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对港口门座起重机操作的建模和模拟

摘要：为了实现绿色港口的概念，港口的节能减排越来越受到关注，越来越多的专家学者开始致力于研究节能技术在港口机械中的应用。一般来说,由于繁忙的港口业务,港口机械无法脱离操作线单独进行研究。此外,如果真的使用一台港口机械用于研究将大大提高研究的成本。因此,有必要寻找一种低成本、高精度的研究平台。在本文中,我们基于一个真实的门座起重机，通过仿真软件建立了一个力学模型、运动模型和控制模型。我们将这三个模型集成到整个仿真平台,用于提供一个节能研究数据库，它可以实现模拟港口起重机的起重和俯仰操作，还可以分析在起重和变幅过程能量的变化和能源消耗。仿真结果表明,该仿真平台完全可以满足门座起重机节能研究的需求。

关键词：港口起重机；仿真平台；节能；

1.介绍

随着能源消费和回收已经成为工程机械设计和操作的一个重要的方面。节能已经成为了工程机械的发展趋势。并且由于机械的更新换代，已经投入使用的机械为了避免不必要的浪费需要额外安装节能系统。随着经济全球化发展,港口行业发展迅速。专家和学者已经开始着手于研究如何将节能技术应用于港口机械的方方面面，而其中最重要的研究部分就是对工程机械的节能研究。在件散货港口中，其吞吐量占全部港口货运量总数的一半以上,而门座起重机则扮演着至关重要的角色。一个典型的港口起重机会在整个操作过程中将高大笨重的货物频繁的进行起升、下方和变幅操作。

因此，大量的能源会在货物下放过程中产生。一般来说,能源主要消耗在动力制动上，这就导致了高能耗、低效率。如果我们能将这种在门座起重机运作的过程中产生的巨大的潜在能源转变成电能从而用于散货港口，那减少能源浪费和实现合理利用资源的效果就会非常明显了。

然而，由于门座起重机操作繁忙,不可能将其脱离操作线单独进行节能技术的研究。而且，使用一台真正的起重机用于研究的代价是非常昂贵的。因此很有必要找到一种低成本、高精度的研究方法。最近，越来越多的仿真技术被应用与港口的研究。例如，Kim et al. (2013)已经使用过仿真方法研究海啸对于Koborinai港口的影响。仿真平台的使用还可以提供一个对以上问题很好的解决方案。建立一个精确的仿真研究的平台可以大大降低门式起重机节能研究的成本。

目前,节能研究主要集中在集装箱港口,而且多数集中在电气或机械节能这唯一的一个方面。一些专家只考虑电气节能方法。例如,Chang et al. (2010), Iannuzzi, Piegari, and Tricoli, (2009)提出了一种基于能量回收的AFE系统实现节能的方法。Beldiajev, Lehtla, and Molder (2010), Liu et al.(2008)提出通过频率控制实现节能。另一方面,一些专家只考虑机械节能方法。例如, Flynn,McMullen, and Solis (2008), Hearn et al. (2013) and Ahrens,Kucera, and Larsonneur (1996)提出通过飞轮在起重机操作过程中的应用可以实现能源的回收和释放。因此，当前港口机械的仿真主要应用于港口机械的一部分，或是电力部分或是机械部分。能同时结合这两个部分进行仿真的平台是很少的。Kinght et al。(2012)使用了SimPower系统建立了门座起重机的电气仿真平台。电压、电流和其他在工作过程中的各个部分的变化可以通过仿真平台获得。这个平台提供了研究门座起重机节能技术研究的基础。曹et al .(2010)通过采用非奇异终端滑模的方法建立了一个控制器仿真模型研究起重机电机速度控制方法。Tandel,Patel, and Motiyani (2009)建立了一个起重机直流驱动仿真模型用于验证最新提出的起重机电机驱动方案的可行性。王et al。(2011)使用Soildworks建立了一个以40 t重和33米高的门座起重机为基础的机械结构模型,可用于研究铰点在变幅过程中的应力变化。Yang, Zhang, and Yu (2010)通过虚拟现实技术建立了一个三维的港口机械仿真模型,但这种仿真主要用于教学任务,而不是为了应用于机械节能。

上述港口机械仿真研究只专注于电气或机械部分,或者港口机械的整体仿真方法不可能轻易应用于能源效率的研究。因此,结合门座起重机的特点并考虑到节能研究的重点,本文通过Matlab /simMechanics and Matlab / simPower建立了机械模块,电子模块和驱动模块。本文将三个模块结合为一个完整的门座起重机仿真平台，实现了门座起重机电气仿真和机械仿真的结合,为门座起重机的节能研究提供了一个坚实的基础。实验结果表明，所构造的门座起重机仿真平台可以快速、准确地模拟操作条件,为门座起重机的节能研究提供了良好的实验基础。

