克令吊回转机构液压系统仿真

吴军良，周伟中，陈冠宇，毕坚裔

（1. 海军驻广州第一军代室，广州 510000；2. 沪东重机有限公司，上海 200129；

3. 镇江赛尔尼柯自动化有限公司，江苏镇江 212009；4. 渤海船舶重工有限责任公司，辽宁葫芦岛 125004）

0 引言

近年来，起重机械在运输行业发展迅速，而克令吊的回转机构在整个工况中占比很大，然而起重机需频繁启动、制动，若设计不当将会直接影响整个液压系统能量的利用，起重机整机效率的提高。克令吊是船舶上的一种起重设备，可帮助船员完成货物的空间运输，主要作用是完成货物在货舱或码头上的位移。克令吊极大地减轻了船员装载货物的劳动强度，提高了货物装载效率。因此，随着近年来灵便型散货船技术的发展，重型克林吊起重机械的市场需求显著提升，年均增长约20%。据统计，装卸费用占海运费用总运费的30%～60%，而带有重型克林吊的灵便型散货 船，不仅能够方便地装卸货物，还可为船东带来更多的收益。克林吊起重机吊臂的回转、俯仰需依靠其自身的液压回转机构，因此，回转机构动态特性将直接影响整个克林吊起重机的工作性能。

目前，国内外起重机制造厂商主要依靠经验或比例模型的方法，进行回转机构液压驱动系统的设计，再通过实体样机来检验并发现问题。在此过程中，既需花费大量的时间、精力和经费，还存在着巨大的风险。为此，通过液压系统的仿 真设计、模拟分析，可在设计初期发现系统不合理的部分，为起重机的液压控制系统寻找到最优的解决方案。

1 液压模拟仿真软件Amesim

液压模拟仿真软件Amesim 是一整套经过严格测试与试验验证、定义的图形符号库集成开发环境，用于液压工程系统建模与负荷加载模拟仿真，使设计者预知所设计的液压系统动态性能，从而实现对系统的优化，达到最终的设计目标。该软件因使用了图形化的语言工具，使用时无需书写程序代码，从而使液压系统设计者只专注于物理系统本身设计，省去了繁琐的数学求解过程。为此，本文针对船用克林吊起重机，利用Amesim构建了其俯仰与旋转运动液压驱动控制的系统模型，在分析液压系统运行性能的基础上，确认所设计系统的可行性，提出完善系统的改进方案。软件特点如下：

1）图形化的建模方法，使用户不必考虑物理流程中繁琐的数学模型，专注于对物理系统的设计。建模通过各环节边界条件的工程技术语言描述输入，其扩充或修变都是通过友好的GUI界面，无需编写任何代码。

2）在系统描述上，保留了数学方程、方块逻辑、元素和元件4 个层级的建模方式，使得用户可以更灵活地根据自己特长，选择建模方式；巧妙地利用各层级的特点，构建模型的层次结构。同时，利用其线性化分析工具（如求系统的特征值，分析Bode 图、Nyquist 图、根轨迹图等）分析系统的稳定性，通过所设计的系统的模态、频谱（如快速傅里叶转换FFT、阶次分析Oldel Analysis、频谱图SpectlaImaps 分析等）完善设计的系统。

3）系统支持动态仿真、稳态仿真、间断连续仿真以及批处理仿真多种仿真运行模式。

4）系统提供的基本元素，使得户用可以用尽可能少的单元，构建尽可能多的系统。这种方式，使得系统易于学习、掌握。用户仅需掌握较少的系统建模“要素”便可建模，从而使得系统简便、高效。

2 在Amesim 中建立液压系统模型

Amesim 专门为液压系统建立了一个标准仿真模型库，使用该标准仿真模型库可以搭建最基本的液压系统。液压系统性能是液压起重机工作性能的重要特征，其系统分为开式和闭式2 种。开式系统具有结构简单、便于维护、油液冷却/散热性能好、运行中油液清洁度高、投资低廉等优点。本文在克林吊起重机设计上选用开式系统，如图l 所示。系统的液压动力源，采用了伺服电机驱动的定量液压泵。溢流阀限定为系统的最高压力，对系统进行保护。系统利用三位四通换向电磁阀，控制转动平台的正反转，按照左位正转、右位反转、中位制动的控制方式驱动转台；为保证转台系统运行时的稳定，在系统中加设了平衡阀。整个系统的物理过程由Amesim 的脚本文件Sketch 进行液压系统仿真建模。利用Amesim 的Parameter 模块对系统主要元件的初始边界参数进行设定：减速比为2 218，定量液压泵排量为80 ml/r，额定转速为1 000 r/min，电机额度转速为1 000 r/min，溢流阀调定的预设压力为23 MPa。设定好各个元件参数后，通过Run 按钮，运行Amesim，对所设计的开式克林吊起重机液压驱动系统进行仿真分析。

图1 在AmesIM 中创建的回转液压系统仿真模型

3 仿真结果与分析

在Run 模式下将仿真精度设定为0.001 s，仿真时间设定为35 s，设定3种启动斜坡仿真信号，仿真结果如图2～图4 所示。设定3 种制动信号，仿真结果如图5、图6 所示。从图3 中可以看出，由于液压油的粘滞阻尼作用，系统启动时间会产生一定的滞后，改制后会使系统的冲击力减缓、回转速度的改变趋于平稳。从制动信号对应的图6 可以看出，制动时间越长，液压冲击力越小，同时保持一定的制动时间可以预防液压定量泵的反转。

