開式液壓絞車重物起吊性能仿真分析

李彬彬

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030032）

絞車是一種用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈子提升或拖拽重物的中小型起重設備[1]。根據(jù)絞車驅(qū)動方式不同，絞車可以分為內(nèi)燃機驅(qū)動、電動機驅(qū)動和液壓驅(qū)動[2]。其中，液壓絞車結(jié)構(gòu)和操作簡單、繞繩量大、移置方便而普遍應用于修筑、水利工程、林業(yè)、碼頭等的貨物起落或平拖。另外，液壓絞車減少了發(fā)生電氣火花的部件使用，容易做成防爆型[5-6]，因此防爆型液壓絞車更適合在煤礦井下工作[7-8]。液壓絞車可通過低速大扭矩柱塞液壓馬達直接拖動絞車卷筒[9]，也可采用高速小扭矩柱塞液壓馬達連接減速器間接拖動絞車卷筒[10]。絞車既可通過調(diào)速閥閥調(diào)節(jié)油路中流入液壓馬達的流量來控制馬達轉(zhuǎn)速[11]，也可通過改變回路中變量泵或者變量馬達的排量實現(xiàn)調(diào)速[12]。研究的液壓絞車主要采用節(jié)流調(diào)速。

1 絞車的系統(tǒng)設計

1.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是液壓絞車的動力源，液壓系統(tǒng)的性能直接影響著重物起吊的穩(wěn)定性[13]。液壓系統(tǒng)分為開式驅(qū)動系統(tǒng)和閉式驅(qū)動系統(tǒng)，閉式液壓系統(tǒng)綜合性能比開式的好，但是溫度不易控制，考慮到防爆型絞車對溫度要求比較高，所研究的絞車采用開式液壓系統(tǒng)[14]，開式液壓驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，散熱性較好，油液回流油箱中能夠加速冷卻和沉淀雜質(zhì)。絞車液壓原理圖如圖1，液壓泵被電機驅(qū)動從油箱中吸油，溢流閥穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力，平衡閥使系統(tǒng)運行運的更為平穩(wěn)。當電磁閥左位通電時，馬達液壓帶動卷筒正轉(zhuǎn)，重物被提升；當電磁閥右位通電時，液壓馬達帶動卷筒反轉(zhuǎn)，重物被下放，當電磁閥不通電處于中位，系統(tǒng)卸荷。電液比例流量閥用來調(diào)節(jié)通過馬達的流量，進而控制重物起吊或者下放的速度[15]。

1.2 數(shù)學模型建立

根據(jù)絞車的結(jié)構(gòu)，可以建立液壓系統(tǒng)有關(guān)數(shù)學模型。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

式中：F為鋼絲繩牽引力，N；M為吊重質(zhì)量，kg；D為絞車滾筒直徑，m；Mw為滾筒負載轉(zhuǎn)矩，N·m；v為吊重速度，m/s；nw為絞車滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速比；Mm為油馬達輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；nm為油馬達轉(zhuǎn)速，r/min；qm為油馬達排量，L；p為系統(tǒng)工作壓力，MPa；ηm為油馬達的機械效率。

2 AMESim系統(tǒng)模型建立

1）系統(tǒng)模型搭建。根據(jù)絞車結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)，在AMESim軟件的Sketch模式中中建立絞車的仿真模型。調(diào)用軟件中信號庫、液壓庫和機械庫中的子元件搭建整體仿真模型，其中包含油箱模型、液壓泵模型、電磁換向閥模型、平衡閥模型、高壓溢流閥模型、節(jié)流調(diào)速閥模型、液壓馬達模型、減速器模型、鋼絲繩模型，以及吊重模型等 。

2）元件模型參數(shù)。根據(jù)液壓絞車結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真元件的初始參數(shù)設置如下：轉(zhuǎn)動慣量50 kgm2；溢流閥調(diào)定壓力30 MPa；重物質(zhì)量500 kg；鋼絲繩長500 m；卷筒直徑0.5 m；減速比10；馬達排量為0.1 L/r；額定轉(zhuǎn)速500 r/min；恒流源流量50 L/min。

3 性能分析

為探討液壓絞車的起升性，能分別改變系統(tǒng)的重物質(zhì)量、溢流閥調(diào)定壓力，轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，在分析影響因素時，設定其他參數(shù)不變。通過AMESim中的批處理進行仿真對比，以分析液壓絞車穩(wěn)定性和吊重速度的變化情況。

仿真總時間設置為6 s，仿真精度設置為0.005 s。重物起吊速度如圖2，系統(tǒng)壓力變化圖3。通過分析可知，重物在起吊過程中速度波動較大，大約在3.5 s左右，重物速度趨于穩(wěn)定，最大超調(diào)為 0.24左右。啟動時液壓系統(tǒng)回路中壓力沖擊較大，最大壓力達到了溢流閥的設定值30 MPa，液壓系統(tǒng)壓力壓力變化也較劇烈。

