港口门座起重机的建模与仿真外文翻译资料

 2022-09-15 02:09

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港口门座起重机的建模与仿真

Haiwei Liu,上海海事大学物流研究中心,Shanghai 201306, China

Weijian Mi,上海海事大学物流工程学院,Shanghai 201306, China

Ning Zhao ,上海海事大学集装箱供应链技术研究中心,Shanghai 201306, China

Yufei Feng,上海卫国港口装备有限公司,Shanghai 201306, China

摘要

为了实现绿色港口的概念,港口的节约能源和降低损耗受到越来越多的关注,致力于研究港口机械的节能技术的专家、学者数量在不断增加。一般来说,由于繁忙的港口业务,港口机械不能脱离操作线单独进行研究。此外,采用真正的港口机械进行研究引起高额的研究成本。因此,找到低成本、高精确度的研究平台是非常必要的。在这篇文章中,基于真正的门座起重机,我们用仿真软件建立了力学模型、运动模型和控制模型。我们把三个模型集成到一个整体仿真平台上,通过模拟港口起重机的起升和俯仰操作,分析在起升和俯仰过程中的功率改变和能量消耗,提供一个节能研究基地。仿真结果表明仿真平台完全能够满足门座起重机节能研究的需要。

关键词:港口门座起重机;仿真平台;节能

介绍

随着能源消耗和回收成为新型机械设计运行的重要方面,节能成为了工程机械的发展趋势。为了避免由于机器移动带来的不必要的花费,已经投入使用的机器需要额外的节能系统。随着经济全球化的发展,港口行业发展迅速。专家、学者专注于研究港口机械的能源节约,其中很重要的一部分就是工程机械。在散货码头中,门座起重机起着至关重要的作用,它的运货量占整体码头货运量的一半以上。在运行过程中,典型的港口起重机将频繁的带着又重又高的货物起升、变幅、俯仰。因此在货物下降过程中会产生大量能量。一般来说,能量被消耗在动力制动上(Liu et al., 2008),这导致了高能耗、低效率。减少能源浪费,实现资源的合理利用是非常重要的,如果我们能将门座起重机运行过程中产生的大量产生的大量潜在能源转换成可以使用在散货码头中的电能。

然而,由于繁忙的运行,为了研究门座起重机节能技术而将其从普通生产线上分离出来是不可能的。除此之外,使用真正的门座起重机进行研究花费十分昂贵。因此,找到低成本、高精度的方法是非常必要的。最近越来越多的仿真技术被用于港口研究。例如,Kim et al. (2013) 用仿真方法研究海啸对 koborinai港口的影响。使用仿真平台也可以为上述问题提供一个很好的解决方案。建立一个精确的仿真研究平台大大降低了门座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,且只集中在电气或机械节能其中之一。有些专家只考虑电气节能方法。例如,Chang et al. (2010), Iannuzzi, Piegari, and Tricoli, (2009) 提出了一个用AFE系统进行能量回收的节能方法。Beldiajev, Lehtla, and Molder (2010), Liu et al. (2008) 提出通过控制频率实现节能。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) 提出通过飞轮来实现起重机运行过程中的能量回收和释放。因此,当前港口机械的仿真主要集中在电气或机械其中之一。结合这两部分的平台是非常罕见的。Kinght et al. (2012) 使用 SimPower系统建立门座起重机的电气仿真平台。这个系统可以获得工作过程中电压、电流和其他各个部分的变化。这个平台提供门式起重机节能研究的基础。Cao et al. (2010) 建立了采用一个非单一终端滑动模块方法控制的仿真模型来研究起重机电机速度控制。Tandel, Patel, and Motiyani (2009) 提出了起重机DC-driven仿真模型来验证提出的关于起重机电机驱动可行性的新方法。Wang et al. (2011) 用Soildworks建立一台起重量40吨,高度33m的门座起重机的机械结构模型,用于研究变幅过程中绞点的压力变化情况。Yang, Zhang, and Yu (2010) 通过虚拟现实技术建立了一个三维模型模拟港口机械,但这类模拟主要用于教学任务而不是节能机械。

