基于AMESim的起重机回转系统建模与冲击抑制

丁伟

(三一汽车起重机械有限公司，湖南长沙 410600)

0 前言

近些年，起重机在建筑、电力、核工业等行业中发挥着重要的作用，行业对起重机性能的要求也逐渐增高[1]。回转稳定性是衡量起重机作业性能的重要指标。然而，现有的起重机在回转作业过程中，转动惯量过大、摩擦阻力矩过大等因素导致液压系统受到较大的冲击，回转稳定性较差的同时减少液压元件寿命[2-3]。因此，抑制起重机回转时的压力冲击对于提高起重机寿命与回转稳定性非常重要。

现行的控制压力冲击的方法中，王贡献等[4]研究了磁流变对起重机回转系统启动冲击载荷的控制效果，吕九九[5]对回转控制阀进行优化设计以减小负载波动的影响，范久臣和孙雪梅[6]研究了增加旁通回路与时序控制信号对回转稳定性的提升，周万传等[7]研究了大型起重机回转平稳的闭环控制策略。以上方法均需增加传感器或对起重机现有结构进行改造，使起重机结构复杂，提高了制造成本。开环控制方法可在不增加成本的前提下提升起重机的回转性能[8]。目前对起重机回转的开环控制方法多针对回转过程中的吊重摆动抑制问题[9-12]，而对起重机回转过程中的压力冲击抑制关注较少。

因此，本文作者选取某55吨级起重机为研究对象，使用AMESim软件建立其仿真模型并验证模型的准确性。提出一种压力冲击抑制方法，并通过仿真与实验验证了该方法的有效性。

1 起重机回转系统建模

1.1 起重机回转系统原理及工作过程

图1为某55吨级起重机的回转系统原理，其中，2个单向缓冲阀具有缓冲功能，在回路压力过高时打开；整个回路通过电控先导比例阀、制动控制阀与自由回转阀进行控制；电控先导比例阀通过改变三位六通换向阀两侧先导腔的先导压力改变三位六通换向阀的位移，进而改变了起重机回转系统的工作状态。控制回路的压力由控制油泵提供。

图1 起重机回转系统原理

起重机回转系统工作过程分为：停止过程、正转过程、反转过程、自由回转过程。

停止过程中，左先导比例阀Y1、右先导比例阀Y2、制动控制阀Y3、自由回转阀Y4不得电时，回转马达被制动器锁死，整个回转系统处于锁定状态。

正转过程中，左先导比例阀Y1得电，制动控制阀Y3得电，制动器解除制动，三位六通换向阀左侧的先导压力腔压力升高，三位六通换向阀向右移动，马达A口与液压泵接通，马达B口与油箱接通，回转马达带动起重机上车及吊臂回转。

反转过程中，右先导比例阀Y2得电，制动控制阀Y3得电，制动器解除制动，三位六通换向阀右侧的先导压力腔压力升高，三位六通换向阀向左移动，马达B口与液压泵接通，马达A口与油箱接通，回转马达带动起重机上车及吊臂回转。

自由回转过程中，左先导比例阀Y1、右先导比例阀Y2不得电，制动控制阀Y3、自由回转阀Y4得电，制动器解除制动，回转马达在惯性作用下自由回转，直至回转停止。

1.2 回转系统AMESim模型建立

在分析起重机回转系统原理和工作过程的基础上，基于AMESim软件建立了55吨级起重机回转系统的仿真模型，如图2所示。仿真模型主要由AMESim软件中的液压元件库(Hydraulic Library)、信号与控制元件库(Signal,Control Library)、一维机械元件库(1D Mechanical Library)、动力系统元件库(Powertrain Library)中的模块搭建而成。为了准确表示阀的结构，保证模型的准确性，使用AMESim软件中的液压元件设计库(Hydraulic Component Design Library)建立了主阀和单向阀模型。

图2 起重机回转系统AMESim模型

建模过程中，对回转系统进行一定的简化：假设减速机及齿轮齿圈处传动效率为100%，将减速机与齿轮齿圈使用减速增扭模型代替；假设控制油路传递信号没有迟滞，将控制油路用信号与控制元件库(Signal,Control Library)中的模型代替。

模型中的参数通过对一台55吨级起重机进行测量确定，模型的关键部件参数设置如表1所示，无法通过测量得到的参数，根据经验值或AMESim中的默认值设定[13]。

表1 关键部件参数

2 仿真与实验

2.1 仿真模型准确性验证

因人工控制起重机回转时输入信号存在着微小波动，不利于对起重机回转性能进行定量分析的问题，通过程序控制起重机的回转动作。使用CompactRIO控制器接入起重机的手柄CAN线，如图3所示，CompactRIO控制器将PC发送的手柄信号转换为CAN信号输入给起重机主控器，以此控制起重机的回转动作。回转系统的执行元件为液压马达，其工作状态决定了起重机回转的稳定性，因此，在起重机马达的A口处加装压力传感器、流量传感器，在起重机马达的B口处加装压力传感器。传感器信号通过Parker仪进行采集，传感器布置如图4所示。

