深海折臂式起重機(jī)主動升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)建模與仿真戴煉【期刊名稱】《《價值工程》》【年(卷)，期】2019(038)024【總頁數(shù)】2頁(P172-173)【關(guān)鍵詞】深海起重機(jī);波浪補(bǔ)償;AMESim【作者】戴煉【作者單位】潤邦卡哥特科工業(yè)有限公司太倉215437【正文語種】中文【中圖分類】U674.350引言隨著海上貨物貿(mào)易的發(fā)展，船用起重機(jī)在上海運(yùn)輸中的地位越來越高，其成為執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)的重要設(shè)備之一。船用起重機(jī)主要的作用就是實(shí)現(xiàn)船艦貨物之間的運(yùn)輸以及水下作業(yè)設(shè)備的投放與回收等重要任務(wù)。然而由于船上作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，尤其是在海上作業(yè)的過程中船用起重機(jī)的控制容易受水流、風(fēng)力等方面的限制導(dǎo)致起重機(jī)出現(xiàn)左右搖擺或者起重機(jī)降落位置不準(zhǔn)等現(xiàn)象。具體而言船用起重機(jī)控制影響因素主要包括：一是由于起重機(jī)是固定在船舶等平臺上，起重機(jī)在工作的過程中會受到平臺本身移動的影響，而導(dǎo)致起重機(jī)起吊的降落點(diǎn)與吊車本身的運(yùn)動不一致；二是由于起重機(jī)負(fù)荷較大，其在海上作業(yè)的過程中會因?yàn)椴ɡ说纫蛩囟鴮?dǎo)致起重機(jī)與船舶等發(fā)生碰撞，最終導(dǎo)致纜繩出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)而造成嚴(yán)重的后果［1］。尤其在進(jìn)行艦船間彈藥補(bǔ)給時，這種耦合運(yùn)動可能造成非常嚴(yán)重的后果。為了消除上述問題，本文設(shè)計一種深海折臂式起重機(jī)主動升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)，以此提升起重機(jī)的工作性能，降低纜繩疲勞損害。1折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)的船用起重機(jī)所存在的受船體運(yùn)動而產(chǎn)生的搖擺、碰撞船體等問題，可以大大提高起重機(jī)的工作性能。結(jié)合相關(guān)工作實(shí)踐及參照相關(guān)文獻(xiàn)技術(shù)，本文設(shè)計一種固定在船體甲板上的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，并且將其進(jìn)行機(jī)電液一體化建模，其示意圖如圖1所示。船體本身的運(yùn)動對于吊車的工作性能起著關(guān)鍵性的作用，因此針對海上起重機(jī)的作業(yè)性能，應(yīng)該優(yōu)化船體的運(yùn)動狀態(tài)。結(jié)合深海折臂式起重機(jī)的工作原理建立如圖2所示固定于船體的坐標(biāo)系IS，其原點(diǎn)位于船的質(zhì)心處，x正方向指向船頭，z軸正方向垂直于甲板向上（假設(shè)船位于靜水中時，甲板與水面平行）。假設(shè)船體為剛體，且在海面上可隨波浪自由運(yùn)動，共有6自由度。分別為沿各軸的3個轉(zhuǎn)動自由度——橫搖、縱搖、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，3個平動自由度——橫移、縱移、升沉運(yùn)動。而在貨物起吊過程中，尤其船體的升沉運(yùn)動對吊裝作業(yè)影響最大，因而本文著重對深海折臂式起重機(jī)的主動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電液一體化建模分析。深海折臂式起重機(jī)的升沉補(bǔ)償裝置主要由液壓補(bǔ)償系統(tǒng)及滑輪組組成，主動式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制原理如圖3所示。主動波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。系統(tǒng)通過MRU海浪動態(tài)參考裝置檢測船體的上下位移量，感知海浪的大小，然后將信號輸入PLC計算起重機(jī)臂端沉降速度并得出絞車鋼絲繩的收放量，然后輸出電流或電壓控制信號，控制信號經(jīng)功率放大器放大后調(diào)節(jié)比例方向閥（即三位四通閥）閥芯運(yùn)動，增大或減少進(jìn)入液壓馬達(dá)的壓力油流量。絞車液壓馬達(dá)作為主動式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的執(zhí)行件，它以蓄能器作為能源，電控開啟，快速實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)動，并以編碼器檢測鋼絲繩的收放量，實(shí)現(xiàn)精確控制及高效補(bǔ)償?shù)哪康摹D1深海折臂式起重機(jī)系統(tǒng)示意圖圖2船體固連坐標(biāo)系運(yùn)動關(guān)系深海折臂式起重機(jī)起吊系統(tǒng)分主絞車與副絞車，主絞車起重能力為100~250t,副絞車起重能力為15~25t。