图2 不同斜坡启动信号曲线

图3 不同斜坡信号对应的回转速度曲线

图4 不同斜坡信号对应的液压定量泵启动 压力特性曲线

图7、图8 为回转机构在5 种不同工作转动惯量（5×106kg·m2、1×107kg·m2、2×107kg·m2、3×107kg·m2、4×107kg·m2）时的速度特性曲线，以及定量液压泵启动的压力特性曲线。

图5 不同斜坡制动信号曲线

图6 不同制动信号对应的液压定量泵压力特性曲线

图7、图8 中可以看出，对回转机构影响最直接的是惯性冲击，负载越大，冲击越明显。回转机构在启动和制动时，都伴随着巨大的惯性作用，由此带来的冲击，会减少减速机构的使用寿命。图9、图10 为不同负载运转情况下，回转机构的回转速度和液压定量泵的启动特性变化。

图7 不同惯量对回转速度的影响

图8 不同惯量对液压定量泵启动压力的影响

图9、图10 为回转机构摩擦阻力1.0×105N、1.8×105 N、2.6×105N、3.6×105N、4.6×105N、5.6×105N 时液压定量泵的压力特性，以及回转机构的速度变化仿真曲线。摩擦阻力越大，负载越大，风力越大，系统响应速度越慢，但在一定程度上稳定性有所增强；在摩擦阻力≤5.0×105N 时，不同工作压力下对回转速度和液压定量泵启动特性的影响，其反应速度可满足基本需求。

图9 不同负载工况下液压定量泵启动压力特性变化

图10 不同负载工况下回转平台速度变化

由图9、图10 可知，其他条件不变时，起重质量的变化直接导致系统转动惯量的变化。转动惯量小，起重质量也小，此时系统的动态响应迅速，由于系统角加速度变化增大，从而导致系统的稳定性变差；起重质量大时，回转机构的响应速度变慢，导致系统的压力波动变大。通过控制系统的平衡阀，可以提高回转机构在大转动惯量工况下回转运动的稳定性；同时提高小转动惯量工况下的运转速度，进而提高作业效率。

图11、图12 为不同工作压力下对回转机构回转速度和液压定量泵启动特性的影响。在满足克林吊起重机回转机构系统工作压力与速度响应要求的前提下，应尽量降低工作压力，使系统所受的冲击压力降低，从而减少能量损耗。

图11 不同工作压力下系统速度变化

图12 不同工作压力下液压定量泵启动压力变化

图13、图14 为液压定量泵快速启动、制动、反转启动液压定量泵压力特性曲线和平台速度变化曲线。从图13 可以看出，系统的冲击比较激烈；从图14 可以看出，系统的速度不太平稳。在满足系统回转作业驱动工作压力的前提下，降低工作压力，可以降低系统所受的冲击，也能满足系统的速度响应要求，由此减少控制系统的能量损耗。

图15、图16、图17 分别为平稳启动、对应的速度和启动、制动信号曲线以及制动液压定量泵压力特性曲线。

图13 回转平台速度变化仿真曲线图

图14 液压定量泵快速启动、制动、反转启动 压力特性曲线

图15 液压定量泵平稳起动特性

图16 液压定量泵对应起动速度曲线

图17 液压液压定量泵压力特性曲线

由图15～图17 可以看出，一定的启动、制动时间可以提高系统的平稳性，且不影响系统响应。

4 结论

1）通过仿真分析回转机构液压驱动系统动态特性，可知转动惯量对回转机构动态特性的影响较大；回转在启动、制动时，液压系统所受压力冲击明显，回转平台出现来回晃动现象。克林吊起重机在回转过程中运行平稳，停止时存在抖动现象，在自然环境风力较大时更为明显；若启动/停止操作速度过快，可能会引发吊臂乃至整个起重机随其摆动的现象。通常采用的解决方案为：（1）通过设计合理的缓冲回路，减少和控制液压冲击；（2）选择恰当的启动/停止控制时间，缓解启动/停止的瞬态冲击。

2）工程机械中回转机构的惯性负载大，液压驱动的回转运动占整机作业的循环时间的比例也长，约占整个循环作业时间的50%～70%；其间所消耗的能量也较大，占整机作业所消耗能量的25%～40%。在回转机构的液压系统中，回转机构频繁地启动/停止操作，将产生大量的发热量，有的甚至达到整机作业过程中发热量的30%～40%。因此，在设计克林吊起重机的回转机构液压系统回路时，需根据克林吊起重机的工况要求，正确设置制动、缓冲补油回路，从而提高克林吊起重机的生存率，改善其工作性能，减少发热量。

3）根据回转机构工作在整个吊卸工况中的时间占比以及频繁的刹车制动，预测节能液压系统在起重运输与工程机械上的应用将具有十分重要的意义。

4）通过仿真，对比分析系统在预设工况下的仿真曲线，得到系统中各元件在不同工况下对系统运行性能的影响。通过适当增加转动惯量，提高系统的稳定性，从而使得系统的快速特性维持不变。溢流阀的溢流压力可对系统造成较大的影响，由此需在保证系统正常工作的前提下，降低溢流阀溢流压力的压力值，进而有效提高系统稳定性，降低液压系统所受的冲击。

5）根据实际工况理论设计比较本文所设计的克林吊起重机液压原理图，经过仿真分析发现，速度曲线基本与实际标准一致，所以该仿真软件的应用是正确的。鉴于该软件的图形化建模，从建模与仿真过程可以看出，利用Amesim仿真软件可以使研究人员从无序的、经验的、类比的、依靠实验和复杂的数学模型中解脱出来，把精力集中在物理系统本身，有效提高研发效率。由此可知，仿真技术具有强大的生命力，将会越来越广泛地应用于工程机械中。