图3 CompactRIO控制器连线

图4 传感器布置

起重机回转性能受多种因素影响，如起吊重物质量、吊臂倾角、吊臂长度等。为验证所搭建模型的正确性，选取起重机工况为不吊载重物，吊臂长度为11.3 m，变幅角度为68°，通过PC对左先导比例阀输入如图5所示的信号，输入信号达到1 000代表着回转手柄处于最大位置，此时起重机以最快速度向左回转。实验测得马达流量及马达A、B口压力曲线如图6所示。

实验中马达的A口压力最大值达到11.2 MPa，之后稳定在8 MPa左右，马达B口压力稳定在6 MPa左右，马达流量稳定在33 L/min左右。

图5 输入信号 图6 马达A、B口压力及流量曲线

在所搭建的AMESim模型中选取相同工况，对左先导比例阀输入图5所示的输入信号进行仿真，仿真所得马达A、B口压力曲线及马达流量曲线如图7所示。

图7 仿真所得马达A、B口压力及马达流量曲线

由仿真结果可看出：仿真模型中马达的A口压力最大值达到11.1 MPa，之后稳定在7.8 MPa左右，马达B口压力稳定在5.8 MPa左右，马达流量稳定在35 L/min左右。将仿真与实验所得结果进行对比，A口压力最大值相对误差为0.89%，A口压力稳定值相对误差为2.50%，B口压力稳定值相对误差为3.33%，马达流量稳定值相对误差为6.06%。产生误差的主要原因为实验过程中存在着环境因素的干扰，如发动机的振动、上车回转平面的倾斜、摩擦力的非线性等。在忽略此类误差的前提下，认为仿真模型能够较为准确地描述起重机的回转性能。

2.2 冲击抑制方法设计

从实验结果可看出，造成起重机回转不稳定和回转冲击的问题在于起重机启动时手柄移动过快导致的起重机马达进口处压力产生波动，而起重机停止回转时的压力波动较小，对起重机回转稳定的影响较小。抑制起重机回转过程中的冲击需要降低起重机回转过程中马达的进口压力波动。

因此，设计一种冲击抑制方法，如图8所示：对手柄信号进行判断，当手柄输入信号值为增大状态时，起重机处于回转启动过程；当手柄输入信号值为减小状态时，起重机处于回转停止过程，对处于不同状态的输入信号使用不同的滤波器进行滤波运算，启动过程滤波器滤除较多的高频信号，停止过程滤波器滤除的高频信号较少。如图9所示，某一随机回转操作的原始输入信号通过该程序处理后，达到所述效果。

图8 冲击抑制方法流程

图9 处理前后输入信号对比

2.3 仿真与实验验证

在仿真模型中输入信号处添加冲击抑制方法，对左先导比例阀输入如图5所示的斜坡信号进行仿真，仿真所得马达A、B口压力曲线及马达流量曲线如图10所示。

图10 仿真所得马达A、B口压力及马达流量曲线

由图10可知:马达的A口压力最大值达到9 MPa，A口压力稳定后在7.6 MPa左右，马达B口压力稳定在5.7 MPa左右，马达流量稳定在34.5 L/min左右。与未加入控制方法的仿真结果进行对比，输入信号相同的情况下，马达的A口压力最大值降低2.1 MPa，A口稳定压力降低0.2 MPa，马达B口稳定压力降低0.1 MPa，马达流量降低0.5 L/min，证明冲击抑制方法有降低压力冲击的效果。

在所选55吨级起重机的主控器中，加入所设计冲击抑制方法，选取起重机工况为不吊载重物，吊臂长度为11.3 m，变幅角度为68°，通过PC与CompactRIO控制器对左先导比例阀输入如图5所示的斜坡信号，实验测得马达A、B口压力曲线及马达流量曲线如图11所示。

图11 实验测得马达A、B口压力及流量曲线

实验中马达的A口压力最大值为8.7 MPa，之后稳定在8 MPa，马达B口压力稳定在6.2 MPa左右，马达流量稳定在33 L/min左右。

与图6所示未加入冲击抑制程序的实验结果进行对比，输入信号相同的情况下，马达的A口压力最大值降低2.5 MPa，压力稳定值基本相同，马达B口压力与马达流量基本相同，同样证明冲击抑制方法有降低压力冲击的效果。

3 结论

为抑制起重机回转作业时的液压系统冲击，提高起重机回转的稳定性，提出了一种冲击抑制方法，并通过仿真与实验对所设计冲击抑制方法进行验证。结论如下：

(1)基于AMESim软件搭建了55吨级起重机回转系统仿真模型，仿真后与实验结果进行对比，验证了仿真模型的准确性。

(2)提出一种对手柄输入信号进行处理的冲击抑制方法并在所搭建的仿真模型中进行仿真验证。仿真结果表明：马达A口压力值在相同的信号作用下，未加入冲击抑制程序最大压力分别为11.1 MPa，加入冲击抑制程序以后A口最大的压力值减小了2.1 MPa，所设计的控制方法可降低马达A口压力最大值18.92%。

在55吨级起重机控制程序中加入所设计的冲击抑制程序并进行实验，实验结果表明：马达A口压力值在相同的信号作用下，未加入冲击抑制程序最大压力分别为11.2 MPa，加入冲击抑制程序以后A口最大的压力值减小了2.5 MPa，所设计的控制方法可降低马达A口压力最大值22.32%。实验与仿真结果均表明，所设计的冲击抑制方法能够在一定程度上降低起重机回转作业时的压力冲击。