潘朝峰，郭利強(qiáng)

(江蘇科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是克令吊的重要組件，其動態(tài)特性直接影響整個系統(tǒng)的工作性能［1］.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在啟動和制動時會產(chǎn)生巨大的慣性，對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，負(fù)載越大，影響越突出.回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計不合理，會直接降低整機(jī)的使用壽命.目前，國內(nèi)起重機(jī)的制造廠商主要依靠經(jīng)驗(yàn)及類比方法進(jìn)行回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計，且通過樣機(jī)試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)問題，這既需花費(fèi)大量的時間和精力，又存在巨大的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險［2］.通過液壓系統(tǒng)仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計不合理之處，并能夠通過批處理為液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計［3－8］.

1 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理及背景

回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理如圖1.該系統(tǒng)采用電機(jī)帶動定量液壓泵，溢流閥限定系統(tǒng)最高壓力，三位四通電磁換向閥控制轉(zhuǎn)動平臺的正反旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)設(shè)有平衡閥，使工況運(yùn)行更為平穩(wěn).

圖1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of hydraulic system on slew ing mechanism

2 液壓模型建立

使用Amesim標(biāo)準(zhǔn)仿真模型庫可以搭建最基本的液壓系統(tǒng).在Amesim中的Sketch模式下建立克令吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)模型(圖2).

圖2 在Amesim中創(chuàng)建的仿真模型Fig.2 Simulation model created in Amesim

在Amesim中的Parameter模塊下對系統(tǒng)主要初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)定:減速比2218;馬達(dá)排量80mL/r，額定轉(zhuǎn)速1000 r/m;液壓泵同液壓馬達(dá);電機(jī)額度轉(zhuǎn)速1000 r/m;溢流閥壓力調(diào)定為23MPa.設(shè)定好各個元件的主要參數(shù)后進(jìn)入Amesim中的Run模式下對克令吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真、分析.

3 液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析

文中主要針對以下幾種情況對克令吊回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析:

1 )不同啟動信號;

2 )不同制動信號;

3 )不同慣量信號;

4 )不同負(fù)載信號;

5 )不同工作壓力.

在Run模式下把仿真精度設(shè)定成0.001 s，仿真時間設(shè)定為35 s.設(shè)定3種啟動斜坡仿真信號，仿真結(jié)果如圖3～5，斜坡坡度越小，啟動時間越長，所對應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度曲線抖動越小，速度越平穩(wěn)，同時對應(yīng)的馬達(dá)啟動壓力特性曲線也比較平穩(wěn)，馬達(dá)液壓壓力激蕩會越來越小，對機(jī)械設(shè)備的保養(yǎng)越有力.

圖3 不同斜坡啟動信號曲線Fig.3 Different slope start signal curve

圖4 不同斜坡信號對應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度曲線Fig.4 Rotary speed curve corresponding to different ramp signal

圖5 不同啟動斜坡信號對應(yīng)的馬達(dá)啟動壓力特性曲線Fig.5 Differentmotor start ramp signals corresponding to the starting pressure characteristic curve

設(shè)定3種制動斜坡信號，如圖6，仿真結(jié)果如圖7.

圖6 不同斜坡制動信號曲線Fig.6 Brake signal curves w ith different slopes

圖7 不同制動信號對應(yīng)的馬達(dá)壓力特性曲線Fig.7 M otor pressure curves of different brake signal

制動曲線坡度越小，制動時間越長，液壓馬達(dá)兩端的液壓壓力變化將會由激蕩猛烈，馬達(dá)兩端液壓壓力大小交替變化(這時液壓沖擊厲害，對設(shè)備不利)，變得越來越趨于平緩，并且馬達(dá)兩端壓力大小不會出現(xiàn)交替現(xiàn)象.從圖7中可以看出:啟動時間有一定的滯后，這使得系統(tǒng)沖擊力減小，回轉(zhuǎn)速度更加平穩(wěn)，同時一定的制動時間可以預(yù)防馬達(dá)反轉(zhuǎn).因此若得到馬達(dá)制動最佳時間，既可以快速制動又可以不損壞機(jī)械設(shè)備.如果提高制動時間，且系統(tǒng)液壓壓力沖擊可以限制在一定的標(biāo)準(zhǔn)，對于液壓系統(tǒng)的設(shè)計是最理想的.

