基于AMESim的起重機回轉系統建模與沖擊抑制

丁偉

(三一汽車起重機械有限公司，湖南長沙 410600)

0 前言

近些年，起重機在建筑、電力、核工業等行業中發揮著重要的作用，行業對起重機性能的要求也逐漸增高[1]。回轉穩定性是衡量起重機作業性能的重要指標。然而，現有的起重機在回轉作業過程中，轉動慣量過大、摩擦阻力矩過大等因素導致液壓系統受到較大的沖擊，回轉穩定性較差的同時減少液壓元件壽命[2-3]。因此，抑制起重機回轉時的壓力沖擊對于提高起重機壽命與回轉穩定性非常重要。

現行的控制壓力沖擊的方法中，王貢獻等[4]研究了磁流變對起重機回轉系統啟動沖擊載荷的控制效果，呂九九[5]對回轉控制閥進行優化設計以減小負載波動的影響，范久臣和孫雪梅[6]研究了增加旁通回路與時序控制信號對回轉穩定性的提升，周萬傳等[7]研究了大型起重機回轉平穩的閉環控制策略。以上方法均需增加傳感器或對起重機現有結構進行改造，使起重機結構復雜，提高了制造成本。開環控制方法可在不增加成本的前提下提升起重機的回轉性能[8]。目前對起重機回轉的開環控制方法多針對回轉過程中的吊重擺動抑制問題[9-12]，而對起重機回轉過程中的壓力沖擊抑制關注較少。

因此，本文作者選取某55噸級起重機為研究對象，使用AMESim軟件建立其仿真模型并驗證模型的準確性。提出一種壓力沖擊抑制方法，并通過仿真與實驗驗證了該方法的有效性。

1 起重機回轉系統建模

1.1 起重機回轉系統原理及工作過程

圖1為某55噸級起重機的回轉系統原理，其中，2個單向緩沖閥具有緩沖功能，在回路壓力過高時打開；整個回路通過電控先導比例閥、制動控制閥與自由回轉閥進行控制；電控先導比例閥通過改變三位六通換向閥兩側先導腔的先導壓力改變三位六通換向閥的位移，進而改變了起重機回轉系統的工作狀態。控制回路的壓力由控制油泵提供。

圖1 起重機回轉系統原理

起重機回轉系統工作過程分為：停止過程、正轉過程、反轉過程、自由回轉過程。

停止過程中，左先導比例閥Y1、右先導比例閥Y2、制動控制閥Y3、自由回轉閥Y4不得電時，回轉馬達被制動器鎖死，整個回轉系統處于鎖定狀態。

正轉過程中，左先導比例閥Y1得電，制動控制閥Y3得電，制動器解除制動，三位六通換向閥左側的先導壓力腔壓力升高，三位六通換向閥向右移動，馬達A口與液壓泵接通，馬達B口與油箱接通，回轉馬達帶動起重機上車及吊臂回轉。

反轉過程中，右先導比例閥Y2得電，制動控制閥Y3得電，制動器解除制動，三位六通換向閥右側的先導壓力腔壓力升高，三位六通換向閥向左移動，馬達B口與液壓泵接通，馬達A口與油箱接通，回轉馬達帶動起重機上車及吊臂回轉。

自由回轉過程中，左先導比例閥Y1、右先導比例閥Y2不得電，制動控制閥Y3、自由回轉閥Y4得電，制動器解除制動，回轉馬達在慣性作用下自由回轉，直至回轉停止。

1.2 回轉系統AMESim模型建立

在分析起重機回轉系統原理和工作過程的基礎上，基于AMESim軟件建立了55噸級起重機回轉系統的仿真模型，如圖2所示。仿真模型主要由AMESim軟件中的液壓元件庫(Hydraulic Library)、信號與控制元件庫(Signal,Control Library)、一維機械元件庫(1D Mechanical Library)、動力系統元件庫(Powertrain Library)中的模塊搭建而成。為了準確表示閥的結構，保證模型的準確性，使用AMESim軟件中的液壓元件設計庫(Hydraulic Component Design Library)建立了主閥和單向閥模型。

圖2 起重機回轉系統AMESim模型

建模過程中，對回轉系統進行一定的簡化：假設減速機及齒輪齒圈處傳動效率為100%，將減速機與齒輪齒圈使用減速增扭模型代替；假設控制油路傳遞信號沒有遲滯，將控制油路用信號與控制元件庫(Signal,Control Library)中的模型代替。

模型中的參數通過對一臺55噸級起重機進行測量確定，模型的關鍵部件參數設置如表1所示，無法通過測量得到的參數，根據經驗值或AMESim中的默認值設定[13]。

表1 關鍵部件參數

2 仿真與實驗

2.1 仿真模型準確性驗證

因人工控制起重機回轉時輸入信號存在著微小波動，不利于對起重機回轉性能進行定量分析的問題，通過程序控制起重機的回轉動作。使用CompactRIO控制器接入起重機的手柄CAN線，如圖3所示，CompactRIO控制器將PC發送的手柄信號轉換為CAN信號輸入給起重機主控器，以此控制起重機的回轉動作。回轉系統的執行元件為液壓馬達，其工作狀態決定了起重機回轉的穩定性，因此，在起重機馬達的A口處加裝壓力傳感器、流量傳感器，在起重機馬達的B口處加裝壓力傳感器。傳感器信號通過Parker儀進行采集，傳感器布置如圖4所示。

圖3 CompactRIO控制器連線

圖4 傳感器布置

起重機回轉性能受多種因素影響，如起吊重物質量、吊臂傾角、吊臂長度等。為驗證所搭建模型的正確性，選取起重機工況為不吊載重物，吊臂長度為11.3 m，變幅角度為68°，通過PC對左先導比例閥輸入如圖5所示的信號，輸入信號達到1 000代表著回轉手柄處于最大位置，此時起重機以最快速度向左回轉。實驗測得馬達流量及馬達A、B口壓力曲線如圖6所示。

