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  • 岸桥挂舱保护液压缸控制阀组的动态特性及其仿真研究
    发布日期:2016-3-3


    摘 要:岸桥是现代港口集装箱装卸的关键设备,对岸桥挂舱保护液压缸控制阀组的动态特性进行仿真研究对提高岸桥作业效率及其安全性能具有重要作用。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软件环境下完成了该模型的仿真研究。

    本页关键词:进口气动调节阀, 进口电动调节阀,, 进口调节阀

    0 引言

    岸桥(岸边集装箱起重机)是现代港口集装箱装卸的关键设备,其作业效率反映了码头的装卸能力,其安全性能则是整条作业线连续运行指标及过程控制管理水准的体现。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 挂舱保护液压缸控制阀组的组成原理

    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。采用二通插装阀等元件开发的挂舱保护液压缸控制阀组液压原理如图1所示。图中挂舱保护液压缸2的有杆腔油口及无杆腔油口处分别装有缸头块1和控制阀块8,缸头块和控制阀块之间采用无缝管联接。电磁球阀3,二通插装阀6和9,压力继电器7,溢流阀10,球阀11,阻尼孔R1、R2和R3等元件集成安装在控制阀块8上,构成了挂舱保护液压缸控制阀组。

    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5.58×105N,挂舱时液压缸的响应时间为0.3s~0.5s。由上述单台液压缸的挂舱力可计算出其缸径和活塞杆径分别为220mm和160mm,挂舱时无杆腔压力为16.5MPa;根据挂舱时钢丝绳的伸长量可确定出液压缸的行程为800mm;由于挂舱时响应时间短,使得液压缸无杆腔的回油量高达2280L/min。因此,将图1中二通插装阀6的通径定为DN60mm。为保证挂舱保护液压缸的控制性能,以图1中的二通插装阀6为第一级阀(主阀),二通插装阀9(通径定为DN16mm)为第二级阀,先导式溢流阀10(通径定为DN6mm)为第三级阀,并分别与阻尼孔R1、R2和R3组合形成三级压力控制。

    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R1和R2中均有流量通过,从而使第二级阀和第一级阀的锥阀上腔压力降低;第二级阀与第一级阀同时开启,挂舱保护液压缸无杆腔内的液压油一部分进入有杆腔,另一部分通过第一级阀快速排油至油箱,活塞杆急速缩回;从而补偿了钢丝绳的长度,并对所吊货箱及桥机设备起到了有效保护作用。

    图1中阻尼孔R1和R2分别用于调节第一级阀6和第二级阀9的启闭速度并提高其稳定性;阻尼孔R3起动态阻尼作用,用于防止第二级阀在打开时因进油口压力瞬间降低导致重新关闭而出现振荡现象。由于挂舱保护液压缸控制阀组在挂舱时的动作为瞬间动态过程,因此,控制阀组的动态特性及阻尼孔R1、R2和R3的结构参数必然对挂舱保护液压缸的响应速度和稳定性产生重要影响。

    1.缸头块;2.挂舱保护液压缸;3.电磁球阀;4.油源;5.测压接头;6、9.二通插装阀;

    7.压力继电器;8.控制阀块;10.先导式溢流阀;11.球阀;12.油箱

    图1 挂舱保护液压缸控制阀组液压原理

    2 挂舱保护液压缸控制阀组的动态特性

    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 力平衡方程的建立

    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.弹簧;2.密封件;3.阀芯;4.阀套

    图2 阀芯受力状况及其结构参数

    (1)液压力

    液压力FP按下式计算:

    FP=pAAA+pBAB−pXAX    (1)

    (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:

    FS=kSx∆p    (2)

    式中:x为阀芯抬起高度,m;

    ∆p为阀口压差,Pa;

    ks为液动力系数。

    (3)弹性力

    插装阀阀芯内部弹簧主要起复位的作用。弹簧力Ft可表示为:

    Ft=k(x0±x)    (3)

    式中:k为弹簧刚度,N/mm;

    x0为弹簧预压缩量,mm。

    (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:

        (4)

    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:

        (5)

    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:

        (6)

    2.2 流量方程的建立

    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

    控制腔流量方程为:

        (7)

    式中:VX2为控制腔体积,取VX2=0.96×10-5m3

    βe为有效体积弹性模量,取7×108Pa;

