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]。根據絞車驅動方式不同，絞車可以分為內燃機驅動、電動機驅動和液壓驅動[2]。其中，液壓絞車結構和操作簡單、繞繩量大、移置方便而普遍應用于修筑、水利工程、林業、碼頭等的貨物起落或平拖。另外，液壓絞車減少了發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]。絞車既可通過調速閥閥調節油路中流入液壓馬達的流量來控制馬達轉速[11]，也可通過改變回路中變量泵或者變量馬達的排量實現調速[12]。研究的液壓絞車主要采用節流調速。

1 絞車的系統設計

1.1 液壓系統

液壓系統是液壓絞車的動力源，液壓系統的性能直接影響著重物起吊的穩定性[13]。液壓系統分為開式驅動系統和閉式驅動系統，閉式液壓系統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[14]，開式液壓驅動系統結構簡單，散熱性較好，油液回流油箱中能夠加速冷卻和沉淀雜質。絞車液壓原理圖如圖1，液壓泵被電機驅動從油箱中吸油，溢流閥穩定系統的壓力，平衡閥使系統運行運的更為平穩。當電磁閥左位通電時，馬達液壓帶動卷筒正轉，重物被提升；當電磁閥右位通電時，液壓馬達帶動卷筒反轉，重物被下放，當電磁閥不通電處于中位，系統卸荷。電液比例流量閥用來調節通過馬達的流量，進而控制重物起吊或者下放的速度[15]。

1.2 數學模型建立

根據絞車的結構，可以建立液壓系統有關數學模型。

圖1 液壓系統原理圖

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

2 AMESim系統模型建立

1）系統模型搭建。根據絞車結構及液壓系統，在AMESim軟件的Sketch模式中中建立絞車的仿真模型。調用軟件中信號庫、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、節流調速閥模型、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。根據液壓絞車結構參數，仿真元件的初始參數設置如下：轉動慣量50 kgm2；溢流閥調定壓力30 MPa；重物質量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，能分別改變系統的重物質量、溢流閥調定壓力，轉動慣量等參數，在分析影響因素時，設定其他參數不變。通過AMESim中的批處理進行仿真對比，以分析液壓絞車穩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，重物速度趨于穩定，最大超調為 0.24左右。啟動時液壓系統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，液壓系統壓力壓力變化也較劇烈。

圖2 重物起吊速度

圖3 系統壓力變化

3.1 重物質量對起吊性能的影響

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

圖4 重物質量對起吊速度的影響

圖5 重物質量對起吊位移的影響

由圖4可知，重物質量為1 000 kg時，速度波動曲線的最大超調量為0.15；重物質量為1 500 kg時，其最大超調量下降至0.06左右，相比于重物為500 kg時，其超調量下降很多，說明重物的質量越大，其起吊速度波動也越小。增大重物質量后系統的調整時間基本不變，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，穩定速度基本保持不變。

3.2 不同轉動慣量對系統的影響

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

圖6 轉動慣量對重物起吊速度的影響

由仿真曲線可知，當卷筒的轉動慣量增大，仿真結果與增大物重類似，系統調整時間變化不大，仍維持在3.5 s，其穩態速度基本保持在1.3 m/s，但是最大超調量略微下降，速度穩定性得到提高。由此可見轉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系統響應波動，這對平穩吊重的速度波動影響尤為明顯。

3.3 不同溢流閥調定壓力對系統的影響

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

圖7 溢流閥調定壓力對起吊速度的影響

圖8 溢流閥調定壓力對系統壓力的影響

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

3.4 液壓回路中增加蓄能器

蓄能器是液壓氣動系統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的沖擊壓力，重物質量設定為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，物重速度波動次數減少了，系統液壓沖擊也明顯得到緩和，系統運行的更穩定，但是速度波動最大超調量達到了0.384，比原來的超調量增加很多。

圖9 蓄能力對重物起吊速度的影響

圖10 蓄能力對系統壓力的影響

4 結語

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