劉方超，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

基于AMESim的抓斗采礦船液粘調(diào)速系統(tǒng)仿真

劉方超，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

闡述了液粘調(diào)速離合器的原理及其在抓斗采礦船動力傳動系統(tǒng)上的應(yīng)用，利用AMESim動力仿真軟件對抓斗采礦船的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模，調(diào)節(jié)元件模型參數(shù)，優(yōu)化模型。通過仿真抓斗采礦船的一個(gè)典型工作循環(huán)，得到了系統(tǒng)的動態(tài)性能曲線。通過分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證了液粘調(diào)速離合器的作用效果及模型的有效性。

抓斗采礦船；液粘調(diào)速離合器 ；AMESim；仿真分析

抓斗式采礦船由于采礦效率高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今淺海采礦船的主要形式。然而隨著抓斗斗容的不斷增大，對設(shè)備的技術(shù)要求也越來越高，穩(wěn)定而靈活地控制抓斗吊放，對采礦效率及安全性有著重要的意義。但是對于載荷如此巨大且工礦復(fù)雜、換向調(diào)速頻繁的設(shè)備，一般的調(diào)速離合設(shè)備很難滿足要求。通過比較已有的各種傳動裝置發(fā)現(xiàn)，近幾年發(fā)展起來的一種新型調(diào)速裝置——液粘調(diào)速離合器具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。利用這種離合器與液力變矩器結(jié)合構(gòu)成的傳動系統(tǒng)，能夠很好地適應(yīng)大型抓斗式采礦船舶。本文利用AMESim系統(tǒng)建模仿真軟件對斗容30m3抓斗采礦船的液粘調(diào)速動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模，并就抓斗的一個(gè)典型工作循環(huán)進(jìn)行動態(tài)仿真分析。

1 液粘調(diào)速離合器

液粘調(diào)速離合器是基于流體力學(xué)中牛頓內(nèi)摩擦定律發(fā)展起來的一種新型流體傳動技術(shù)，基本原理為(如圖1所示):相對運(yùn)動兩平板間單位面積上的油膜剪切力F與液體的動力粘度μ、平板間的相對速度v成正比,與平板間的間隙即油膜厚度h成反比[1],其計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

圖1 牛頓內(nèi)摩擦定律原理圖

液粘調(diào)速離合器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，在輸入軸與輸出軸上各固定有數(shù)個(gè)摩擦圓盤，兩組圓盤同軸交錯(cuò)疊放。動力由輸入軸上的花鍵傳至主動摩擦片,再通過油膜剪切作用將動力傳至被動摩擦片, 然后經(jīng)由花鍵傳至輸出軸。通過調(diào)節(jié)作用在摩擦片上的液壓缸的油壓可以改變摩擦片的間距。根據(jù)流體的牛頓內(nèi)摩擦定律，在傳遞的扭矩不變的情況下，通過連續(xù)地調(diào)節(jié)油缸壓力，能夠進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。冷卻及潤滑系統(tǒng)用于向摩擦片之間提供具有一定壓力的工作油,以保證在摩擦片之間形成穩(wěn)定的油膜, 并帶走由于滑摩產(chǎn)生的熱量, 保證調(diào)速器持續(xù)穩(wěn)定地工作[2]。液粘調(diào)速離合器具有以下特點(diǎn)[3]：

a.可實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的無級調(diào)速。

b.能實(shí)現(xiàn)軟啟動，遇到過載沖擊時(shí)自動限矩，從而保護(hù)傳動系統(tǒng)不受損。

c.易于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，調(diào)速靈敏、穩(wěn)定、精度高。

d.摩擦片之間產(chǎn)生的滑摩熱被不斷循環(huán)的工作液體及時(shí)帶走，使設(shè)備能夠長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 液粘調(diào)速離合器示意圖

e.當(dāng)摩擦片完全接觸時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)無轉(zhuǎn)速差的同步轉(zhuǎn)動，即相當(dāng)于一根剛性軸，無功率損失，效率達(dá)到100%。