    AX2为控制腔面积,取AX2=1.54×10-4m3

    阀口流量方程为:

        (8)

    式中:Cd为阀口流量系数,取0.62;

    β为阀芯半锥角,为45°;

    D2为阀芯直径,取0.016m。

    通过阻尼孔R2的流量按下式计算:

        (9)

    式中:μ为液压油动力粘度,μ=0.059kg/(m.s);l为小孔长度,为5mm;

    d2为阻尼孔R2通径,初取0.8mm。

    通过阻尼孔R3的流量按下式计算:

        (10)

    式中:l为小孔长度,取5mm;

    d3为阻尼孔R3通径,初取0.6mm;

    pc为溢流阀进口压力,MPa。

    阀口前后流量连续性方程可表示为:

        (11)

    式中:qx1为主插装阀控制腔的流量,m3/s。

    2)先导溢流阀的流量方程

    阀口流量q3可表示为:

        (12)

    式中:D3为阀口直径,为6mm。

        (13)

    式中:PC为先导溢流阀调定开启压力,MPa;

    V3为R2、R3与先导溢流阀进口的有效体积,V3=2×10-5m3

    3)第一级阀的流量方程

    阀口流量q1按下式计算:

        (14)

    式中:D1为主插装阀阀芯直径,为63mm。

    通过阻尼孔R1的流量可表示为:

        (15)

    式中:d1为阻尼孔R1通径,初取1.2mm;

    l为小孔长度,为5mm;

    p1为主阀进口压力,MPa。

    控制腔流量可表示为:

        (16)

    式中:VX1为主阀控制腔体积,取6×10-5m3

    阀口前后流量连续性方程为:

        (17)

    3 挂舱保护液压缸控制阀组的数值仿真

    3.1 仿真模型建立

    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。

    图3 挂舱保护液压控制阀组的仿真模型

    3.2 控制阀组的数值仿真

    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。

    图4 挂舱时一级阀与二级阀阀芯位移仿真曲线

    图5 挂舱时一级阀回油流量仿真曲线

    3.3 仿真结果分析

    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 液压缸控制阀组中阻尼孔结构参数的优化仿真

    4.1 三因素三水平正交仿真

    如上所述,图1所示控制阀组中阻尼孔R1、R2和R3对二通插装阀的稳定性和快速性均有重要影响。因此,有必要对各阻尼孔的直径组合进行优化仿真,以得到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。

    控制阀组中的阻尼孔R1用于产生一级插装阀1开启所需压差,并能控制该插装阀的关闭速度;R2用于调节一级插装阀的开启速度;R3则用来调节二级插装阀2的开启速度。对于上述三个阻尼孔直径的影响因素,可采用正交法对其进行仿真分析。

    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。三个阻尼孔的因素水平如表1所示。

    表1 阻尼孔直径因素水平表

    根据统计学正交表设计规则,采用L9(34)正交表安排仿真实验,其中,L为正交表代号,9表示只需做9次仿真实验,3表示每个因素有3个水平,4为列数,表示最多可观察4个因素。将九组实验数据代入图3所示Simulink仿真模型,以一级插装阀完全开启的时间作为实验结果,时间最小即表示插装阀响应时间最短,开启速度最快。正交仿真实验安排及仿真实验结果如表2所示。

    表2 阻尼孔直径仿真实验安排及仿真结果

    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。

    表3 正交实验法仿真结果分析

    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R11R23R33。如表3所示的阻尼孔直径影响实验中,各因素的最优组合为R11R23R33;通过极差值R可看出阻尼孔直径因素存在显著性顺序R3>R2>R1,即阻尼孔R3的直径对二通插装阀动态特性的影响最大,R2次之,R1则显著性不大。

    4.2 仿真结果分析与优化

    由上述分析可知,R1对二通插装阀开启时间的影响因素最小,在最优组合中,为防止出现阻塞及压力冲击现象,取阻尼孔R1的直径为1.5mm。

    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:R1取1.5mm、R2取1.2mm、R3取1mm,该最优组合的阀芯动态仿真曲线如图6和图7所示。

    图6 优化组合后二通插装阀阀芯位移仿真曲线

    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。

    图7 优化组合后一级插装阀回油流量仿真曲线

    5 结束语

    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构参数合理、动态响应快和无液压冲击等特点,为岸桥挂舱保护液压缸控制阀组的合理设计与性能预测提供了参考依据。

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