上述港口机械仿真研究只集中在电气或机械部件,港口机械的整体仿真方法很难轻易地被用在能效研究上。因此,结合门座起重机的特点和节能研究的重点,本文通过Matlab / simMechanics and Matlab / simPower建立了机械模块、电子模块和控制模块。本文将这三个模块集中到整体门座起重机仿真平台,来实现门座起重机电气仿真、机械仿真的结合,为门座起重机节能研究提供了坚实的基础。为了验证模型的可行性,我们模拟了可再生能源和在不同负载下变幅机构工作情况。实验结果显示,所构造的门座起重机仿真平台可以快速并且准确的模拟操作条件,为门座起重机的节能研究提供良好的实验基础。

SIMULATION MODELING OF HARBOR PORTAL CRANE

港口门座起重机仿真模型

为了构建仿真平台,本文首先分析了龙门吊的机械结构并使用Matlab / Simulink环境建立一个基于机械设计原则的门座起重机机械模块。对于机械的实际运行,本文根据阻尼运动的原理设计了阻尼运动模块。第二,本文根据动态方程建立了不同机制下的动态模型,并且基于这种数学模型在Matlab / Simulink环境建立了一个控制模块。本文还分析了各个机构的驱动模式,并根据电气工程的相关知识在Matlab / Simulink中建立了相关的电机模型。最后,将三个模块组合成一个完整的仿真平台,如图3-1所示。根据图2-1,门座起重机的节能研究仿真平台是利用如图2-2所示的Matlab / Simulink建立的。

第一部分是机械模型,第二部分是提供转矩和速度的电动机模型,第三部分是为平台提供控制信号的控制模块,第四部分是负载,这是用于模拟不同的负荷下的控制系统的可变输入,第五部分是用于显示在不同载荷下最佳变幅时间的屏幕。

图2-1 仿真平台设计

图2-2 整体仿真平台

Mechanical Simulation Model of Harbor Portal Crane

港口门座起重机的机械仿真模型

正如图2-3所示,门座起重机由三部分组成,即起升机构,变幅机构和回转机构。在本文中,只有变幅机构是为了简化模型而建立。在建立变幅机构模型的过程中,根据运动特征首先建立组合臂架,然后根据平衡原理建立后续衍生模块。最后,根据传动机构模型的特征建立了一个齿条和小齿轮机构。

图2-3 门座起重机的组成部分

在matlab / Simulink软件中由simMechanics建立的门座起重机机械模型如图3-4所示。第一部分是机械环境设置模块。这一模块对建立机械模型是非常必要的,在仿真中它被用于设置主要算法、错误、重力、步长大小和其他参数。第二部分是固定机架模块。这一模块被当作整个机械模块的固定点,它是绝对坐标系的原点,因为一个完整的机械模块通常至少具有一个地面模块。第三部分是带有阻尼因子的旋转模块。这个模块被用作不同的铰链之间的刚性连接。为了让模拟仿真更加真实,引入了阻尼因素。第四部分是臂架模块。这一模块被用于创建刚体,例如主臂架、象鼻梁、大拉杆、重量等,它是机械模块的基础。第五部分是象鼻梁顶端的传感器模块,它被用于探测、观察机械移动的整体过程。第六部分是机架驱动模块,这一模块给变幅机构提供了驱动力。

图2-4 门座起重机的机械模型

在Matlab / Simulink中,节点是没有阻力的理想模块,所以变幅机构将处于周期性的振动状态。为了满足实际情况,每一个节点都需要阻尼运动子模块,它在有阻尼的情况下运行。图2-5显示了一个可以用来决定弹性系数K和阻尼系数D的平衡模块。通过计算和测试可以得出,最适合的弹性系数K是10 minus;9 ,阻尼系数D是 10 minus;2

驱动模型是整个机械模型的关键。起重机的驱动通常是一种齿条驱动,臂架和机架被齿轮驱动。当齿轮旋转时,齿条直线移动。它的结构如图2-6所示。因此,为了实现从直线到转动的传递,本文定义了一个两自由度的铰接点。

