港口门式起重机的运行建模与仿真外文翻译资料

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港口门式起重机的运行建模与仿真

摘要

Liu, H.; Mi, W.; Zhao, N., and Feng, Y., 2015. 港口门式起重机运行建模与仿真. 在: Mi, W.; Lee, L.H.; Hirasawa, K., and Li, W. (编辑), 港口和海洋工程的最新发展.海岸研究杂志, 特刊, 第73号, 89-94 页。椰子溪 (佛罗里达州), ISSN 079-0208。

随着港口节能降耗越来越受到人们的重视，为了实现绿色港口的概念，致力于港口机械节能技术研究的专家学者越来越多。一般来说，由于港口作业繁忙, 港口机械不能脱离仅用于研究的运营线路。此外,使用真正的港口机械将给研究带来高昂的成本。因此, 有必要寻找一个低成本、高精度的研究平台。本文利用基于实际门式起重机的仿真软件, 建立了机械模型、电机模型和控制模型。并将这三个模型集成到整个仿真平台中,通过模拟港口起重机的吊装和润滑操作, 分析吊装和润滑过程中的功率变化和能耗，为节能研究提供了依据。仿真结果表明,该仿真平台完全能满足门式起重机节能研究的要求。

1. 简介

节能已成为工程机械的发展趋势，能耗和循环利用已成为新型建筑机械设计和运行的一个重要方面。而已经投入使用的机械将需要额外的节能系统，以避免因机械更换而产生不必要的支出。随着经济全球化的发展，港口产业发展迅速，专家学者们重点研究了港口机械的节能问题，其中一个重要的部分是工程机械。在散货港口，其吞吐量占港口货物总量的一半以上，门式起重机发挥着至关重要的作用。典型的港口起重机在操作过程中会经常处理重量大、高度高、频繁变幅的货物。因此，在商品下降过程中，可以产生大量的能源。一般来说，动态制动消耗的能量，导致能耗高、效率低。如果能将门式起重机运行过程中产生的巨大势能转化为可用于散货口的电能，那么对减少能源浪费、实现资源的合理利用具有重要意义。

然而，由于操作繁忙，仅仅为了研究门式起重机节能技术，不可能将门式起重机与一般作业线路分开。此外，使用真正的龙门吊车进行研究的成本非常高。因此，有必要找到一种低成本、高精度的方法。近年来，越来越多的仿真技术被应用于港口研究中。例如，kim等人使用模拟方法研究海啸对 koborinai 港的影响。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。建立准确的仿真研究平台，可大大降低门式起重机的节能研究成本。

目前，节能研究主要集中在集装箱港口，最主要的是只关注电气或机械节能的一个方面。一些专家只考虑了电气节能的方法。例如，chang 、iannuzzi、piegari 和 tricoli 等人(2009年) 提出了一种基于 afe 系统能源回收的节能方法。beldiajev、lehtla 和 mder (2010年)、liu 等人 (2008年) 提议通过频率控制实现节能。另一方面, 一些专家只考虑了机械节能的方法。例如, flynn、mcmullen 和 solis (2008年)、hearn 等人 (2013年) 和 ahrens、kucera 和 larsonneur (1996年) 提议在吊车的操作过程中使用飞轮进行能量回收和释放。因此， 目前对港口机械的模拟主要是在港口机械的一部分，无论是电气还是机械。将这两个部分结合在一起的平台很少见。kint 等人 (2012年) 利用 simpower 系统建立了龙门起重机电气仿真平台。

通过该平台可以获得工作过程各部分的电压、电流和其他变化。该平台为门式起重机节能技术研究提供了依据。cao 等人 (2010) 建立了一种基于非奇异端子滑模方法的起重机仿真模型，用于研究起重机电机的速度控制。tandel、patel 和 motiyani (2009年) 建立了起重机直流驱动仿真模型，以验证所提出的起重机电机驱动可行性的新方法。wang 等人 (2011年) 利用 soildworks 建立了基于40吨和33米高度的门式起重机的机械结构模型，用于研究拉幅过程中铰链点应力的变化。杨、张、于 (2010) 通过虚拟现实技术构建了三维模拟端口机械模型，但这种仿真主要用于教学任务，而不是用于节能机械。

上述港口机械模拟研究只集中在电气或机械零件上，或者港口机械的整体模拟方法不能轻易用于能效研究。因此，结合龙门起重机的特点和结合节能研究的重点，通过 matlab/simicya/simpower 建立了机械模块、电子模块和驱动模块。并将这三个模块整合到一个完整的门式起重机仿真平台中，实现了门式起重机电气仿真与机械仿真的结合，为门式起重机节能研究提供了坚实的基础。为了验证模型的可靠性，我们模拟了可再生能源的功率和不同载荷下的润滑机构的工作情况。实验结果表明，所构建的龙门起重机仿真平台能够快速、准确地模拟运行条件，为门式起重机的节能研究提供了良好的实验基础。

1. 港口门式起重机仿真建模

为了建立仿真平台，本文首先分析了龙门起重机的机械结构，并根据机构的设计原理，利用 matlab/similink 构建了龙门起重机的机械模块。并根据机构的实际运动，根据阻尼运动原理设计了阻尼运动模块。其次，根据动力学方程建立了各种机构的动力学模型，并在此数学模型的基础上建立了 matlab/similink 的控制模块。本文还分析了各机构的驱动方式，并根据电气工程的相关知识，在 matlab/simelink 中建立了相关的电机模型。最后，将这三个模块组合到一个完整的仿真平台中，如图2-1 所示。 根据图 2-1，利用 matlab/similink 构建了龙门起重机节能研究仿真平台，如图2-2 所示。