本抓斗船的動力傳動系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵部件是液力變矩器，其因具有自適應(yīng)性、反轉(zhuǎn)制動性、隔震防過載、帶載啟動、變速變矩等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種工程機(jī)械、礦山機(jī)械、起重機(jī)械的動力傳動裝置中。在傳動系統(tǒng)中其良好的動力性能是其他裝置無法取代的，所以該抓斗船的動力傳動系統(tǒng)仍然采用液力變矩器作為主要的傳動部件以改善系統(tǒng)的動力性能。液力變矩器雖然能夠根據(jù)外部阻力的變化，自動改變渦輪輸出軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒功率的牽引，然而這一調(diào)節(jié)過程是自動的。換句話說是不受人為控制的，這對抓斗船來說是絕對不允許的，所以需要一個(gè)有效的控制策略對液力變矩器的輸出進(jìn)行人為控制。為此在液力變矩器與柴油機(jī)之間串聯(lián)一液粘調(diào)速離合器,這樣在柴油機(jī)額定工況、不改變液力變矩器外特性的情況下,通過調(diào)節(jié)液粘調(diào)速離合器的摩擦片間距來改變液力變矩器的泵輪輸入轉(zhuǎn)速,從而可在不改變柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速的情況下,得到無級調(diào)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。這樣能在高效情況下滿足抓斗采礦船的工況需要[4]。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

抓斗采礦船動力提升系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、液粘調(diào)速離合器、液力變矩器、齒輪箱、卷揚(yáng)機(jī)、抓斗等組成。抓斗的上升下降是通過卷揚(yáng)機(jī)收放纜繩來實(shí)現(xiàn)的，其起吊的速度由卷筒轉(zhuǎn)速決定。因此，對起吊速度的控制其實(shí)就是對液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速的控制。

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，發(fā)動機(jī)、液粘調(diào)速離合器、液力變矩器、齒輪箱、卷揚(yáng)機(jī)依次串聯(lián)。檢測裝置用于檢測絞車輸出轉(zhuǎn)速，信號比較器將檢測到的信號與駕駛室發(fā)出的指令信號相比較，控制調(diào)節(jié)器根據(jù)信號差值對液粘調(diào)速離合器的摩擦片間的油膜厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出轉(zhuǎn)速與指令信號代表的轉(zhuǎn)速一致。由于液粘調(diào)速離合器反應(yīng)迅速，精確性高，所以目前大多數(shù)抓斗式船舶都采用這種傳動形式。

圖3 采礦船的動力裝置組成

3 系統(tǒng)的AMESim建模與仿真

本文的建模對象為舟山海川船舶有限公司的一艘斗容30m3的抓斗采礦船的動力傳動系統(tǒng)，該船的工況技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 工況技術(shù)指標(biāo)

3.1模型的建立

AMESim 是法國IMAGINE 公司開發(fā)設(shè)計(jì)的多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件，該仿真軟件采用基于物理模型的圖形化建模方式，提供了豐富的可以直接使用的元件應(yīng)用庫，從而避免了繁瑣的數(shù)學(xué)建模，用戶只需專注于物理系統(tǒng)本身就能構(gòu)建出滿意的模型，軟件還提供了強(qiáng)大的后處理功能，便于用戶進(jìn)行分析、優(yōu)化[5]。利用該平臺中的傳動及控制信號元件庫，能夠快速地建立抓斗采礦船的動力傳動系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)模型參數(shù)可方便地模擬各種工況，并得到系統(tǒng)各部件的詳細(xì)仿真結(jié)果。

依據(jù)抓斗采礦船系統(tǒng)部件的組成及參數(shù)，運(yùn)用AMESim 軟件建立了系統(tǒng)中各模塊模型，如圖4所示(實(shí)線代表動力傳遞，虛線代表控制信號)。

圖4 AMESim建立的系統(tǒng)模型

液粘調(diào)速離合器采用AMESim傳動系統(tǒng)庫的標(biāo)準(zhǔn)摩擦離合器模型TRDC002A代替，調(diào)整該模型的內(nèi)部參數(shù)，使其在滑摩狀態(tài)時(shí)干摩擦傳遞的力矩為零，摩擦片只有油膜傳遞的剪切力矩存在，再通過合理地設(shè)定油液的密度及粘度，就能近似地模擬液粘調(diào)速離合器的調(diào)速特性。

為了簡化仿真，整個(gè)仿真過程中用一恒速信號源代表柴油機(jī)，這即簡化了仿真模型，又符合實(shí)際工作時(shí)希望柴油機(jī)工作在恒速的理想情況。因?yàn)楸敬畏抡娴哪康臑椋簯?yīng)用液粘調(diào)速離合器調(diào)節(jié)液力變矩器以適應(yīng)抓斗采礦船的典型工況循環(huán)，所以液粘調(diào)速離合器的控制部分直接用信號庫的PID模塊代替，仿真時(shí)通過調(diào)節(jié)PID的參數(shù)來達(dá)到模擬控制器的目的，這樣既簡化了模型又不會對結(jié)果的可靠性有太大的影響[6]。用兩端口的限位質(zhì)量塊模擬抓斗，通過在其一端口輸入一階躍信號來模擬當(dāng)抓斗礦砂突然卸載時(shí)所帶來的沖擊，限位參數(shù)用于模擬海底對抓斗下放的深度限制。速度和轉(zhuǎn)矩變換模塊用來模擬齒輪箱。

