賈丙勇，徐軼群

（集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

基于Simulink的船舶起重機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真分析

賈丙勇，徐軼群

（集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

分析了某船舶起重機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Matlab/Simulink模塊建立了各元件和整個(gè)液壓系統(tǒng)的仿真模型。通過分析系統(tǒng)功能，重點(diǎn)對(duì)液壓缸的輸出特性進(jìn)行了仿真，這對(duì)起重機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)有一定的實(shí)際意義。

液壓系統(tǒng)；建模；液壓缸；仿真

0 引言

船舶起重機(jī)是船上普遍使用的一種大型甲板機(jī)械，在船舶貨物等的運(yùn)輸裝卸中起著重要作用。主要由吊臂、塔身及基座組成。作為起重機(jī)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)——液壓系統(tǒng)是船舶起重機(jī)能否正常工作的保障。

船舶起重機(jī)的液壓系統(tǒng)主要完成貨物的升降等工作，負(fù)荷大，要有較好的穩(wěn)定性、安全性。液壓系統(tǒng)特別是液壓缸的特性輸出直接影響船舶起重機(jī)工作的狀況。起重機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是衡量性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，通過對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，對(duì)提高船舶起重機(jī)構(gòu)的安全和穩(wěn)定等性能有重要意義[1-3]。本文主要對(duì)某船起重機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)建模，并在建模的基礎(chǔ)上應(yīng)用 Matlab的Simulink模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

1 對(duì)液壓系統(tǒng)建模

某船舶起重機(jī)開式液壓系統(tǒng)如圖1所示。通過對(duì)此液壓系統(tǒng)工作原理及流量的詳細(xì)分析，可以對(duì)各部件完成建模[4]。

圖1 起重液壓系統(tǒng)

1.1 液壓油泵為定量泵

建模時(shí)以泵的轉(zhuǎn)速和泵出口的輸出壓力為輸入，出口流量為輸出，泵的輸出流量可以表示為：

式中，Q為泵輸出流量；n為泵的轉(zhuǎn)速；VP為泵的集合排量；G為泵泄漏時(shí)的液導(dǎo)；PP為泵的輸出壓力。

1.2 液壓閥

對(duì)系統(tǒng)中的各種液壓閥以油口處所連接容腔的壓力為輸入，通過油口的流量作為輸出，可以建立閥的流量-壓力特性方程。對(duì)溢流閥，數(shù)學(xué)模型可以建立為：

式中，G為溢流閥的導(dǎo)通液導(dǎo)；Pm為溢流閥調(diào)定壓力；P1、P2分別為溢流閥進(jìn)出壓力，且P2-P1-Pm>0。

由于單向節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)中起到節(jié)流限速的作用，建模時(shí)可以將節(jié)流閥看成系統(tǒng)中的阻尼，這里把單向節(jié)流閥看成一個(gè)線性阻尼，則可以建立模型方程為：

式中，G為單向節(jié)流閥液導(dǎo)。

同樣可以推出單向閥的流量—壓力方程。對(duì)液壓系統(tǒng)的換向閥的建模與以上相似，但在對(duì)換向閥建模時(shí)，不僅要考慮以上諸因素，還要考慮閥芯的運(yùn)動(dòng)對(duì)閥口流量的影響。則對(duì)換向閥建模為：

式中， 0；Kij為換向閥的閥口綜合系數(shù)；分別為K21、K14、K23、K34；X0為閥芯位于中位時(shí)閥口的開口量；x為閥芯位移；且閥芯處于中間位置時(shí)為0。

1.3 液壓容腔

液壓容腔是通過管路相連的多個(gè)元件之間形成的容腔。液壓容腔的基本方程為：

式中，∑ 為容腔進(jìn)出口流量總和；K為有效體積彈性模量；Vi為容腔的油液體積；Pi為容腔壓力。

1.4 液壓缸

液壓缸是液壓系統(tǒng)的重要工作部件，是研究分析的主要部分。這里的液壓缸為單桿活塞缸，有活塞桿輸出力F推動(dòng)吊桿完成船上貨物的裝卸。這里對(duì)液壓缸進(jìn)油腔、回油腔流量及活塞建立方程為：

式中，q1、q2為進(jìn)、出液壓缸的流量；A1、A2為液壓缸進(jìn)、出油腔活塞面積；p1、p2為液壓缸進(jìn)、出油壓力；λc為液壓缸泄露系數(shù)；m為運(yùn)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量；v為活塞運(yùn)動(dòng)速度。另外，負(fù)載力F與起重物G的關(guān)系可表示為：

由式(9)可知，在吊桿確定的情況下，系統(tǒng)的負(fù)載力與重物和吊桿角度變化有直接關(guān)系。

2 系統(tǒng)各部分仿真模型

由以上起重機(jī)液壓系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)建模可以建立各部分的仿真模型[5-6]。

