岸桥挂舱保护液压缸三级压力阀组的动态特性仿真研究

岸桥挂舱保护液压缸三级压力阀组的动态特性仿真研究

0岸桥挂舱保护装置研究岸桥（岸桥箱尾）是现代港口箱装箱工具的重要部件。它的工作效率反映了码头的拆卸能力，其安全性能是整个工作线的连续运营指数和流程控制管理水平的体现。岸桥在工作过程中发生的事故主要有吊具与滑道或集装箱与滑道间出现钩挂,以及集装箱与下层集装箱之间的锁销未打开,从而出现所谓的挂舱现象。早期的岸桥由于起升速度低、系统动能小,并未设置挂舱保护装置。而现代港口所用大型岸桥具有起降速度快、起升高度及外伸距大、吊具下额定起重量增加等特点;如果不配备挂舱保护装置,一旦出现挂舱事故不仅会影响作业效率导致船舶班轮延误,甚至会出现集装箱货损、桥机机损或人员伤亡等严重后果现代大型岸桥挂舱保护装置主要由四台装有控制阀组的液压缸构成,各液压缸控制阀组应具有结构紧凑、挂舱时动态响应快、可满足对重载的支承与锁定等特点,以实现对岸桥的可靠保护。因此,分析岸桥挂舱保护液压缸控制阀组的动态特性及其影响因素,对合理设计挂舱保护液压缸控制阀组,提高岸桥的作业效率及安全性能具有重要作用。1单台液压缸挂舱力学性能随着岸桥大型化及高速化的发展,以传统滑阀式结构为主的液压控制阀已不能适应岸桥挂舱保护装置的性能要求,而二通插装阀因其具有输出流量大、压力损失小、响应速度快及结构紧凑等独特优势,在现代岸桥挂舱保护装置中起着不可替代的作用以吊具下额定起重量为65t,前伸距为45m的岸桥为例,单台液压缸的挂舱力约为5.58×10图1中电磁球阀3上的电磁铁DT通电后,油源4输出的压力油使挂舱保护液压缸活塞杆伸出;当液压缸活塞杆伸出到所要求的行程后,电磁铁DT断电;由于二通插装阀为锥阀结构,且阀芯与阀套间装有密封件,能使液压缸在承受负载时可靠锁紧。打开球阀11,可使液压缸的活塞杆在外负载作用下缩回。当发生挂舱事故时,钢丝绳拉力瞬间增大,液压缸无杆腔压力急剧增加;当挂舱压力达到压力继电器7的设定压力(16MPa)时,压力继电器发出信号,使起升钢丝绳的卷筒电机停机并建立反转扭矩,制动器制动;当挂舱压力达到第三级阀的设定压力(16.5MPa)时,第三级阀打开;由于阻尼孔R图1中阻尼孔R2挂舱及时快速开启研究挂舱保护液压缸控制阀组的动态特性,旨在得出发生挂舱时控制阀组所需快速开启并卸压的条件及其影响因素。因此,在对控制阀组建模时,只需建立阀芯开启时的力平衡方程和流量方程。2.1阀芯受力分析二通插装阀阀芯受力分析如下:二通插装阀阀芯在工作过程中所受的作用力主要有液压力、液动力、弹性力、摩擦力、粘性力、重力和惯性力等。上述力的共同作用,决定了二通插装阀的工作性能和动态特性,插入元件中阀芯的受力状况及其结构参数如图2所示(1)液压力液压力F(2)液动力液动力分为稳态液动力和瞬态液动力两种。瞬态液动力相比于阀芯所受的全部作用力很小,可以忽略。稳态液动力的方向总是指向阀口关闭的方向,由动量定理可计算出稳态液动力:式中:x为阀芯抬起高度,m;k(3)弹性力插装阀阀芯内部弹簧主要起复位的作用。弹簧力F(4)摩擦力阀芯所受的摩擦力主要有干性摩擦力和粘性摩擦力。在阀件选型得当、设计制造合理的情况下,干性摩擦力可以忽略。粘性摩擦力为:式中:B为阀芯运动时的粘性阻尼系数。(5)重力和惯性力阀芯的重力较小,通常不予考虑。阀芯所受的惯性力按下式计算:式中:m为阀芯质量,kg。综合式(1)~式(5),可得出二通插装阀的力平衡方程为:2.2d通过阻尼孔r由图1可建立液压缸控制阀组的流量方程1)第二级阀流量连续性方程式中:V式中:CD通过阻尼孔R式中:μ为液压油动力粘度,μ=0.059kg/(m.s);式中:l为小孔长度,取5mm;d阀口前后流量连续性方程可表示为:式中:q2)先导溢流阀的流量方程式中:D式中:PV3)第一级阀的流量方程式中:D式中:dp式中:V3挂载液压库控制器组的数值模拟3.1通插装阀组Simulink是MATLAB的子系统,可完成动态系统的建模与仿真。