岸橋掛艙保護(hù)液壓缸三級(jí)壓力閥組的動(dòng)態(tài)特性仿真研究

岸橋掛艙保護(hù)液壓缸三級(jí)壓力閥組的動(dòng)態(tài)特性仿真研究

0岸橋掛艙保護(hù)裝置研究岸橋（岸橋箱尾）是現(xiàn)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(gè)工作線(xiàn)的連續(xù)運(yùn)營(yíng)指數(shù)和流程控制管理水平的體現(xiàn)。岸橋在工作過(guò)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(xiàn)鉤掛,以及集裝箱與下層集裝箱之間的鎖銷(xiāo)未打開(kāi),從而出現(xiàn)所謂的掛艙現(xiàn)象。早期的岸橋由于起升速度低、系統(tǒng)動(dòng)能小,并未設(shè)置掛艙保護(hù)裝置。而現(xiàn)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(diǎn);如果不配備掛艙保護(hù)裝置,一旦出現(xiàn)掛艙事故不僅會(huì)影響作業(yè)效率導(dǎo)致船舶班輪延誤,甚至?xí)霈F(xiàn)集裝箱貨損、橋機(jī)機(jī)損或人員傷亡等嚴(yán)重后果現(xiàn)代大型岸橋掛艙保護(hù)裝置主要由四臺(tái)裝有控制閥組的液壓缸構(gòu)成,各液壓缸控制閥組應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、掛艙時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可滿(mǎn)足對(duì)重載的支承與鎖定等特點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)對(duì)岸橋的可靠保護(hù)。因此,分析岸橋掛艙保護(hù)液壓缸控制閥組的動(dòng)態(tài)特性及其影響因素,對(duì)合理設(shè)計(jì)掛艙保護(hù)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(tái)液壓缸掛艙力學(xué)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(jié)構(gòu)為主的液壓控制閥已不能適應(yīng)岸橋掛艙保護(hù)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(yīng)速度快及結(jié)構(gòu)緊湊等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在現(xiàn)代岸橋掛艙保護(hù)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?yàn)槔?單臺(tái)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(hù)液壓缸活塞桿伸出;當(dāng)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(jié)構(gòu),且閥芯與閥套間裝有密封件,能使液壓缸在承受負(fù)載時(shí)可靠鎖緊。打開(kāi)球閥11,可使液壓缸的活塞桿在外負(fù)載作用下縮回。當(dāng)發(fā)生掛艙事故時(shí),鋼絲繩拉力瞬間增大,液壓缸無(wú)桿腔壓力急劇增加;當(dāng)掛艙壓力達(dá)到壓力繼電器7的設(shè)定壓力(16MPa)時(shí),壓力繼電器發(fā)出信號(hào),使起升鋼絲繩的卷筒電機(jī)停機(jī)并建立反轉(zhuǎn)扭矩,制動(dòng)器制動(dòng);當(dāng)掛艙壓力達(dá)到第三級(jí)閥的設(shè)定壓力(16.5MPa)時(shí),第三級(jí)閥打開(kāi);由于阻尼孔R(shí)圖1中阻尼孔R(shí)2掛艙及時(shí)快速開(kāi)啟研究掛艙保護(hù)液壓缸控制閥組的動(dòng)態(tài)特性,旨在得出發(fā)生掛艙時(shí)控制閥組所需快速開(kāi)啟并卸壓的條件及其影響因素。因此,在對(duì)控制閥組建模時(shí),只需建立閥芯開(kāi)啟時(shí)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(guò)程中所受的作用力主要有液壓力、液動(dòng)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(dòng)態(tài)特性,插入元件中閥芯的受力狀況及其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示(1)液壓力液壓力F(2)液動(dòng)力液動(dòng)力分為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力兩種。瞬態(tài)液動(dòng)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(dòng)力的方向總是指向閥口關(guān)閉的方向,由動(dòng)量定理可計(jì)算出穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力:式中:x為閥芯抬起高度,m;k(3)彈性力插裝閥閥芯內(nèi)部彈簧主要起復(fù)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(dāng)、設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)的粘性阻尼系數(shù)。(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(jì)算:式中:m為閥芯質(zhì)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(guò)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(jí)閥流量連續(xù)性方程式中:V式中:CD通過(guò)阻尼孔R(shí)式中:μ為液壓油動(dòng)力粘度,μ=0.059kg/(m.s);式中:l為小孔長(zhǎng)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(dǎo)溢流閥的流量方程式中:D式中:PV3)第一級(jí)閥的流量方程式中:D式中:dp式中:V3掛載液壓庫(kù)控制器組的數(shù)值模擬3.1通插裝閥組Simulink是MATLAB的子系統(tǒng),可完成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真。