副絞車起重負(fù)載相對較少，只需比例方向閥控制液壓馬達(dá)壓力油流量，帶動絞車進(jìn)行起吊作業(yè)。本文主要針對副絞車起吊系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電液一體化建模與仿真，驗(yàn)證其補(bǔ)償效果。2折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)建模與仿真2.1仿真環(huán)境和建模圖3主動式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖圖4主動升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)原理圖AMESim是一種常用的建模仿真平臺，其可以通過多學(xué)科的知識元件庫性能為用戶提供一個可以在單一平臺建立復(fù)雜系統(tǒng)模型，并且通過仿真計算和優(yōu)化分析實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動過程的仿真檢測。當(dāng)然構(gòu)建AMESim也是推動物理系統(tǒng)本身設(shè)計的重要因素。本次設(shè)計主要是根據(jù)圖3與圖4所示系統(tǒng)升沉補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，通過運(yùn)用AMESim元件庫資源構(gòu)建折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償仿真示意圖（見圖5）。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型主要由滑輪、卷筒、蓄能器取自液壓庫、液壓馬達(dá)以及鋼絲繩取自機(jī)械庫等組成。在整個建模中需要考慮到吊鉤的慣力作用，需要在吊鉤位置設(shè)置位移檢測傳感器，其因素主要是需要利用吊鉤上端滑輪的橫向運(yùn)動使得吊鉤產(chǎn)生上下升沉運(yùn)動，進(jìn)而得出模擬船的升沉運(yùn)動。當(dāng)然在模擬中通過傳感器可以檢測出模擬船的沉降問題，但是在實(shí)踐中由于其受各方面影響，因此可以采取正弦或余弦信號作為吊鉤升沉運(yùn)動的位移信號，利用位移傳感器檢測載荷升沉位移，控制部分采用PID閉環(huán)位置控制。2.2確定主要模型參數(shù)整個系統(tǒng)中，絞車液壓馬達(dá)作為執(zhí)行件，同時忽略比例閥死區(qū)，仿真模型參數(shù)[2][3]設(shè)置見表1。2.3系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析憑借經(jīng)驗(yàn)并通過DesignExploration優(yōu)化工具箱對PID參數(shù)進(jìn)行自動優(yōu)化，確定kp、ki、kd參數(shù)，其仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，深海折臂式起重機(jī)通過進(jìn)行主動波浪（升沉）補(bǔ)償，吊裝載荷下降平穩(wěn)，避免起吊負(fù)載與甲板發(fā)生撞擊，增加了吊裝作業(yè)的安全性。3結(jié)論圖5升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型表1仿真模型參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值油液密度油液體積彈性模量載荷重量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá)排量升沉運(yùn)動幅值升沉運(yùn)動周期仿真步長仿真時長850kg/m317000bar1000kg1000r/min100mL/r±250mm8s0.01s48s圖6升沉補(bǔ)償系統(tǒng)載荷位移曲線本文通過對深海折臂式起重機(jī)主動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行基于AMESim的機(jī)電液一體化建模[5]，并以副絞車吊裝作業(yè)系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)的升沉補(bǔ)償效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了折臂式起重機(jī)主動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性及正確性，同時為主絞車吊裝作業(yè)系統(tǒng)仿真模型搭建提供了參考，也為下一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證打下了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]王鵬程，方勇純，相吉磊，趙振杰.回轉(zhuǎn)旋臂式船用起重機(jī)的動力學(xué)分析與建模[J].機(jī)械工程學(xué)報,2011，11:97-98.張大兵，烏建中，盧飛平，等.船用起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012,02:265-269.張宗成，袁銳波，何敏，等.基于AMEsim的閥控液壓馬達(dá)特性研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，201