岸橋掛艙保護液壓缸三級壓力閥組的動態(tài)特性仿真研究

岸橋掛艙保護液壓缸三級壓力閥組的動態(tài)特性仿真研究

0岸橋掛艙保護裝置研究岸橋（岸橋箱尾）是現代港口箱裝箱工具的重要部件。它的工作效率反映了碼頭的拆卸能力，其安全性能是整個工作線的連續(xù)運營指數和流程控制管理水平的體現。岸橋在工作過程中發(fā)生的事故主要有吊具與滑道或集裝箱與滑道間出現鉤掛,以及集裝箱與下層集裝箱之間的鎖銷未打開,從而出現所謂的掛艙現象。早期的岸橋由于起升速度低、系統(tǒng)動能小,并未設置掛艙保護裝置。而現代港口所用大型岸橋具有起降速度快、起升高度及外伸距大、吊具下額定起重量增加等特點;如果不配備掛艙保護裝置,一旦出現掛艙事故不僅會影響作業(yè)效率導致船舶班輪延誤,甚至會出現集裝箱貨損、橋機機損或人員傷亡等嚴重后果現代大型岸橋掛艙保護裝置主要由四臺裝有控制閥組的液壓缸構成,各液壓缸控制閥組應具有結構緊湊、掛艙時動態(tài)響應快、可滿足對重載的支承與鎖定等特點,以實現對岸橋的可靠保護。因此,分析岸橋掛艙保護液壓缸控制閥組的動態(tài)特性及其影響因素,對合理設計掛艙保護液壓缸控制閥組,提高岸橋的作業(yè)效率及安全性能具有重要作用。1單臺液壓缸掛艙力學性能隨著岸橋大型化及高速化的發(fā)展,以傳統(tǒng)滑閥式結構為主的液壓控制閥已不能適應岸橋掛艙保護裝置的性能要求,而二通插裝閥因其具有輸出流量大、壓力損失小、響應速度快及結構緊湊等獨特優(yōu)勢,在現代岸橋掛艙保護裝置中起著不可替代的作用以吊具下額定起重量為65t,前伸距為45m的岸橋為例,單臺液壓缸的掛艙力約為5.58×10圖1中電磁球閥3上的電磁鐵DT通電后,油源4輸出的壓力油使掛艙保護液壓缸活塞桿伸出;當液壓缸活塞桿伸出到所要求的行程后,電磁鐵DT斷電;由于二通插裝閥為錐閥結構,且閥芯與閥套間裝有密封件,能使液壓缸在承受負載時可靠鎖緊。打開球閥11,可使液壓缸的活塞桿在外負載作用下縮回。當發(fā)生掛艙事故時,鋼絲繩拉力瞬間增大,液壓缸無桿腔壓力急劇增加;當掛艙壓力達到壓力繼電器7的設定壓力(16MPa)時,壓力繼電器發(fā)出信號,使起升鋼絲繩的卷筒電機停機并建立反轉扭矩,制動器制動;當掛艙壓力達到第三級閥的設定壓力(16.5MPa)時,第三級閥打開;由于阻尼孔R圖1中阻尼孔R2掛艙及時快速開啟研究掛艙保護液壓缸控制閥組的動態(tài)特性,旨在得出發(fā)生掛艙時控制閥組所需快速開啟并卸壓的條件及其影響因素。因此,在對控制閥組建模時,只需建立閥芯開啟時的力平衡方程和流量方程。2.1閥芯受力分析二通插裝閥閥芯受力分析如下:二通插裝閥閥芯在工作過程中所受的作用力主要有液壓力、液動力、彈性力、摩擦力、粘性力、重力和慣性力等。上述力的共同作用,決定了二通插裝閥的工作性能和動態(tài)特性,插入元件中閥芯的受力狀況及其結構參數如圖2所示(1)液壓力液壓力F(2)液動力液動力分為穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力兩種。瞬態(tài)液動力相比于閥芯所受的全部作用力很小,可以忽略。穩(wěn)態(tài)液動力的方向總是指向閥口關閉的方向,由動量定理可計算出穩(wěn)態(tài)液動力:式中:x為閥芯抬起高度,m;k(3)彈性力插裝閥閥芯內部彈簧主要起復位的作用。彈簧力F(4)摩擦力閥芯所受的摩擦力主要有干性摩擦力和粘性摩擦力。在閥件選型得當、設計制造合理的情況下,干性摩擦力可以忽略。粘性摩擦力為:式中:B為閥芯運動時的粘性阻尼系數。(5)重力和慣性力閥芯的重力較小,通常不予考慮。閥芯所受的慣性力按下式計算:式中:m為閥芯質量,kg。綜合式(1)~式(5),可得出二通插裝閥的力平衡方程為:2.2d通過阻尼孔r由圖1可建立液壓缸控制閥組的流量方程1)第二級閥流量連續(xù)性方程式中:V式中:CD通過阻尼孔R式中:μ為液壓油動力粘度,μ=0.059kg/(m.s);式中:l為小孔長度,取5mm;d閥口前后流量連續(xù)性方程可表示為:式中:q2)先導溢流閥的流量方程式中:D式中:PV3)第一級閥的流量方程式中:D式中:dp式中:V3掛載液壓庫控制器組的數值模擬3.1通插裝閥組Simulink是MATLAB的子系統(tǒng),可完成動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真。