以第一级阀的进口流量为输入量,二通插装阀组的进油压力、阀芯位移及阀口流量为输出量,当阀芯开启时的位移为正;由式(6)~式(17)所示的力平衡方程及流量方程建立子系统,通过子系统的组合可得到如图3所示液压缸控制阀组的仿真模型3.2数值仿真环境控制阀组的仿真参数及环境设置如下。1)仿真参数仿真参数为系统各模块的实际参数。模型中先导溢流阀的设定压力为16MPa,挂舱流量为2280L/min;其他参数可参见动态方程、所用元件及系统设计的相关值,在此不一一赘述。2)仿真环境仿真环境的设置包括仿真时间与求解器的选择等。模型在0.999s时产生阶跃信号,因此所选仿真时间定为1.017s。本文中的模型仿真采用微分方程组的数值解法,选取可变步长的求解器以控制误差。插装阀组的数学模型属刚性系统,仿真模型选取变步长一步求解法ode23s,在较大的容许误差下更为有效。为方便视图,将一级阀和二级阀的阀芯位移信号用MUX模块连接,使之能在同一示波器中显示。所得到挂舱时一级阀与二级阀的阀芯位移以及一级阀回油流量的Simulink仿真曲线分别如图4和图5所示。3.3级插装阀开启情况由图4所示的仿真曲线可知,当阶跃信号为0时,两个二通插装阀阀芯关闭;当仿真时间为1s时,出现挂舱现象,一级插装阀与二级插装阀同时开启,二级插装阀在开启后2.7ms时阀芯完全打开,一级插装阀在开启后14.6ms时阀芯达到最大开口值。由图5所示的仿真曲线可知,一级插装阀在开启后28.5ms时的回油流量基本稳定在2310L/min。按挂舱保护液压缸的结构参数及行程计算,挂舱时液压缸的响应时间为0.37s,在所要求的响应时间为0.3s~0.5s范围内。4为优化和模拟液压裂压裂控制单元中的衰减结构参数而创建的仿真单元4.1正交实验结果分析如上所述,图1所示控制阀组中阻尼孔R控制阀组中的阻尼孔R正交法是一种研究多因素多水平的实验方法,可根据正交性从各种参数组合中选出部分有代表性的点进行实验分析,具有高效、快速和经济等特点。液压控制阀中的阻尼孔有三个因素,每因素三个水平。为保证系统的稳定性,防止在开启过程中出现液压冲击,避免阻尼孔出现阻塞现象,阻尼孔直径的范围通常为0.6mm~2.5mm根据统计学正交表设计规则,采用L根据正交实验法对上表中的实验结果进行分析,其结果如表3所示。表中K为每水平结果之和,k为平均值,R为极差。对表2所示仿真结果比较可知,九组仿真数据中3号仿真所得结果最为理想,二通插装阀开启时间最短,其水平组合为R4.2尼孔直径的优化由上述分析可知,R根据正交实验及非显著影响因素的对比仿真分析结果,选取的阻尼孔直径优化组合为:R由图6和图7可知,从发出挂舱现象到一级插装阀阀芯完全开启用时10.8ms,相比优化前的14.6ms,如图4所示,开启时间缩短了25.5%;而一级插装阀的回油流量与优化前基本一致,且控制阀组的稳定性好。5仿真模型及其仿真结果岸桥挂舱保护液压缸控制阀组对提高岸桥的作业效率,防止集装箱货损、桥机机损或人员伤亡等具有重要作用。在所构建的吊具下额定起重量为65t、前伸距为45m的岸桥挂舱保护液压缸三级压力控制阀组的基础上,建立了该阀组的动态特性及其仿真模型;并在MATLAB/Simulink软件环境下对该模型进行了仿真研究;此外,为提高控制阀组的快速性和稳定性,采用三因素三水平正交仿真方法,对阀组中阻尼孔的直径组合进行了优化,得出了满足岸桥挂舱保护装置性能要求的各阻尼孔直径的最佳组合。结果表明:所构建的挂舱保护液压缸三级压力控制阀组具有结