第1部分是机械模型，第2部分是电机模型提供扭矩和速度，第3部分是控制模块提供控制信号的平台，第2部分是负载，这是控制系统的可变输入，以模拟不同的负载，第5部分是屏幕，可在不同负载下显示最佳的润滑时间。

图2-1 仿真平台设计

图 2-2 整体仿真平台

• 1. 港口门式起重机机械仿真模型

如图2-3 所示，龙门起重机由三个部分组成，即吊装机构、吊杆和回转机构。为了简化模型，本文只建立了润滑机构。在建立润滑机构模型的过程中，首先根据运动特性建立了组合夹具，然后根据平衡原理建立了育种模块。最后，根据传动机构模块的特点，建立了齿轮齿条式机构。

图 2-3 龙门吊的部件

SimMechanics 在 matlab/Simulink 中建立的龙门吊机械模型如图 2-4 所示。

第1部分是机械环境设置模块。该模块是建立力学模型所必需的，用于在仿真中设置主要算法、误差、重力、步长等参数。第2部分是机架固定模块。该模块被用作整个机械模型的一个不动点，它是绝对坐标系的起源，因为一个完整的机械模块通常至少有一个地面模块。第3部分是具有阻尼因子的旋转模块。该模块被用作不同铰链之间的刚性连接。为了使模拟更加真实，考虑了阻尼因子。第4部分是夹具模块。该模块用于创建刚体，如臂架、鼻头、拉杆、配重等，是机械模型的基础。第5部分是鼻头部的传感器模块，用于整个机械运动的检测和观测。第6部分是机架驱动模块。该模块为润滑机构提供了驱动力。

图 2-4 龙门吊的机械型号

在 matlab/simelink 中，接头是一个理想的模块，没有任何阻力，因此润滑机构将处于周期性振动状态。每个结点或接头都需要阻尼运动子模块，以满足实际情况，即阻尼运动。图2-5 显示了一个平衡模块，用于确定弹性 k 和阻尼系数 d。通过计算和测试，确定的最佳弹性和阻尼系数为10^-9和10^-2。

驱动模型是整个机构的关键。吊车的驱动是一种机架，驱动的夹具和机架往往是由小齿轮驱动的。小齿轮旋转时，机架在直行，其结构如图2-6 所示。因此，本文定义了一个2自由度关节，以实现从平移到滚动的传输。

在建立上述模型后，本文完成了龙门起重机仿真的施工。图2-7 是龙门起重机的可视化图。在图2-7 中，res机架由图 2-4 的臂架模块构成。从可视化地图中可以观察龙门起重机的运行和仿真。

在这一节中，根据电机的基本原理，建立了 matlab/simulink 中的电机模型。在龙门起重机供电系统中，交流电机通常具有大容量，由于启动电流过大，导致电网电压下降，会对其他电气设备的正常运行造成影响。因此，电机中通常采用降压启动模式，以减少起动电流。本文还利用该模型建立了电机仿真模型。

图 2-5 平衡模块

图 2-6 驱动模块参数设置

图 2-7 龙门吊可视化图

传统的降压启动方法包括星三角启动和自动变压器启动等。基于晶闸管交流电压调节原理，提出了许多软启动控制器，本文采用这种软启动控制器对电机启动进行控制。软启动控制器可以通过电压调节器限制起动电流，电机通常表现出较高的启动扭矩。启动结束时，软启动控制器将被接触器切断，电机将连接到三相电源，以完成启动过程。电气原理图如图2-8 所示。软启动电路由三相晶闸管稳压器电路和软启动控制器 (给定积分器)、触发器等组成。晶闸管控制角度由大到小, 使电机上的电压逐渐从小到大上升。

晶闸管三

相电压

调节器

开始信号

电机

触发

信号匹配

集合集成器

图 2-8 晶闸管软起动电气原理图

图2-9 显示了整个电机的既定模型。整个电机模型由第1部分、电机、第2部分、触发器、第3部分、晶闸管控制器、第四部分、 GI 和第五部分 Fcn组成。电机模型是根据实际情况建立的。触发器为晶闸管控制器提供了脉冲。晶闸管控制器用于调节交流电压，以提供电机启动。

图2-9 龙门吊的电机仿真模型

• 1. 港口门座起重机控制仿真模块

控制模块是在分析龙门起重机吊装机构的基础上建立的动态模型。起重机构是一种重要的起重机制，其作用是吊起货物。提升机构一般由驱动器、制动器、变速器、绕组装置和其他部件组成。图2-10 是根据龙门起重机的组成和图2-2中求解最佳润滑时间的公式的控制仿真模块。

上面建立的控制模块可以控制图2-4 和图2-9 中建立的机械模型和电机模型，为整个仿真奠定了基础。

图 2-10 控制仿真模块

1. 仿真模型验证

本文利用 matlab/simumlink 建立了机械模块、电机模块和控制模块。这三个模块被合并为一个完整的仿真平台。整个仿真平台是根据 40-30 米龙门起重机的参数建立的，如表3-1 所示。

表1 仿真平台的关键参数

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资料编号：[1253]

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