2.1 液壓系統(tǒng)閥件仿真

通過分析溢流閥的工作過程和建模公式可以建立它的仿真模型，如圖2所示。同樣可以建立換向閥(圖3)、單向閥等的仿真模型。

圖2 溢流閥仿真模型

圖3 換向閥仿真模型

可以對(duì)以上各閥件的仿真模型進(jìn)行封裝處理，用于系統(tǒng)仿真模型中。圖4為溢流閥、單向閥、換向閥的封裝模型。

圖4 溢流閥、單向閥、換向閥的封裝模型

2.2 液壓缸仿真模型

液壓缸仿真模型如圖5(a)所示。封裝后液壓缸仿真模型可以簡化為圖5(b)。

圖 5 液壓缸仿真模型及封裝后的模型

2.3 液壓泵、液壓容腔的仿真模型和封裝簡化模型。

液壓泵仿真模型如圖6所示。封裝后的液壓缸仿真模型可以簡化為圖7形式。

圖6 液壓泵仿真模型

圖7 封裝后的液壓缸仿真模型

根據(jù)以上對(duì)液壓系統(tǒng)建模過程的分析，可以建立整個(gè)起重系統(tǒng)的仿真模型(見圖8)。

圖8 船舶起重機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型

在上面的液壓系統(tǒng)仿真模型中，輸入系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)起重系統(tǒng)的仿真分析。液壓缸是系統(tǒng)輸出的主要部分，對(duì)系統(tǒng)工作影響最大。這里主要對(duì)液壓缸的輸出情況進(jìn)行了仿真，查看液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的速度和位移情況。液壓缸仿真取值見表1。仿真結(jié)果見圖9。

表1 液壓缸仿真數(shù)據(jù)

圖9 液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度響應(yīng)仿真曲線

從圖9、10的仿真曲線可看出，起重液壓系統(tǒng)中液壓缸活塞桿速度經(jīng)過一定時(shí)間的加速，最后處于勻速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)仿真曲線，可以通過改變液壓缸的相關(guān)數(shù)據(jù)來優(yōu)化油缸的輸出，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。

圖10 液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)位移響應(yīng)仿真曲線

3 結(jié)語

借用MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)船舶起重液壓系統(tǒng)仿真建模，可以較方便地仿真出液壓系統(tǒng)工作的動(dòng)態(tài)特性。在仿真過程中，不需要編制程序，可直接利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，可靠、簡單、直觀。在設(shè)計(jì)真實(shí)的液壓系統(tǒng)前進(jìn)行仿真建模，通過調(diào)整系統(tǒng)的不同參數(shù)，觀察仿真曲線的變化，可知各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，改進(jìn)液壓系統(tǒng)，降低成本、提高性能。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真分析，可以更好地完成對(duì)系統(tǒng)特性的評(píng)價(jià)，提出合理的改進(jìn)方案。船舶起重液壓系統(tǒng)工作負(fù)荷大、強(qiáng)度高，有效地仿真建模能夠提高工作效率和安全生產(chǎn)。

建立的起重液壓系統(tǒng)各部件和整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，可以應(yīng)用于所有類似的液壓系統(tǒng)仿真，同時(shí)系統(tǒng)各部分的仿真模型還能作為獨(dú)立的模塊應(yīng)用于其他液壓系統(tǒng)仿真中。可以有效地減少系統(tǒng)仿真建模的過程。

[1] 崔 昊, 王育才, 呂建國. 基于 MATLAB/SIMULINK的閥控液壓缸動(dòng)態(tài)特性仿真與優(yōu)化[J]. 機(jī)械傳動(dòng),2007, 31 (4): 67-68.

[2] 王科社, 馬 馳, 孫江宏. 基于 MATLAB/SMULINK的液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)仿真分析[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 1(27): 27-30.

[3] 高欽和, 王孫安, 黃先祥. SIMULNK 下液壓系統(tǒng)仿真模型庫的建立[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用,2006(8): 317-320.

[4] 李永堂. 液壓系統(tǒng)建模與仿真 [M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2003.

[5] 張德豐. MATLAB/SIMULINK建模與仿真實(shí)例精講[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[6] 薛定宇, 陳陽泉. 基于MATLAB/SIMULINK的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.

Simulation of Hydraulic System of Ship Lifting Mechanism Based on Simulink

JIA Bing-yong, XU Yi-qun
(Marine Engineering College, Jimei University, Xiamen 361021, China)

The hydraulic system of a ship lifting mechanism is analyzed. The mathematical model of system components is established. The simulation models of the various components and the entire hydraulic system are established by using Matlab/Simulink module. Through analyzing the system functions, the output characteristics of the hydraulic cylinder are mainly simulated, which has a certain practical significance to hydraulic system of lifting mechanism.

hydraulic system;modeling;hydraulic cylinder;simulation

U664.4

A

賈丙勇(1987-)，男，碩士研究生。研究方向：輪機(jī)工程。