2.港口门座起重机的仿真模型

首先,为了建立这个仿真平台，本文分析了门座起重机的机械结构并且使用了Matlab / Simulink建立基于机械设计准则的机械模块。针对于实际的机械运动，本文根据阻尼运动原理设计了一个阻尼运动模块。第二,本文根据动力学方程式为各种机制建立了动态模型，并且基于此数学模型在Matlab / Simulink中建立了一个控制模块,在Matlab / Simulink仿真。

本文还分析了每种机制的驱动模式并根据相关的电气工程知识在Matlab / Simulink中建立了相关的电机模型。最后,这三个模块被合并成一个完整的仿真平台,如图3 - 1所示。根据图2 - 1,用于门座起重机节能研究的仿真平台通过Matlab / Simulink建立模型如图2 - 2所示。

第一部分是力学模型；第二部分是电机模型，用于提供转矩和转速；第三部分是控制模块，为平台提供控制信号；第4部分是负载,这是控制系统的输入变量，用于模拟不同的载荷；第5部分是屏幕；用于显示在不同负载下的最佳变幅时间。

2.1港口门座式起重机机械仿真模型

如图2 - 3所示,门座起重机由三个部分组成,即起升机构、变幅机构和回转机构。在这篇文章中,为了简化模型仅仅建立了变幅机构的模型。在建立变幅机构模型的过程中，首先根据运动特点构造了一个组合臂架，然后根据平衡原理构造一个breeding模块。最后，根据传动装置模块的特点构造了一个齿轮齿条装置。

门座起重机的机械模型通过simMechanics在matlab / Simulink仿真如图3 - 4所示。

第一部分是机械环境设置模块。这一模块的建立是很有必要必要的,它可以用于设置主要的算法,错误类型,重力数据,步长和其他模拟中需要的参数。第二部分是机架固定模块。这个模块被用作整个机械模型固定的点,而且它也是绝对坐标系的起点，因为一个完整的机械模块通常至少有一个基本模块。第三部分是拥有阻尼因素的revolution模块。这个模块被用于不同铰链之间的刚性连接。为了使仿真更加真实,阻尼因素也考虑了进去。第四部分是臂模块。这个模块是用于创建刚体，它是力学模型的基础。第五部分是传感器模块,用于检测和观察整个机械运动。第六部分是机架驱动模块。此模块为变幅机构提供动力。

在Matlab / Simulink中，连接处是一种没有任何阻力的理想的模块，所以变幅机构会处于周期性振动的状态。阻尼运动次模组需要包含于每一个接合点或连接处以符合实际情况,这就是有阻尼运动。图2 - 5显示了一个平衡模块用于确定弹性系数K和阻尼系数D。通过计算和测试已确定最好的弹性系数和阻尼系数分别是是10^minus;9和10^minus;2。

驱动模型是整个机制的关键。起重机的驱动机制是某种齿条驱动臂架，而齿条通常有齿轮来驱动。齿条做直线移动，同时齿轮做旋转运动。其结构如图2 - 6。因此，本文定义了一个2自由度的连接处用于实现直线运动到旋转运动的转换。

建立上述模型后,本文完成了门座起重机的仿真构建。图2 – 7是门座起重机的可视化示意图。在图2 – 7中,res架子由图2-4的臂架模块所建立。我们可以从可视化示意图中观察到门座起重机的操作和仿真。

2.2港口门座起重机的运动仿真模块

在本节中,根据电动机的基本原则在Matlab / Simulink中建立了电机模型。在门座起重机供电系统,交流电动机通常有大容量,其过高的启动电流将导致电网电压下降，这会影响到其他电气设备的正常运行。因此,电动机通常采用降压启动模式以减少起动电流。本文也利用此模式建立了电机仿真模型。

传统降压起动方法包括星-三角启动和自耦变压器启动等。许多基于晶闸管交流电压原则的软启动控制器已经问世，本文就使用了这种软启动控制器控制电机启动。软启动控制器可以通过电压调整器限制启动电流，而且电动机的启动转矩往往比较大。启动过程结束后，接触器会将软启动控制器从电路中切断，而电动机将连接到三相电源完成启动过程。电气原理图如图2 - 8所示。软启动电路由一个三相晶闸管电压调整器电路及软启动控制器(积分器)、触发器等组成。晶闸管控制角由大到小以使电动机的电压逐渐增大。

图2 – 6展示了建立好的完整的电动机模型。整个电机模型由第一部分,电动机,第二部分,触发器,第三部分,晶闸管控制器，第四部分,GI和第五部分Fcn。电机模型根据实际情况建立。由触发器为晶闸管控制器提供电脉冲信号，晶闸管控制器用于调整电动机启动时的直流电压。