以第一級閥的進口流量為輸入量,二通插裝閥組的進油壓力、閥芯位移及閥口流量為輸出量,當閥芯開啟時的位移為正;由式(6)~式(17)所示的力平衡方程及流量方程建立子系統(tǒng),通過子系統(tǒng)的組合可得到如圖3所示液壓缸控制閥組的仿真模型3.2數值仿真環(huán)境控制閥組的仿真參數及環(huán)境設置如下。1)仿真參數仿真參數為系統(tǒng)各模塊的實際參數。模型中先導溢流閥的設定壓力為16MPa,掛艙流量為2280L/min;其他參數可參見動態(tài)方程、所用元件及系統(tǒng)設計的相關值,在此不一一贅述。2)仿真環(huán)境仿真環(huán)境的設置包括仿真時間與求解器的選擇等。模型在0.999s時產生階躍信號,因此所選仿真時間定為1.017s。本文中的模型仿真采用微分方程組的數值解法,選取可變步長的求解器以控制誤差。插裝閥組的數學模型屬剛性系統(tǒng),仿真模型選取變步長一步求解法ode23s,在較大的容許誤差下更為有效。為方便視圖,將一級閥和二級閥的閥芯位移信號用MUX模塊連接,使之能在同一示波器中顯示。所得到掛艙時一級閥與二級閥的閥芯位移以及一級閥回油流量的Simulink仿真曲線分別如圖4和圖5所示。3.3級插裝閥開啟情況由圖4所示的仿真曲線可知,當階躍信號為0時,兩個二通插裝閥閥芯關閉;當仿真時間為1s時,出現掛艙現象,一級插裝閥與二級插裝閥同時開啟,二級插裝閥在開啟后2.7ms時閥芯完全打開,一級插裝閥在開啟后14.6ms時閥芯達到最大開口值。由圖5所示的仿真曲線可知,一級插裝閥在開啟后28.5ms時的回油流量基本穩(wěn)定在2310L/min。按掛艙保護液壓缸的結構參數及行程計算,掛艙時液壓缸的響應時間為0.37s,在所要求的響應時間為0.3s~0.5s范圍內。4為優(yōu)化和模擬液壓裂壓裂控制單元中的衰減結構參數而創(chuàng)建的仿真單元4.1正交實驗結果分析如上所述,圖1所示控制閥組中阻尼孔R控制閥組中的阻尼孔R正交法是一種研究多因素多水平的實驗方法,可根據正交性從各種參數組合中選出部分有代表性的點進行實驗分析,具有高效、快速和經濟等特點。液壓控制閥中的阻尼孔有三個因素,每因素三個水平。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,防止在開啟過程中出現液壓沖擊,避免阻尼孔出現阻塞現象,阻尼孔直徑的范圍通常為0.6mm~2.5mm根據統(tǒng)計學正交表設計規(guī)則,采用L根據正交實驗法對上表中的實驗結果進行分析,其結果如表3所示。表中K為每水平結果之和,k為平均值,R為極差。對表2所示仿真結果比較可知,九組仿真數據中3號仿真所得結果最為理想,二通插裝閥開啟時間最短,其水平組合為R4.2尼孔直徑的優(yōu)化由上述分析可知,R根據正交實驗及非顯著影響因素的對比仿真分析結果,選取的阻尼孔直徑優(yōu)化組合為:R由圖6和圖7可知,從發(fā)出掛艙現象到一級插裝閥閥芯完全開啟用時10.8ms,相比優(yōu)化前的14.6ms,如圖4所示,開啟時間縮短了25.5%;而一級插裝閥的回油流量與優(yōu)化前基本一致,且控制閥組的穩(wěn)定性好。5仿真模型及其仿真結果岸橋掛艙保護液壓缸控制閥組對提高岸橋的作業(yè)效率,防止集裝箱貨損、橋機機損或人員傷亡等具有重要作用。在所構建的吊具下額定起重量為65t、前伸距為45m的岸橋掛艙保護液壓缸三級壓力控制閥組的基礎上,建立了該閥組的動態(tài)特性及其仿真模型;并在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下對該模型進行了仿真研究;此外,為提高控制閥組的快速性和穩(wěn)定性,采用三因素三水平正交仿真方法,對閥組中阻尼孔的直徑組合進行了優(yōu)化,得出了滿足岸橋掛艙保護裝置性能要求的各阻尼孔直徑的最佳組合。結果表明:所構建的掛艙保護液壓缸三級壓力控制閥組具有結