圖8 不同慣量對回轉(zhuǎn)速度的影響Fig.8 Effects of different inertia of rotary speed

圖8，9為工作轉(zhuǎn)動慣量為5×106kg·m2，1×107kg·m2，2×107kg·m2，3×107kg·m2，4×107kg·m2時的速度特性曲線和馬達(dá)啟動壓力特性曲線.由圖8可見，在其他條件不變的情況下，轉(zhuǎn)動慣量越小，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)越快，但是波動幅度比較大.隨著轉(zhuǎn)動慣量的增大，相應(yīng)速度雖然慢些，但是速度曲線在達(dá)到目標(biāo)速度后變得更加平穩(wěn)，說明在一定的慣量范圍內(nèi)，相應(yīng)回轉(zhuǎn)速度和平穩(wěn)度是最佳的，如提高慣量范圍，液壓系統(tǒng)的設(shè)計會更加理想;從圖9可以看出，液壓馬達(dá)壓力在慣量小時相應(yīng)速度快，但是液壓沖擊比較激烈，隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加，速度相會應(yīng)減慢，但是液壓啟動壓力會對應(yīng)減小，變得更平穩(wěn)些.因此，通過合適的液壓系統(tǒng)啟動時間，和制動時間以及慣量大小的控制，可以提高回轉(zhuǎn)作業(yè)的平穩(wěn)性，同時在轉(zhuǎn)動慣量適合的工況下具有較高的作業(yè)效率，且不損壞機(jī)械設(shè)備.

圖9 不同慣量對馬達(dá)啟動壓力的影響Fig.9 Effects of different inertia on themotor starting pressure

圖10，11為摩擦阻力為1.0×105N，1.8×105N，2.6×105N，3.6×105N，4.6×105N，5.6×105N時的馬達(dá)壓力特性、回轉(zhuǎn)平臺速度變化仿真曲線.從圖10可以看出，工作阻力越大，馬達(dá)液壓壓力越大，達(dá)到工作壓力的相應(yīng)時間越長，如果要求長時間處于惡劣的工況下，對于機(jī)械設(shè)備的設(shè)計要求會更高.由圖11可見，負(fù)載越大，工況越惡劣，摩擦阻力越大，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)速度曲線響應(yīng)變時間變長，工況復(fù)雜惡劣的情況下，工作效率會變得較差，這時如果要正常工作，對機(jī)械設(shè)備的設(shè)計水平會更高.

圖10 不同負(fù)載工況下馬達(dá)啟動壓力特性變化Fig.1 0 Different load motor starting pressure characteristics

圖11 不同負(fù)載工況下回轉(zhuǎn)平臺速度變化Fig.1 1 Different load change rate under the condition of rotary p latform

圖12，13為不同工作壓力下對回轉(zhuǎn)速度和馬達(dá)啟動特性的影響.由圖可見，工作壓力越高，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)速度和液壓馬達(dá)的壓力曲線響應(yīng)就越快，但是，系統(tǒng)液壓沖擊比較激烈，對系統(tǒng)的設(shè)備要求比較高，會投資更大，才能滿足工作壓力要求，同時會增加系統(tǒng)對密封元件精度的提高.所以，在系統(tǒng)工作壓力得到滿足的前提下，盡量降低工作壓力，不僅可以降低系統(tǒng)的沖擊，還滿足速度響應(yīng)要求，這樣也可以減少能耗.

圖12 不同工作壓力下系統(tǒng)速度變化Fig.1 2 Speed change of the system under different working pressure

圖13 不同工作壓力下馬達(dá)啟動壓力變化Fig.1 3 Motor start pressure changes under different working pressure

通過以上分析得出如下優(yōu)化參數(shù):啟、制動時間3～6 s，工作壓力為230MPa，馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1 000 (r/min)，慣量為1～3×107kg·m2，馬達(dá)排量為80mL/r.

4 結(jié)論

1 )通過對回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析，得出轉(zhuǎn)動慣量對回轉(zhuǎn)動態(tài)特性影響較大，并且回轉(zhuǎn)制動時壓力沖擊明顯，平臺會出現(xiàn)來回晃動的現(xiàn)象.起重機(jī)在回轉(zhuǎn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，但在停止時存在抖動現(xiàn)象，立即停止時更為明顯，若停止操作過快甚至?xí)鸬醣勰酥琳麄€起重機(jī)隨之晃動的現(xiàn)象.解決方案:①設(shè)計合理的緩沖回路是減少和控制液壓沖擊的有效方法;②選擇合適的啟動、停止時間，以緩解啟動和停車的沖擊.

2 )在Amesim中通過對比分析不同參數(shù)下的仿真結(jié)果，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)動慣量不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且系統(tǒng)響應(yīng)的快速性基本保持不變.在保證系統(tǒng)正常工作壓力的前提下，盡量降低壓力值，不僅會大幅度增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且還會降低液壓系統(tǒng)所承受到的液壓沖擊力.

3 )根據(jù)實(shí)際工況理論設(shè)計的比較，文中設(shè)計的液壓原理圖經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)，速度曲線基本與實(shí)際要求一樣，所以該仿真軟件的應(yīng)用是正確的.啟停時間分析為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了有利參數(shù).

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