SCC12000TM履帶式起重機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真結(jié)果與分析*

彭繼文，廖建國，康 濱，王 停，魏玉蘭※

（1.浙江三一裝備有限公司，浙江湖州 313000；2.湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江湖州 313000）

0 引言

隨著我國基本建設(shè)的規(guī)模越來越大，需要吊運(yùn)的物品質(zhì)量、體積以及起升高度也都隨之增大，履帶起重機(jī)憑借自身的優(yōu)越性，被廣泛地應(yīng)用于港口、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鐵路、核電站、石油化工等大型工程項(xiàng)目中[1]。履帶式起重機(jī)是集機(jī)械、電子、液壓、控制等多個(gè)領(lǐng)域子系統(tǒng)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)[2]。為了提高其設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，越來越多的研究采用仿真建模的方法，利用建模分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足，方便進(jìn)一步改進(jìn)，以檢驗(yàn)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。王凱等[3]在Ansys中建立了臂架系統(tǒng)的有限元模型，在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，提出了強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性評(píng)定方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該履帶起重機(jī)臂架的評(píng)定。紀(jì)緒[4]利用AMESim軟件開發(fā)出了履帶起重機(jī)起升系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等系統(tǒng)的液壓仿真模型。但大部研究在仿真分析時(shí)采用單一的仿真軟件，這很難得到多個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用[5－6]。馬長林等[7]構(gòu)建了基于Simulink環(huán)境的機(jī)電液耦合系統(tǒng)的集成化建模與仿真平臺(tái)，研究了軟件間聯(lián)合的組織內(nèi)部協(xié)同仿真方法，并以液壓驅(qū)動(dòng)的大型起豎系統(tǒng)仿真實(shí)例驗(yàn)證了該平臺(tái)的有效性。姜棟等[8]以汽車起重機(jī)變幅系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了基于Simulink環(huán)境搭建的機(jī)電液一體化系統(tǒng)仿真平臺(tái)的可行性和有效性。這表明該方法能便捷地將機(jī)械、液壓、控制系統(tǒng)仿真模型有機(jī)集成。但目前還未有針對(duì)履帶起重機(jī)的機(jī)電液聯(lián)合仿真的研究。本文以SCC12000TM履帶式起重機(jī)為例，進(jìn)行移動(dòng)超起配重機(jī)構(gòu)機(jī)電液聯(lián)合仿真，模擬履帶起重機(jī)吊裝風(fēng)機(jī)的全過程工況，包括起臂工況、起升重物工況和變幅工況，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，以3種工況下的主拉板力、回轉(zhuǎn)支承載荷及彎矩最大值為指標(biāo)，驗(yàn)證超起配重過程平穩(wěn)性。

1 機(jī)電液聯(lián)合仿真模型

1.1 Adams多體動(dòng)力學(xué)模型

Adams具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析功能，其建模仿真的精度和可靠性很高，可方便地建立參數(shù)化的模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[9－11]。故本文采用Adams軟件建立SCC12000TM整機(jī)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖1所示，該模型包括履帶架、底座、上車、中央配重、后配重、主臂、超起桅桿、主桅桿、超起配重和超起配重?fù)渭堋Ｔ撃Ｐ涂梢月?lián)合其他軟件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)起臂、起升重物和變幅過程的仿真，并得到各工況下的拉板力。

圖1 Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

1.2 AMESim移動(dòng)超起配重機(jī)構(gòu)液壓模型

AMESim軟件提供了豐富的液壓、機(jī)械元件模型庫和液壓元件設(shè)計(jì)庫（HCD），為液壓系統(tǒng)模型的搭建提供了便利[12－13]。根據(jù)液壓原理圖，采用AMESim軟件建立移動(dòng)超起配重機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)仿真模型，其中液壓泵、電磁換向閥、油缸和溢流閥采用液壓庫中的標(biāo)準(zhǔn)模型，平衡閥采用液壓元件設(shè)計(jì)庫（HCD庫）進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的壓力、流量等仿真，將在AMESim生成的液壓系統(tǒng)模型S－Function調(diào)入Simulink中。

1.3 Matlab/Simulink控制模型

在軟件Matlab/Simulink中建立移動(dòng)超起配重離地和移動(dòng)的控制模型，對(duì)Simulink進(jìn)行邏輯控制和控制參數(shù)輸出，控制移動(dòng)超起配重油缸和提升油缸泵比例閥電流。

控制目標(biāo)：（1）整機(jī)不傾翻；（2）回轉(zhuǎn)支承等結(jié)構(gòu)安全；（3）拉板力、回轉(zhuǎn)支承壓力及彎矩滿足要求；（4）控制邏輯滿足要求。

1.4 機(jī)電液聯(lián)合仿真模型

各軟件的數(shù)據(jù)交換流程如圖2所示。首先基于Ad?ams構(gòu)建多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，AMESim建立移動(dòng)超起配重機(jī)構(gòu)液壓模型，將Adams機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型和AMESim液壓模型分別導(dǎo)入至Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，通過軟件之間的數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)超起配重機(jī)構(gòu)機(jī)電液聯(lián)合仿真，機(jī)電液聯(lián)合仿真模型如圖3所示。

