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

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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6100312四J1l现代建设机电集团有限公司成都611730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AMESim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；AMESim中图分类号：TH213．3文献标识码：A文章编号：1001—0785(2015)09—0051—04Abstract：Thepaperdescribestheworkingconditionsofahydrauliclihingmechanismindevelopmentbasedoncer-tainnew—typetowercrane，andthesimulatedresearchandoutcomefromanalysiswithAMESim．Theimpactresponsestateandparametriccharacteristicsofthestructureareanalyzedbasedonthecorrespondingworkingeurye，indicatingthatthestructurehasadvantagesinrespectofimpactresponseandspeed—regulatingscope，etc．，comparedtomechanical—drivetow—ercranes．Itisavaluableattemptfortheresearchanddevelopmentofthefull-hydraulictowercranebasedonthevirtueplatformandprovidesreferencetodevelopvirtualprototypeofsimilarproducts．Keywords：towercrane；dynamicload；hydraulicdrive；liftingmechanism；AMESim0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，该塔机全液压驱动的主要研制方案是保留原顶项目通过研究某型塔式起重机(以下简称塔机)升液压系统，将起升、变幅、回转机构改为液压性能优化和轻量化关键技术，利用国产低速大扭驱动，相应位置基本不变。液压泵站与多路阀置矩液压传动和先导伺服液压控制等技术，解决提于平衡臂靠近平衡重一侧，充当一定的平衡重，高塔机作业的平稳性、安全性和调速性能，以及以减轻塔机自重，该方案的布置简图和现场实景降低自重和噪声等问题。如图1所示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．变幅机构负载的大小调节作业速度高低；且传动构成、配8．先导阀(司机室内)套的电气设备简单，可避免塔机的各电动机分立图1研制方案的布置简图配置和频繁、带载启动。四川省重大技术装备创新研制专项2012年项目资助(川财建[2012]297号)《起重运输机械》2015f9)一51— 表1主要元件及主要参数表2液压原理分析名称主要参数如图2所示，该起升机构由2条回路构成，即小泵额定压力20MPa，排量25mL／r由小泵提供先导控制回路动力源，高压变量泵作高压变量泵额定压力30MPa，排量78mL／r，为执行工作回路的动力源。2个压力表分别检测这变量起始压力8MPa2个回路的油压，在重要的管路位置上设测压点，溢流阀最大流量100L／min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、压力油滤油器的堵钢丝绳拉力15kN(第1层拉力)塞报警器、液位液温的继电器等可接人电气系统，多路阀额定压力25MPa，额定流量400L／min便于反映实时状况。起升速度0～30～60m／min(2倍率)3AMESim建模仿真及结果分析3．1AMESim简介AMESim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AMESim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AMESim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AMESim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1．小泵2．高压变量泵3．溢流阀4．先导阀置。提升载荷质量分别取600kg、800kg、10005．起升机构6．平衡阀7．多路阀kg、1100kg，液压起升机构卷简直径为320mm，图2起升机构液压原理图减速比为5。最后进入运行模式，设置仿真时间5S，时间精度0．01S，得到物体初始仿真结果如图当塔机作业时，需要多个工作装置的执行元5～图8所示。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，按文献图3AMESim仿真模型[1]向偏大圆整选取。部分主要参数如表1所示。一52一《起重运输机械》2015(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]中逛一<／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22i+卢2Ⅱ7．时间／s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图4先导阀模拟输入信号数；。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2)结果对比分析表2所示。从图5可看出，前0．5s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表2卢：和min值绕的钢丝绳由松弛到张紧受力并逐渐增大直至起升状态级别2mm与物体重力相等的5状态4。Ⅲ需／3说丌J明2的1是，0由于图3HC10．171．05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HC20．341．10线。HC30．511．15HC40．681．20-。——600kg／／一———————800kg‘————1000kg⋯一根据文献[6]中4．2．1．2条规定，塔机受到一一一lluuKg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：～／_1234时间，s2起升等级2ax图5不同质量下的位移曲线≤0．2m／s>0．2m／s．HE11．oo1．0o+0．2(一0．2)1．3HC21．051．05+0．4(h一0．2)1．6HC31．101．10+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30m／min挡位)的情况下的动载荷图6不同质量下的速度曲线系数。本次计算选取起升等级为HC，即起升离地有中度冲击。以提升1000kg物体为例，由图6可知，在按表2中，=1．15+0．51×0．5=1．41；按0．5～1．5S时，物体提升速度平稳上升并很快趋表3中，2=1．10+0．6X(0．5—0．2)=1．28。近于稳定值1m／s。在图8中，在1s附近的冲《起重运输机械》2015(91一53— s，毯制表4不同质量下的起升动载系数5O5O5——600kg重量／N5880784098O010780一800kg1000k窟冲击峰值／N696991631208513562一⋯1100kg1．1851．1691．2331．258由分析可知，该液压系统的起升动载荷系数一小于机械传动的起升动载荷系数，说明液压传动234时间，s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。图7不同质量下的加速度曲线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AMESim仿真建模中忽略了部分影响图8不同质量下的提升拉力曲线因素，这对该仿真偏差的影响程度有待探究。击力达到峰值，并在1．7s时基本达到受力稳定参考文献状态。可看出在提升不同质量的载荷时，质量[1]王金诺，张质文，程文明，等．起重机设计手册(第越大所带来的动载荷效应就越明显，且达到稳二版)[M]．北京：中国铁道出版社，2013．定状态所需的时间也就越长。因此，司机在吊[2]梁全，苏齐莹．液压系统AMESim计算机仿真指南载起动过程中应尽量缓慢平稳操作，以减小动[M]．北京：机械工业出版社，2014．载荷对重物及塔机本身的冲击振动而带来的附[3]贾文福．全液压汽车起重机——原理·结构·维修加动应力。[M]．上海：上海交通大学，1998．图9给出了起升动载荷系数：的计算图解。[4]马先启，王秀林，李磊，等．现代工程机械液压传动由图8中的响应曲线可计算得出如表4中起升动载系统——构造、原理与故障排除(彩图版)[M]．北系数。京：国防工业出版社，2011．[5]GB／T381l—2O08起重机设计规范[s]．[6]GB／T13752-1992塔式起重机设计规范[s]．)F=~2mg’作者：王玉柱地址：四川省成都市二环路北一段111号西南交通大竺：!学机械工程研究所邮编：610031收稿日期：2015—03—26图9起升动载荷系数图解．——54--——《起重运输机械》2015(9)