[发明专利]桥式起重机起升系统的机械-液压耦合建模方法

摘要

本发明公开了一种桥式起重机起升系统的机械‑液压耦合建模方法，属于多领域建模仿真领域。本方法的操作步骤为：1）建立桥式起重机起升系统的机械‑液压耦合数学模型。2）在AMESIM中，建立包含机械子系统、液压子系统、控制和传感子系统在内的起升系统的机械‑液压耦合模型，综合考虑整个系统的机械‑液压耦合特性。3）通过对比数学模型和AMESIM机械‑液压耦合模型的马达转速曲线，对所提方法进行验证。4）基于所提方法，优化了桥式起重机起升系统的二次起升下滑问题。本发明方法具有创新性和仿真依据，可解决现有起升系统仿真无法综合考虑整个系统的机械液压耦合特性等缺陷，对起升系统的设计及动力学特性的优化具有重大的指导意义。

主权项

1.一种桥式起重机起升系统的机械‑液压耦合建模方法，其特征在于操作步骤如下：a.机械‑液压耦合数学模型的建立：桥式起重机的机械‑液压耦合数学模型用于描述液压控制阀的阀芯位移与机械系统执行机构的运动传递过程，起升换向阀的流量方程为：式(1)中：Q_L为换向阀的流量，m³/s；C_d为换向阀的流量系数，无因次；为换向阀的阀口面积梯度，m；x_v为换向阀的阀芯位移，m；P_L为负载压力，Pa；ρ为油液密度，Kg/m³；起升液压马达流量连续性方程为：式(2)中：D_m为液压马达的理论角排量，m³/rad；θ为液压马达的转角，rad；C_tm为液压马达的总泄露系数，(m³/s)/Pa；V_m为马达容腔与管道的总容积，m³；β_e为油液弹性模量，Pa；液压马达与负载的力矩平衡方程为：式(3)中：T_L为外负载力矩，N·m；J为马达轴的转动惯量，Kg·m²；B_m为粘性阻尼系数，N·m/(rad/s)；起升过程阀芯位移x与马达角速度ω的动态数学模型为：式中K_tm是总的流量压力系数，K_x是三位四通换向阀的开口锥度；b.机械‑液压耦合仿真模型的建立：桥式起重机液压起升系统主要由机械、液压和控制系统组成，通过控制液压阀，实现对液压系统的控制，机械系统由液压马达驱动，最终实现重物的升降运动；基于AMESIM平台建立的起升系统机械液压耦合仿真模型，油箱(1)为整个起升液压系统储存液压油，信号源(2)为液压泵(3)提供控制信号，电动机(4)带动液压泵(3)旋转为系统供油，将机械能转化为压力能；溢流阀(5)用于调控系统最高压力，保障系统安全；过滤器(6)将液压油中的杂质过滤，单向阀(7、11、13、16)防止液压油倒流；信号源(8)用于控制三位四通阀(9)的开闭，在三位四通阀(9)的出口设置梭阀(10)；为了提高模型精度，基于AMESIM的HCD库搭建平衡阀(12)和制动液压缸(24)，平衡阀(12)使负载能够在空中锁定而不会下滑；信号源(14)、二位三通换向阀(15)、单向阀(16)、制动片(20)、传递函数(21)、位移传感器(23)和制动液压缸(24)组成了起升机构的液压制动系统；信号源(14)为二位三通换向阀(15)提供控制信号，控制制动液压缸(24)的动作；制动液压缸(24)内活塞杆的运动位移通过位移传感器(23)和传递函数(21)传递给制动片(20)，制动片(20)根据传入数据输出相应大小的制动力矩；液压马达(17)将压力能转换为机械能，实现旋转运动；扭矩负载(18)、减速器(19)、负载(22)、钢丝绳(25)和滑轮(26)构成起升系统的机械部分，扭矩负载(18)的作用是将液压马达(17)传递过来的物理量转换成扭矩传递给减速器(19)，并通过减速器(19)放大驱动扭矩，最终通过滑轮(26)和钢丝绳(25)将负载(22)提升至指定位置；液压流体性质(27)和系统重心(28)用于指定仿真是在机械液压耦合的环境下进行；c.仿真模型的验证：根据桥式起重机起升系统的元件参数设置仿真模型中所有元件(1至28)的参数，仿真时长和步长分别设置为5s和0.01s，进行仿真分析；得到基于AMESIM仿真的马达转速曲线，和起升系统数学模型求解的马达转速曲线；两条曲线趋势基本一致，证明通过AMESIM建立的机械液压耦合模型具有可行性；通过机械液压耦合仿真模型得到泵出口流量、马达进口流量、马达出口流量曲线；各通口流量在短暂的冲击之后达到稳定；d.桥式起重机起升系统二次起升下滑问题求解：起重机将悬停在空中的负载继续提升时，由于容腔的充油延时性和液压油的可压缩性，初始状态下液压系统建立的工作力矩不足以平衡负载力矩，马达存在短时间反转，导致负载下滑；二次起升下滑极大地影响了起升过程的稳定性及起升机构的寿命，在桥式起重机起升系统的机械‑液压耦合建模的基础上，对二次起升问题进行优化；首先基于机械液压耦合模型，分析负载重量、油液弹性模量和马达容积效率三个参数与二次下滑位移之间的关系；然后基于1stOpt，建立三个参数与二次下滑位移之间的非线性函数关系；最后通过优化方法，寻找使二次下滑位移最小的三个参数的最佳匹配，实现起升系统动态性能的优化。