3.2典型工況下的仿真分析

抓斗在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)分4個(gè)工作階段，即滿斗提升階段、滿斗動力懸停階段、空斗動力懸停階段、空斗下放階段[7]。其中在動力懸停階段時(shí)，抓斗的提升高度沒有變化，抓斗只有水平移動，此時(shí)抓斗張開將礦砂倒入運(yùn)砂船倉里，為了模擬抓斗質(zhì)量的這一突然變化，在抓斗的動力懸停階段給代表抓斗的質(zhì)量塊輸入一幅值為300kN的階躍信號。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，設(shè)定發(fā)動機(jī)的輸入為恒轉(zhuǎn)速2 100r/min，代表抓斗的質(zhì)量塊為120 000kg。假設(shè)在某次工作循環(huán)，控制器的輸入轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示，其中a-b段為滿斗提升階段，b-c段為動力懸停階段(包括滿斗懸停和空斗懸停)，c-d段為空斗下放階段。

圖5 控制器輸入轉(zhuǎn)速曲線

運(yùn)行仿真軟件得到抓斗的輸入控制轉(zhuǎn)速及液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示。可以看出液力變矩器的輸出速度的變化趨勢近似跟隨控制器輸入速度的變化，只是速度的變化會有些滯后，并且在起吊、卸斗和抓斗插入泥土?xí)r會出現(xiàn)一些波動，這也符合系統(tǒng)的實(shí)際物理特點(diǎn)。

圖6 液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖7為液粘調(diào)速離合器的輸出速度隨油膜厚度的變化關(guān)系曲線。液粘調(diào)速離合器的輸入軸轉(zhuǎn)速一定，輸出軸轉(zhuǎn)速隨油膜厚度的變化而變化，由圖可以看出油膜厚度變化對輸出軸速度控制靈敏，調(diào)速范圍寬，能滿足工況要求。

圖7 液粘離合器的輸出速度和油膜厚度曲線

圖8為抓斗的提升高度和抓斗運(yùn)動速度的變化曲線?？煽吹阶ザ诽嵘龝r(shí)的穩(wěn)定速度近似為60m/s,下降時(shí)的穩(wěn)定速度為80m/s,速度平穩(wěn)，符合抓斗船的技術(shù)指標(biāo)要求。還可看到，在動力懸停階段，由于礦砂的突然卸載而造成的沖擊，使抓斗速度發(fā)生了微小的波動，波動使抓斗向上運(yùn)動0.5m左右，說明該系統(tǒng)具有明顯抗沖擊的能力。

圖8 抓斗的位移和速度變化曲線

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用AMESim對采用了液粘調(diào)速離合器的抓斗采礦船的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，得到了系統(tǒng)的一些動態(tài)性能曲線，反映了液粘調(diào)速離合器對系統(tǒng)的良好調(diào)速效果，同時(shí)也驗(yàn)證了模型的合理性。然而為了簡化仿真，對模型做了一些簡化，所以仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際情況還是存在著一些偏差，有待于將來進(jìn)一步研究完善。

[1] 魏宸官,趙家象.液體粘性傳動技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1996.

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[6] 姚壽文，崔紅偉，閆清東，等.基于AMESim的液粘調(diào)速離合器PID控制特性研究[J].機(jī)床與液壓，2012，40(24):69-75.

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Hydro-viscousDriveSimulationofGrabMiningShipBasedonAMESim

LIU Fangchao, ZHANG Yulian

(Zhejiang Ocean University, Zhejiang Zhoushan, 316022, China)

It presents the principle and application of hydro-viscous variable speed clutch of grab mining ship, establishes the simulation model for hydro-viscous system with AMESim and optimizes this model based on the component model parameters. It obtains some key dynamic characteristic curves from the simulation in a typical work cycle of grab mining ship. The simulation result proves that the simulation model is reasonable.

Grab Mining Ship; Hydro-viscous Clutch; AMESim; Simulation and Analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.004

2013-12-02

浙江省重大科技專項(xiàng)社會發(fā)展項(xiàng)目(2013C03031)

劉方超(1985—)，男，遼寧朝陽人，浙江海洋學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇皠恿こ碳芭涮自O(shè)備。

TP391.9

A

2095-509X(2014)08-0014-04