線(xiàn)

實(shí)驗(yàn)中馬達(dá)的A口壓力最大值為8.7 MPa，之后穩(wěn)定在8 MPa，馬達(dá)B口壓力穩(wěn)定在6.2 MPa左右，馬達(dá)流量穩(wěn)定在33 L/min左右。

與圖6所示未加入沖擊抑制程序的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，輸入信號(hào)相同的情況下，馬達(dá)的A口壓力最大值降低2.5 MPa，壓力穩(wěn)定值基本相同，馬達(dá)B口壓力與馬達(dá)流量基本相同，同樣證明沖擊抑制方法有降低壓力沖擊的效果。

3 結(jié)論

為抑制起重機(jī)回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)的液壓系統(tǒng)沖擊，提高起重機(jī)回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，提出了一種沖擊抑制方法，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)沖擊抑制方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論如下：

(1)基于AMESim軟件搭建了55噸級(jí)起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型，仿真后與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

(2)提出一種對(duì)手柄輸入信號(hào)進(jìn)行處理的沖擊抑制方法并在所搭建的仿真模型中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：馬達(dá)A口壓力值在相同的信號(hào)作用下，未加入沖擊抑制程序最大壓力分別為11.1 MPa，加入沖擊抑制程序以后A口最大的壓力值減小了2.1 MPa，所設(shè)計(jì)的控制方法可降低馬達(dá)A口壓力最大值18.92%。

在55噸級(jí)起重機(jī)控制程序中加入所設(shè)計(jì)的沖擊抑制程序并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：馬達(dá)A口壓力值在相同的信號(hào)作用下，未加入沖擊抑制程序最大壓力分別為11.2 MPa，加入沖擊抑制程序以后A口最大的壓力值減小了2.5 MPa，所設(shè)計(jì)的控制方法可降低馬達(dá)A口壓力最大值22.32%。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明，所設(shè)計(jì)的沖擊抑制方法能夠在一定程度上降低起重機(jī)回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)的壓力沖擊。