以第一級(jí)閥的進(jìn)口流量為輸入量,二通插裝閥組的進(jìn)油壓力、閥芯位移及閥口流量為輸出量,當(dāng)閥芯開(kāi)啟時(shí)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(guò)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(shù)值仿真環(huán)境控制閥組的仿真參數(shù)及環(huán)境設(shè)置如下。1)仿真參數(shù)仿真參數(shù)為系統(tǒng)各模塊的實(shí)際參數(shù)。模型中先導(dǎo)溢流閥的設(shè)定壓力為16MPa,掛艙流量為2280L/min;其他參數(shù)可參見(jiàn)動(dòng)態(tài)方程、所用元件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)值,在此不一一贅述。2)仿真環(huán)境仿真環(huán)境的設(shè)置包括仿真時(shí)間與求解器的選擇等。模型在0.999s時(shí)產(chǎn)生階躍信號(hào),因此所選仿真時(shí)間定為1.017s。本文中的模型仿真采用微分方程組的數(shù)值解法,選取可變步長(zhǎng)的求解器以控制誤差。插裝閥組的數(shù)學(xué)模型屬剛性系統(tǒng),仿真模型選取變步長(zhǎng)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(jí)閥和二級(jí)閥的閥芯位移信號(hào)用MUX模塊連接,使之能在同一示波器中顯示。所得到掛艙時(shí)一級(jí)閥與二級(jí)閥的閥芯位移以及一級(jí)閥回油流量的Simulink仿真曲線(xiàn)分別如圖4和圖5所示。3.3級(jí)插裝閥開(kāi)啟情況由圖4所示的仿真曲線(xiàn)可知,當(dāng)階躍信號(hào)為0時(shí),兩個(gè)二通插裝閥閥芯關(guān)閉;當(dāng)仿真時(shí)間為1s時(shí),出現(xiàn)掛艙現(xiàn)象,一級(jí)插裝閥與二級(jí)插裝閥同時(shí)開(kāi)啟,二級(jí)插裝閥在開(kāi)啟后2.7ms時(shí)閥芯完全打開(kāi),一級(jí)插裝閥在開(kāi)啟后14.6ms時(shí)閥芯達(dá)到最大開(kāi)口值。由圖5所示的仿真曲線(xiàn)可知,一級(jí)插裝閥在開(kāi)啟后28.5ms時(shí)的回油流量基本穩(wěn)定在2310L/min。按掛艙保護(hù)液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)及行程計(jì)算,掛艙時(shí)液壓缸的響應(yīng)時(shí)間為0.37s,在所要求的響應(yīng)時(shí)間為0.3s~0.5s范圍內(nèi)。4為優(yōu)化和模擬液壓裂壓裂控制單元中的衰減結(jié)構(gòu)參數(shù)而創(chuàng)建的仿真單元4.1正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如上所述,圖1所示控制閥組中阻尼孔R(shí)控制閥組中的阻尼孔R(shí)正交法是一種研究多因素多水平的實(shí)驗(yàn)方法,可根據(jù)正交性從各種參數(shù)組合中選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,具有高效、快速和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。液壓控制閥中的阻尼孔有三個(gè)因素,每因素三個(gè)水平。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,防止在開(kāi)啟過(guò)程中出現(xiàn)液壓沖擊,避免阻尼孔出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象,阻尼孔直徑的范圍通常為0.6mm~2.5mm根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)正交表設(shè)計(jì)規(guī)則,采用L根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)上表中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,其結(jié)果如表3所示。表中K為每水平結(jié)果之和,k為平均值,R為極差。對(duì)表2所示仿真結(jié)果比較可知,九組仿真數(shù)據(jù)中3號(hào)仿真所得結(jié)果最為理想,二通插裝閥開(kāi)啟時(shí)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(jù)正交實(shí)驗(yàn)及非顯著影響因素的對(duì)比仿真分析結(jié)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(xiàn)象到一級(jí)插裝閥閥芯完全開(kāi)啟用時(shí)10.8ms,相比優(yōu)化前的14.6ms,如圖4所示,開(kāi)啟時(shí)間縮短了25.5%;而一級(jí)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(jié)果岸橋掛艙保護(hù)液壓缸控制閥組對(duì)提高岸橋的作業(yè)效率,防止集裝箱貨損、橋機(jī)機(jī)損或人員傷亡等具有重要作用。在所構(gòu)建的吊具下額定起重量為65t、前伸距為45m的岸橋掛艙保護(hù)液壓缸三級(jí)壓力控制閥組的基礎(chǔ)上,建立了該閥組的動(dòng)態(tài)特性及其仿真模型;并在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下對(duì)該模型進(jìn)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(duì)閥組中阻尼孔的直徑組合進(jìn)行了優(yōu)化,得出了滿(mǎn)足岸橋掛艙保護(hù)裝置性能要求的各阻尼孔直徑的最佳組合。結(jié)果表明:所構(gòu)建的掛艙保護(hù)液壓缸三級(jí)壓力控制閥組具有結(jié)