基于SRD的绞吸式挖泥船电动绞刀系统仿真研究.pdf

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1、第３７卷第４期人民黄河Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．４２０１５年４月ＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＡｐｒ．，２０１５【防洪治河】基于ＳＲＤ的绞吸式挖泥船电动绞刀系统仿真研究王翰涛，鲁力群，王秀景（山东理工大学，山东淄博２５５０４９）摘要：绞刀系统作为绞吸式挖泥船的核心工作机构，其设计的优劣直接影响到挖泥船工作的稳定性，采用开关磁阻电机驱动绞刀的电动绞吸式挖泥船可明显提高工作效率。在对绞刀传动系统结构深入分析研究的基础上，建立基于Ａｍｅｓｉｍ平台的绞刀系统仿真模型，并结合实际工况对绞刀的工作特性进行仿真分析。仿真结果显示绞刀始终保持在１０～４０

2、ｒ／ｍｉｎ合理转速范围内运转，并且系统具有一定的自适应调节能力。关键词：挖泥船；电动绞刀系统；建模；转速范围＋中图分类号：Ｕ６１６．２１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１５．０４．０１２绞刀系统作为绞吸式挖泥船的主要工作系统之源，开关磁阻电机调速系统（ＳＲＤ）兼具直流调速和交一，在挖泥船疏浚过程中起着重要的作用。绞刀系统流调速的优点，并且具有效率高、调速范围广、易控制、主要包括动力、传动以及执行单元，系统通过不同构件可以频繁重载启动等优点，因而能较好地满足绞刀的单元的协同作用共同完

3、成挖泥船的疏浚作业。绞刀工工作需求。作的过程是一个复杂的动态过程，外界环境的变化、功电动绞刀系统主要由ＳＲ电机、联轴器、变速箱、率传递效率、零部件的寿命等都会对绞刀工作效率产传动轴以及绞刀等部件构成，其主要功用是绞刀在ＳＲ生重要的影响，绞刀系统的仿真研究对于优化设计具电机的驱动下通过自身旋转、左右摆动实现对切削物有重要的作用［１］。的疏松和搅动，并与泥泵机构互相配合，将疏松之后的本研究以３１２０ｍ／ｈ绞吸式挖泥船绞刀系统为研泥水混合物泵送到指定的卸泥区。绞刀系统结构见图［４－５］究对象，在Ａｍｅｓｉｍ平台上建立电动绞刀系统模

4、型。１。仿真时根据系统要求设置不同的环境工况，对不同工况下绞刀的转速和转矩曲线进行对比分析，并在此基础上分析绞刀转速与负载工况之间的关系。１绞刀系统的结构及工作原理图１绞刀系统结构绞刀作为挖泥船的主要执行机构，其转速一般为１０～４０ｒ／ｍｉｎ，绞刀驱动主要有液压马达和电机两种２电动绞刀系统建模形式。传统的液压马达驱动根据实际工况需求一般分为单马达驱动和多马达同时驱动，马达驱动虽然系统２．１绞刀系统机械部分建模结合绞刀系统的机械结构（图１）在Ａｍｅｓｉｍ平台结构简单，容易实现无极调速，但是需要进行多次的能搭建其机械部分仿真模型

5、，模型主要包括联轴器、变速量转换，致使总效率大大降低，一般仅为６０％～７０％，箱、减震装置、万向节、传动轴、绞刀以及信号源元件。同时容易造成水体污染，且受马达本身功率的限制，不适合在大功率挖泥船上广泛应用。而电机驱动效率建模时联轴器用刚性弹簧模拟，变速箱用具有特定减速比的减速器元件模拟，传动轴（中间轴）采用具高，易于调速控制，并且可以保持高负载工作而不会出现失速现象，较好地解决了液压马达驱动存在的问题。收稿日期：２０１４０８２３从长远发展来看，采用电机驱动更能适应各种复杂工作者简介：王翰涛（１９８７—），男，山东枣庄人，硕士

6、研究生，研究方向为工程机械电液控制。［２－３］况的作业需求。通信作者：鲁力群（１９６９—），男，陕西渭南人，副教授，主要从本研究选用开关磁阻电机作为绞刀系统的动力事专用汽车设计及电液技术控制研究工作。Ｅｍａｉｌ：ｌｕｌｉｑｕｎｕｓｔｂ＠１６３．ｃｏｍ·５０·人民黄河２０１５年第４期有旋转特性的负载和弹性特性的弹簧模拟，减震装置利用弹簧和储能元件模拟，绞刀采用旋转负载来模拟，并通过施加外来信号来模拟外界工作环境［６－７］。绞刀系统机械部分Ａｍｅｓｉｍ模型见图２。图３开关磁阻电机调速系统模型３关键元件的参数确定图２绞刀系统Ａｍ

7、ｅｓｉｍ模型电动绞刀系统主要由驱动机构、传动机构、执行机构２．２开关磁阻电机调速系统建模三大部分构成，其中部分关键部件的参数确定方法如下。２．２．１ＳＲ电机数学方程描述３．１绞刀相关参数确定ＳＲ电机选用６／４极三相电机，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。其绕组电压平衡方程可３．１．１绞刀轴转速表示为绞刀作为绞刀系统的执行机构，其参数的确定对于整套系统的性能都有重要的影响。首先根据绞刀工ｄψＵｐ＝Ｒｉｐ＋（１）作的设计要求，绞刀轴的理论转速范围一般为ｄｔ１０～４０式中：Ｕｐ为相绕组电压，Ｖ；Ｒ为转子电阻，Ω；ｉｐ为相ｒ

8、／ｍｉｎ，实际绞刀转速的计算公式为绕组电流，Ａ；ψ为相绕组磁链，Ｗｂ。其中磁链ψ为绕６０ｕａ（ｎ＝６）组电流和转子位移角的函数，可用电感和电流的乘积πＤｍ表示，即式中：ｕａ为绞刀工作的切削速度，ｍ／ｓ；Ｄｍ为绞刀直ψｐ＝ψｐ（ｉｐ，θ）＝Ｌｐ（ｉｐ，θ）×ｉｐ（２）径，ｍ。由式（１）、式（