开式液压绞车重物起吊性能仿真分析

李彬彬

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030032）

绞车是一种用卷筒缠绕钢丝绳或链子提升或拖拽重物的中小型起重设备[1]。根据绞车驱动方式不同，绞车可以分为内燃机驱动、电动机驱动和液压驱动[2]。其中，液压绞车结构和操作简单、绕绳量大、移置方便而普遍应用于修筑、水利工程、林业、码头等的货物起落或平拖。另外，液压绞车减少了发生电气火花的部件使用，容易做成防爆型[5-6]，因此防爆型液压绞车更适合在煤矿井下工作[7-8]。液压绞车可通过低速大扭矩柱塞液压马达直接拖动绞车卷筒[9]，也可采用高速小扭矩柱塞液压马达连接减速器间接拖动绞车卷筒[10]。绞车既可通过调速阀阀调节油路中流入液压马达的流量来控制马达转速[11]，也可通过改变回路中变量泵或者变量马达的排量实现调速[12]。研究的液压绞车主要采用节流调速。

1 绞车的系统设计

1.1 液压系统

液压系统是液压绞车的动力源，液压系统的性能直接影响着重物起吊的稳定性[13]。液压系统分为开式驱动系统和闭式驱动系统，闭式液压系统综合性能比开式的好，但是温度不易控制，考虑到防爆型绞车对温度要求比较高，所研究的绞车采用开式液压系统[14]，开式液压驱动系统结构简单，散热性较好，油液回流油箱中能够加速冷却和沉淀杂质。绞车液压原理图如图1，液压泵被电机驱动从油箱中吸油，溢流阀稳定系统的压力，平衡阀使系统运行运的更为平稳。当电磁阀左位通电时，马达液压带动卷筒正转，重物被提升；当电磁阀右位通电时，液压马达带动卷筒反转，重物被下放，当电磁阀不通电处于中位，系统卸荷。电液比例流量阀用来调节通过马达的流量，进而控制重物起吊或者下放的速度[15]。

1.2 数学模型建立

根据绞车的结构，可以建立液压系统有关数学模型。

图1 液压系统原理图

式中：F为钢丝绳牵引力，N；M为吊重质量，kg；D为绞车滚筒直径，m；Mw为滚筒负载转矩，N·m；v为吊重速度，m/s；nw为绞车滚筒转速，r/min；i为减速比；Mm为油马达输出转矩，N·m；nm为油马达转速，r/min；qm为油马达排量，L；p为系统工作压力，MPa；ηm为油马达的机械效率。

2 AMESim系统模型建立

1）系统模型搭建。根据绞车结构及液压系统，在AMESim软件的Sketch模式中中建立绞车的仿真模型。调用软件中信号库、液压库和机械库中的子元件搭建整体仿真模型，其中包含油箱模型、液压泵模型、电磁换向阀模型、平衡阀模型、高压溢流阀模型、节流调速阀模型、液压马达模型、减速器模型、钢丝绳模型，以及吊重模型等 。

2）元件模型参数。根据液压绞车结构参数，仿真元件的初始参数设置如下：转动惯量50 kgm2；溢流阀调定压力30 MPa；重物质量500 kg；钢丝绳长500 m；卷筒直径0.5 m；减速比10；马达排量为0.1 L/r；额定转速500 r/min；恒流源流量50 L/min。

3 性能分析

为探讨液压绞车的起升性，能分别改变系统的重物质量、溢流阀调定压力，转动惯量等参数，在分析影响因素时，设定其他参数不变。通过AMESim中的批处理进行仿真对比，以分析液压绞车稳定性和吊重速度的变化情况。

仿真总时间设置为6 s，仿真精度设置为0.005 s。重物起吊速度如图2，系统压力变化图3。通过分析可知，重物在起吊过程中速度波动较大，大约在3.5 s左右，重物速度趋于稳定，最大超调为 0.24左右。启动时液压系统回路中压力冲击较大，最大压力达到了溢流阀的设定值30 MPa，液压系统压力压力变化也较剧烈。

图2 重物起吊速度

图3 系统压力变化

3.1 重物质量对起吊性能的影响

重物质量分别设为500、1 000、1 500 kg，重物质量对起吊速度的影响如图4，重物质量对起吊位移的影响如图5。

图4 重物质量对起吊速度的影响

图5 重物质量对起吊位移的影响

由图4可知，重物质量为1 000 kg时，速度波动曲线的最大超调量为0.15；重物质量为1 500 kg时，其最大超调量下降至0.06左右，相比于重物为500 kg时，其超调量下降很多，说明重物的质量越大，其起吊速度波动也越小。增大重物质量后系统的调整时间基本不变，仍然维持在3.5 s左右，但是其上升时间和峰值时间明显减小了，稳定速度基本保持不变。

3.2 不同转动惯量对系统的影响

卷筒的转动惯量初始值为50 kg·m2，分别增大到100、150 kg·m2，转动惯量对重物起吊速度的影响如图6。

图6 转动惯量对重物起吊速度的影响

由仿真曲线可知，当卷筒的转动惯量增大，仿真结果与增大物重类似，系统调整时间变化不大，仍维持在3.5 s，其稳态速度基本保持在1.3 m/s，但是最大超调量略微下降，速度稳定性得到提高。由此可见转动惯量作为能量波动的一种存储，其值较大能够较好地平稳系统响应波动，这对平稳吊重的速度波动影响尤为明显。

3.3 不同溢流阀调定压力对系统的影响

溢流阀设定压力分别为18、20、30 MPa，溢流阀调定压力对起吊速度的影响如图7，系统压力波动如图8。

图7 溢流阀调定压力对起吊速度的影响

图8 溢流阀调定压力对系统压力的影响

根据图7得知，溢流阀设定压力为20 MPa或30 MPa重物起升稳定速度不变，维持在1.3 m/s，当溢流阀设定压力为18 MPa，即小于系统工作压力20 MPa时，重物速度平稳上升，系统速度波动明显得到改善，系统液压冲击力减小，有利于系统稳定，但稳定速度值只能达到1.1 m/s，但是系统速度波动明显得到改善，系统液压冲击力减小，有利于系统稳定。

3.4 液压回路中增加蓄能器

蓄能器是液压气动系统中的一种能量储蓄装置，在原液压回路中加入蓄能器，用来吸收物重起吊是系统的冲击压力，重物质量设定为1 000 kg，溢流阀设定压力为30 MPa。将仿真时间延长到8 s，蓄能力对重物起吊速度的影响如图9，蓄能力对系统压力的影响图10。

很明显可以看到，增加蓄能器后，物重速度波动次数减少了，系统液压冲击也明显得到缓和，系统运行的更稳定，但是速度波动最大超调量达到了0.384，比原来的超调量增加很多。

图9 蓄能力对重物起吊速度的影响

图10 蓄能力对系统压力的影响

4 结语

通过AMESim对开式液压绞车仿真分析发现：起吊重物质量越大，提升速度波动越小，上升时间越长，但基本不会影响稳态速度；增加卷筒的转动惯量可以降低重物速度波动，转动惯量越大，重物提升速度波动越小；重物提升速度的大小和系统压力稳定性很大程度取决于液压系统压力，在满足重物提升速度要求的前提下，应尽量降低系统压力；蓄能器可以有效吸收系统压力冲击，但是增加蓄能器后，重物起升速度波动最大超调量增大，系统稳定时间延长。