圖2 重物起吊速度

圖3 系統(tǒng)壓力變化

3.1 重物質(zhì)量對起吊性能的影響

重物質(zhì)量分別設為500、1 000、1 500 kg，重物質(zhì)量對起吊速度的影響如圖4，重物質(zhì)量對起吊位移的影響如圖5。

圖4 重物質(zhì)量對起吊速度的影響

圖5 重物質(zhì)量對起吊位移的影響

由圖4可知，重物質(zhì)量為1 000 kg時，速度波動曲線的最大超調(diào)量為0.15；重物質(zhì)量為1 500 kg時，其最大超調(diào)量下降至0.06左右，相比于重物為500 kg時，其超調(diào)量下降很多，說明重物的質(zhì)量越大，其起吊速度波動也越小。增大重物質(zhì)量后系統(tǒng)的調(diào)整時間基本不變，仍然維持在3.5 s左右，但是其上升時間和峰值時間明顯減小了，穩(wěn)定速度基本保持不變。

3.2 不同轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響

卷筒的轉(zhuǎn)動慣量初始值為50 kg·m2，分別增大到100、150 kg·m2，轉(zhuǎn)動慣量對重物起吊速度的影響如圖6。

圖6 轉(zhuǎn)動慣量對重物起吊速度的影響

由仿真曲線可知，當卷筒的轉(zhuǎn)動慣量增大，仿真結(jié)果與增大物重類似，系統(tǒng)調(diào)整時間變化不大，仍維持在3.5 s，其穩(wěn)態(tài)速度基本保持在1.3 m/s，但是最大超調(diào)量略微下降，速度穩(wěn)定性得到提高。由此可見轉(zhuǎn)動慣量作為能量波動的一種存儲，其值較大能夠較好地平穩(wěn)系統(tǒng)響應波動，這對平穩(wěn)吊重的速度波動影響尤為明顯。

3.3 不同溢流閥調(diào)定壓力對系統(tǒng)的影響

溢流閥設定壓力分別為18、20、30 MPa，溢流閥調(diào)定壓力對起吊速度的影響如圖7，系統(tǒng)壓力波動如圖8。

圖7 溢流閥調(diào)定壓力對起吊速度的影響

圖8 溢流閥調(diào)定壓力對系統(tǒng)壓力的影響

根據(jù)圖7得知，溢流閥設定壓力為20 MPa或30 MPa重物起升穩(wěn)定速度不變，維持在1.3 m/s，當溢流閥設定壓力為18 MPa，即小于系統(tǒng)工作壓力20 MPa時，重物速度平穩(wěn)上升，系統(tǒng)速度波動明顯得到改善，系統(tǒng)液壓沖擊力減小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但穩(wěn)定速度值只能達到1.1 m/s，但是系統(tǒng)速度波動明顯得到改善，系統(tǒng)液壓沖擊力減小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.4 液壓回路中增加蓄能器

蓄能器是液壓氣動系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置，在原液壓回路中加入蓄能器，用來吸收物重起吊是系統(tǒng)的沖擊壓力，重物質(zhì)量設定為1 000 kg，溢流閥設定壓力為30 MPa。將仿真時間延長到8 s，蓄能力對重物起吊速度的影響如圖9，蓄能力對系統(tǒng)壓力的影響圖10。

很明顯可以看到，增加蓄能器后，物重速度波動次數(shù)減少了，系統(tǒng)液壓沖擊也明顯得到緩和，系統(tǒng)運行的更穩(wěn)定，但是速度波動最大超調(diào)量達到了0.384，比原來的超調(diào)量增加很多。

圖9 蓄能力對重物起吊速度的影響

圖10 蓄能力對系統(tǒng)壓力的影響

4 結(jié)語

通過AMESim對開式液壓絞車仿真分析發(fā)現(xiàn)：起吊重物質(zhì)量越大，提升速度波動越小，上升時間越長，但基本不會影響穩(wěn)態(tài)速度；增加卷筒的轉(zhuǎn)動慣量可以降低重物速度波動，轉(zhuǎn)動慣量越大，重物提升速度波動越小；重物提升速度的大小和系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性很大程度取決于液壓系統(tǒng)壓力，在滿足重物提升速度要求的前提下，應盡量降低系統(tǒng)壓力；蓄能器可以有效吸收系統(tǒng)壓力沖擊，但是增加蓄能器后，重物起升速度波動最大超調(diào)量增大，系統(tǒng)穩(wěn)定時間延長。