實驗中馬達的A口壓力最大值達到11.2 MPa，之后穩定在8 MPa左右，馬達B口壓力穩定在6 MPa左右，馬達流量穩定在33 L/min左右。

圖5 輸入信號 圖6 馬達A、B口壓力及流量曲線

在所搭建的AMESim模型中選取相同工況，對左先導比例閥輸入圖5所示的輸入信號進行仿真，仿真所得馬達A、B口壓力曲線及馬達流量曲線如圖7所示。

圖7 仿真所得馬達A、B口壓力及馬達流量曲線

由仿真結果可看出：仿真模型中馬達的A口壓力最大值達到11.1 MPa，之后穩定在7.8 MPa左右，馬達B口壓力穩定在5.8 MPa左右，馬達流量穩定在35 L/min左右。將仿真與實驗所得結果進行對比，A口壓力最大值相對誤差為0.89%，A口壓力穩定值相對誤差為2.50%，B口壓力穩定值相對誤差為3.33%，馬達流量穩定值相對誤差為6.06%。產生誤差的主要原因為實驗過程中存在著環境因素的干擾，如發動機的振動、上車回轉平面的傾斜、摩擦力的非線性等。在忽略此類誤差的前提下，認為仿真模型能夠較為準確地描述起重機的回轉性能。

2.2 沖擊抑制方法設計

從實驗結果可看出，造成起重機回轉不穩定和回轉沖擊的問題在于起重機啟動時手柄移動過快導致的起重機馬達進口處壓力產生波動，而起重機停止回轉時的壓力波動較小，對起重機回轉穩定的影響較小。抑制起重機回轉過程中的沖擊需要降低起重機回轉過程中馬達的進口壓力波動。

因此，設計一種沖擊抑制方法，如圖8所示：對手柄信號進行判斷，當手柄輸入信號值為增大狀態時，起重機處于回轉啟動過程；當手柄輸入信號值為減小狀態時，起重機處于回轉停止過程，對處于不同狀態的輸入信號使用不同的濾波器進行濾波運算，啟動過程濾波器濾除較多的高頻信號，停止過程濾波器濾除的高頻信號較少。如圖9所示，某一隨機回轉操作的原始輸入信號通過該程序處理后，達到所述效果。

圖8 沖擊抑制方法流程

圖9 處理前后輸入信號對比

2.3 仿真與實驗驗證

在仿真模型中輸入信號處添加沖擊抑制方法，對左先導比例閥輸入如圖5所示的斜坡信號進行仿真，仿真所得馬達A、B口壓力曲線及馬達流量曲線如圖10所示。

圖10 仿真所得馬達A、B口壓力及馬達流量曲線

由圖10可知:馬達的A口壓力最大值達到9 MPa，A口壓力穩定后在7.6 MPa左右，馬達B口壓力穩定在5.7 MPa左右，馬達流量穩定在34.5 L/min左右。與未加入控制方法的仿真結果進行對比，輸入信號相同的情況下，馬達的A口壓力最大值降低2.1 MPa，A口穩定壓力降低0.2 MPa，馬達B口穩定壓力降低0.1 MPa，馬達流量降低0.5 L/min，證明沖擊抑制方法有降低壓力沖擊的效果。

在所選55噸級起重機的主控器中，加入所設計沖擊抑制方法，選取起重機工況為不吊載重物，吊臂長度為11.3 m，變幅角度為68°，通過PC與CompactRIO控制器對左先導比例閥輸入如圖5所示的斜坡信號，實驗測得馬達A、B口壓力曲線及馬達流量曲線如圖11所示。

圖11 實驗測得馬達A、B口壓力及流量曲線

實驗中馬達的A口壓力最大值為8.7 MPa，之后穩定在8 MPa，馬達B口壓力穩定在6.2 MPa左右，馬達流量穩定在33 L/min左右。

與圖6所示未加入沖擊抑制程序的實驗結果進行對比，輸入信號相同的情況下，馬達的A口壓力最大值降低2.5 MPa，壓力穩定值基本相同，馬達B口壓力與馬達流量基本相同，同樣證明沖擊抑制方法有降低壓力沖擊的效果。

3 結論

為抑制起重機回轉作業時的液壓系統沖擊，提高起重機回轉的穩定性，提出了一種沖擊抑制方法，并通過仿真與實驗對所設計沖擊抑制方法進行驗證。結論如下：

(1)基于AMESim軟件搭建了55噸級起重機回轉系統仿真模型，仿真后與實驗結果進行對比，驗證了仿真模型的準確性。

(2)提出一種對手柄輸入信號進行處理的沖擊抑制方法并在所搭建的仿真模型中進行仿真驗證。仿真結果表明：馬達A口壓力值在相同的信號作用下，未加入沖擊抑制程序最大壓力分別為11.1 MPa，加入沖擊抑制程序以后A口最大的壓力值減小了2.1 MPa，所設計的控制方法可降低馬達A口壓力最大值18.92%。

在55噸級起重機控制程序中加入所設計的沖擊抑制程序并進行實驗，實驗結果表明：馬達A口壓力值在相同的信號作用下，未加入沖擊抑制程序最大壓力分別為11.2 MPa，加入沖擊抑制程序以后A口最大的壓力值減小了2.5 MPa，所設計的控制方法可降低馬達A口壓力最大值22.32%。實驗與仿真結果均表明，所設計的沖擊抑制方法能夠在一定程度上降低起重機回轉作業時的壓力沖擊。