圖2 軟件數(shù)據(jù)交換流程

圖3 機(jī)電液聯(lián)合仿真模型

2 整機(jī)多體動(dòng)力學(xué)仿真工況

SCC12000TM主要是針對(duì)風(fēng)電吊裝工況設(shè)計(jì)的履帶起重機(jī)，本文利用Adams軟件模擬履帶起重機(jī)吊裝風(fēng)機(jī)的全過程工況，包括起臂工況、起升重物工況和變幅工況。

（1）起臂工況

初始條件：工況HDB60，后配重230 t，中央配重90 t，超起配重100 t，初始超起配重半徑為22 m，超起配重落在地上。

起臂過程：主臂從0°起臂到最大角度85°，超起配重實(shí)現(xiàn)離地，并由22 m移動(dòng)到16 m。

（2）起升重物工況

初始狀態(tài)：工作半徑9 m，起升重物300 t，超起配重半徑16 m，超起配重100 t，重物和超起配重均落在地面。

起升重物過程：緩慢起升載荷直至離地10 m，其他機(jī)構(gòu)均未動(dòng)作。

（3）變幅工況

初始狀態(tài)：起升重物后，工作半徑由9 m開始變幅。

變幅過程：工作半徑由9 m增大到15.5 m，實(shí)現(xiàn)超起配重離地控制，超起半徑由16 m移動(dòng)到18.7 m。

根據(jù)以上3種工況參數(shù)，對(duì)起臂、起升重物和變幅過程進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)合仿真。

3 機(jī)電液聯(lián)合仿真結(jié)果

3.1 起臂仿真結(jié)果

起臂過程中的拉板力如圖4所示。圖中，0～40 s時(shí)，變幅卷揚(yáng)勻加速轉(zhuǎn)動(dòng)，速度由0增大到3.75 r/s；40～120 s時(shí)，變幅卷揚(yáng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；120～160 s時(shí)，變幅卷揚(yáng)勻減速轉(zhuǎn)動(dòng)，速度由3.75 r/s減小到0，臂架起臂到85°夾角。

圖4 起臂過程中各拉板的拉板力

3.2 起升重物和變幅仿真結(jié)果

圖5 所示為起升重物和變幅過程中各拉板的拉板力。圖中可以看出，0～2 s時(shí)重物不動(dòng)，2～5 s超起配重，5～10 s起升重物，10～80 s變幅，主變幅拉板的拉板力在62 s達(dá)到約800 kN。超起配置由最初位置16.0 m，開始向后移動(dòng)，到80 s時(shí)，移動(dòng)到18.7 m。

圖5 提升重物和變幅過程中各拉板的拉板力

圖6 ～7所示為回轉(zhuǎn)支承所受壓力及彎矩變化曲線示意圖，由圖可知其所承受壓力及彎矩都在允許范圍內(nèi)。

圖6 回轉(zhuǎn)支撐壓力

3.3 仿真結(jié)果

在起臂、起升重物和變幅過程中，各工況下的拉板力最大值如表1所示，回轉(zhuǎn)支承壓力及彎矩最大值如表2所示。

圖7 回轉(zhuǎn)支撐彎矩

表1 各工況下的拉板力最大值 kN

表2 回轉(zhuǎn)支承壓力及彎矩最大值

仿真結(jié)果表明，在起臂、起升重物和變幅過程中拉板力仿真結(jié)果與理論吻合，最大值滿足總體設(shè)計(jì)要求。機(jī)電液聯(lián)合仿真驗(yàn)證了控制邏輯和控制參數(shù)設(shè)計(jì)合理，超起配重離地和移動(dòng)過程較平穩(wěn)，主拉板力、回轉(zhuǎn)支承載荷及彎矩最大值均滿足要求，驗(yàn)證了超起配重過程平穩(wěn)性。

4 結(jié)束語

本文以SCC1200TM履帶式起重機(jī)為研究對(duì)象，基于Adams實(shí)現(xiàn)了SCC12000TM的整機(jī)多體動(dòng)力學(xué)仿真，聯(lián)合AMESim與Simulink之間的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)移動(dòng)超起配重機(jī)構(gòu)機(jī)電液聯(lián)合仿真，分別對(duì)起臂、起升重物和變幅3種工況進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)合仿真，得到了各工況下的拉板力、回轉(zhuǎn)支承載荷及彎矩最大值。仿真結(jié)果表明，超起配重過程平穩(wěn)，拉板力、回轉(zhuǎn)支承載荷及彎矩最大值均滿足總體設(shè)計(jì)要求。由此可以看出，本文所提出的基于Adams、AMESim與Simulink的機(jī)電液聯(lián)合仿真方案是可行的，該方案還可為履帶式起重機(jī)整機(jī)總體設(shè)計(jì)和有限元分析提供荷載。