2.3港口门座起重机的控制仿真模块

控制模块是在对门座起重机起升机构分析的基础上建立的动态模型。起升机构是非常重要的机构，其作用就是起升货物。起升机构通常由驱动装置，刹车装置，传动装置，卷绕设备以及其他构件组成。图2 – 10是根据门座起重机的组成以及在2.2节所提到的解决最佳变幅时间的准则所建立的控制仿真模块。

以上建立的控制模块可以控制在3.1和3.2所建立的机械模型和电机模型，同时也为整个仿真奠定了基础。

2.4仿真模型验证

本文通过使用MATLAB / Simulink建立了机械模块、电机模块和控制模块。这三个模块被结合成为一个完整的仿真平台。整个仿真平台是在以参数为40 t-30米的门座起重机的基础上建立的，如表3 - 1所示。

表1展示了一个40t门座起重机分别在10t，20t，30t以及40t的负载下能量和高度的关系图。

从图表中可以明显看出,能量与负载的大小以及高度的平方根成正比，也就是说Pprop;m。从纵坐标可以看出，能量在开始的短时间内会增大，但随着高度的增加而逐渐平稳。图表中直线与曲线的交点展示了在不同负载下在一定的能量时所能达到的高度。

如图3 - 2所示,仿真平台可以观察到在最大和最小幅度时的运行状态。在变幅过程中,可以通过安装在nose上的传感器观测到运动轨迹。图3 - 3显示了在32t负载作用下的门座起重机的nose的运动轨迹。

在图3 - 3中我们可以看到门座起重机的振幅曲线,仿真中的变幅过程并不严格保持线性运动,而是似乎是一种略有波动，波动量lt; 0.2米的曲线运动，这与实际工作中门座起重机的振幅变化相符。这一发现证实了所设计的仿真平台确实可以还原再现实际工作中门座起重机变幅机构的运动。

总之，我们使用Matlab构造了一个门座起重机的仿真平台，它可以在门座起重机操作过程中快速准确地模拟变幅机构的工作情况和能量再生情况，为门座起重机的节能研究提供一个良好的实验基础。

3.总结

本文研究了门座起重机仿真模型的建立，通过使用Matlab / simMechanics 和 Matlab / simPower将机械模块，电气模块和驱动模块结合，从而建立了一个仿真平台，该方法实现了门座起重机机械和电气仿真的结合。第二部分描述了建立模型的过程细节。为了验证模型的可靠性,在第三部分中,我们模拟了可再生能源的能量以及在不同负载下变幅机构的工作情况。仿真结果显示此门座起重机仿真平台是实际有效的。此平台可以快速、准确地提供实验数据,并且可以为门座起重机的节能研究提供一个良好的实验基础。

门座起重机组合臂架系统的动态分析与设计方法的研究

摘要：作为主要的装卸设备，门座起重机广泛应用于港口、铁路等地。门座起重机的装卸过程主要依靠其组合臂架系统的变幅和回转。一般情况下,为了降低驱动功率和提高操作性能,变幅轨迹应满足设计要求。同时,在装卸货物的整个过程中应当保证其结构应力处于安全状态下。如今对起重机装卸量的需求越来越大，门座起重机的尺寸也变得越来越大。因此，像臂架这种大尺寸构件的弹性变形对较大位移运动的影响已经不能再忽略不计了。此外，结构在装卸过程中的快速运动也使结构的动态行为表现的更加明显，尤其是在变幅与回转同时进行的情况下。然而，这种动态行为问题会导致有时候一些设计问题无法用传统的分析算法和动力学方法解决。为了减少普通分析方法造成的误差，本文提出了基于多体系统理论的设计与分析方法。根据该方法,可以很容易的分析变幅运动轨迹与应力-时间的变化过程。这样就确保了效率，并且依据传统的设计与分析方法进行初始设计的准确性也大大增加。

关键词:多体系统；门座起重机；组合臂架系统； 变幅轨迹

1．介绍

门座起重机是被一种广泛应用于港口、铁路和船厂的重要设备,。门座起重机可以通过其变幅和回转机构装卸货物。目前，绝大多数门座起重机采用组合臂架系统。组合臂架系统由臂架，大拉杆，小拉杆，象鼻梁组成，如图1所示。在结构设计中，为了,降低驱动功率，在变幅过程中象鼻梁前端的运动跪进应尽可能是一条直线。与此同时，不平衡力矩应符合设计要求,以确保结构安全。在详细设计时，计算应力不应超过许用应力。目前,在结构设计阶段,变幅轨迹可以通过绘图方式获得，但是绘画的过程很复杂，会浪费太多的设计时间。在详细设计阶段,应当建立起重机的有限元模型来分析结构的应力。

起重机应构建

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