建立了上述模型后,本文完成了门座起重机的模拟仿真建设。图2-7是门座起重机的可视化地图。在图2-7中,整体机架由图2-4中的臂架模型所组成。我们可以从可视化地图中观察到门座起重机的操作和仿真。

Motor Simulation Module of Harbor Portal Crane

港口门座起重机电机仿真模块

在这一部分中,根据电机基本原理在Matlab / Simulink中建立电动机模型。在门座起重机的供电系统中,交流电动机通常有很大容量,由于过大的起动电流导致电网电压下降,这将对其他电气设备的正常运行造成影响。因此,降低电压启动模式通常被使用在电动机中来减小起动电流。本文也采用这种模式来建立电动机仿真模型。

传统的降压启动方式由星三角启动方式和自耦变压器启动等。许多基于晶闸管交流调压原则的软启动控制器已经问世,本文就使用这种软启动控制器来控制电动机的启动。这种软启动控制器能够限制启动电流,尽管电压调节器和电动机通常显示很高的起动转矩。当启动结束时,软启动控制器将会被接触器切断,而电机将连接到三相电源来完成启动过程。电路图如图2-8所示。软启动控制器由一个三相晶闸管电压调节电路、软启动控制器(定积分器)、触发器等组成。晶闸管从大到小的变化使得电机上的电压从小到大逐渐上升。

图2-6显示了整体电机模型。整体电机模型由第一部分、电机、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组成。整体电机模型根据实际情况设置。触发器为晶闸管控制器提供脉冲。晶闸管控制器用来调节交流电压,该电压被用于电机启动。

图2-5 平衡模块

图2-6 电机模块的参数设置

图2-7 门座起重机的可视化图

图2-8 晶闸管软启动电路图

图2-9 门座起重机的电机仿真模块

Control Simulation Module of Harbor Portal Crane

港口门座起重机的控制仿真模块

控制模块是以门座起重机的起升机构的分析为基础而建立的动态模块。起升机构是一个非常重要的机构,其作用是提升货物。起升机构一般由驱动器、刹车、传动机构、卷绕设备和其他部分组成。图2-10是控制仿真模型,根据门座起重机的组成和公式求解得最佳变幅时间,如2.2节。

上文建立的控制模块可以控制在3.1节建立的机械模块和在3.2节建立的电机模块,并为整体仿真建立基础。

SIMULATION MODEL VALIDATION

仿真模型验证

本文使用MATLAB / Simulink.建立了机械模块、电机模块和控制模块。这三个模块被整合到一个整体仿真平台上。整体仿真平台以起重量40吨变幅距离30米的门座起重机为基础建立,如表3-1所示。

图2-10 仿真控制模块

表1 仿真平台的关键参数

表3-1是40吨门座起重机在不同负载10吨、20吨、30吨、40吨下起升高度与所需的动力之间的关系。

从图中可以明显看出,所需动力与负载的重量、起升高度的平方成比例。首先动力将会在短时间内增加,但随着高度的增加逐渐趋于平稳。在图表中直线与曲线有相交点,它显示了在所需高度处对应的纵坐标即为在不同负载下所需要的动力。

图3-1 起升机构动力图

如图3-2所示,在运行状态下最大和最小变幅高度能够在仿真平台上被观察到。在变幅过程中,运动路径能够被安装在象鼻梁上的传感器所观察到。图3-3显示了门座起重机在32吨负载下象鼻梁的运动路径。

图3-2 门座起重机的最大、最小变幅距离

从图3-3门座起重机的振幅曲线可以看出,变幅过程的仿真并不是严格的线性运动,但 可以看作是有小幅波动的曲线运动,波动范围在0.2米以内,这与实际生活中在门座起重机行驶过程中引起的振幅的改变是基本一致的。这个发现证实,该仿真平台的设计的确能够模拟在现实生活中门座起重机变幅机构的运行状况。

图3-3 门座起重机变幅曲线

总的来说,我们使用Matlab建立了一个门座起重机仿真平台,它能够快速而又精确的模拟在门座起重机运行过程中变幅机构的工作和能量再生过程。它将成为门座起重机可再生能源研究的良好的基础。

CONCLUSION

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