港口门座起重机的运行建模与仿真
摘要：
随着港口节能降耗日益受到重视，以实现绿色港口的理念，专门研究港口机械节能技术的专家学者人数不断增加。一般来说，由于港口运营繁忙，港口机械不能单独为了研究而脱离运营线。而且，使用真正的港口机械会给研究带来很高的成本。因此，有必要寻找一个低成本，高精度的研究平台。在本文中，我们通过基于真实门座起重机的仿真软件建立了力学模型，电机模型和控制模型。并将这三种模型整合到整个模拟平台中，通过模拟港口起重机的起升和俯仰运行，分析起升和俯仰过程中的功率变化和能耗，提供节能研究基地。仿真结果表明，该仿真平台完全可以满足门座机节能研究的要求。
关键词：港口门座式起重机，仿真平台，节能。
介绍：
节能已成为工程机械的发展趋势，能耗和回收成为新建机械设计和运行的重要方面。而已投入使用的机器将需要额外的节能系统，以避免由于机械更换而造成不必要的花费。随着经济全球化的发展，港口业发展迅速。专家学者着重从事港口机械节能研究，其中重要的一部分是工程机械。在港口吞吐量占港口货物总量一半以上的散装港口中，门座起重机起着至关重要的作用。典型的港口起重机可以处理重量大，高度高的货物，在作业过程中经常会起吊，放下和晃动。因此在货物退货过程中可以产生大量的能量。一般来说，动力制动会消耗能量，导致高能耗和低效率。如果能够将门座式起重机作业过程中产生的大量势能转化为可用于散货港口的电能，减少能源浪费并实现资源的合理利用具有重要意义。但是，由于繁忙的操作，这是不可能的。仅将门座起重机与一般作业线分开，仅用于研究门座起重机节能技术。更重要的是，使用真正的门座起重机进行研究的成本非常昂贵。 因此，有必要找到一种低成本，高精度的方法。近来越来越多的仿真技术已被用于港口研究。例如，Kim等人（2013）使用模拟方法来研究海啸对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。建立精确的仿真研究平台可以大大降低门座机的节能研究成本。
目前，节能研究主要集中在集装箱港口，最集中在电气或机械节能方面。有些专家只考虑电力节能方法。例如，Chang等人（2010），Iannuzzi，Piegari和Tricoli，（2009）提出了一种基于AFE系统能量回收的节能方法。 Beldiajev，Lehtla和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和Solis（2008），Hearn等人（2013年），Ahrens，Kucera和Larsonneur（1996年）提出在起重机运行过程中通过使用飞轮执行能量回收和释放。因此，目前对港口机械的模拟主要集中在港口机械的一部分，无论是电气还是机械。结合这两部分的平台很少见。Kinght et al。（2012）使用SimPower Systems建立门座起重机电气仿真平台。通过平台可以获得工作过程各个部分的电压，电流和其他变化。该平台为门座机的节能技术研究提供了依据。曹等人（2010）利用非奇异终端滑模方法建立了控制器仿真模型，用于研究起重机电机速度控制。 Tandel，Patel和Motiyani（2009）建立了起重机直流驱动仿真模型，以验证所提出的用于起重机电机驱动可行性的新方法。 Wang等人（2011）使用Soildworks建立了基于40吨重和33米高的门座起重机的机械结构模型，该模型用于研究变幅过程中铰点处的应力变化。Yang，Zhang和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，但这种模拟主要用于教学任务，而不是节能机械。
上述的港口机械模拟研究只侧重于电气或机械部件，或港口机械的整体模拟方法不能轻易用于能效研究。因此，结合门座起重机的特点，针对节能研究的重点，通过Matlab / simMechanics和Matlab / simPower建立机械模块，电子模块和驱动模块。 并将这三个模块组合成一个完整的门座式起重机仿真平台，实现门座起重机电气仿真与机械仿真的结合，为门座式起重机节能研究奠定坚实的基础。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负载下变幅机构的工作情况。实验结果表明，所搭建的门座起重机仿真平台能够快速，准确地模拟运行工况，为门座机的节能研究提供了良好的实验基础。
港口起重机的仿真模拟
为建立仿真平台，首先分析了门座起重机的机械结构，并基于机构设计原理，利用Matlab / Simulink搭建了龙门起重机机械模块。针对机构的实际运动，本文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各种机构的动力学模型，并基于该数学模型在Matlab / Simulink中建立控制模块。本文还分析了各机构的驱动模式，并根据电气工程相关知识在Matlab / Simulink中建立了相关电机模型。最后，将这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，使用Matlab / Simulink建立龙门吊节能研究仿真平台，如图2-2所示。
第1部分是机械模型，第2部分是提供转矩和速度的电机模型，第3部分是为平台提供控制信号的控制模块，第4部分是负载，它是控制系统的变量输入以模拟不同的载荷，第5部分是显示不同载荷下的最佳变幅时间的屏幕。
港口门座起重机机械仿真模型
如图2-3所示，门座起重机由起重机构，变幅机构和回转机构三部分组成。在本文中，为了简化模型，只建立了俯仰机构。在建立变幅机构模型的过程中，首先根据运动特点建立起组合臂，然后根据平衡原理建立组合模型。最后，根据传动机构模块的特点构建齿条齿轮机构。
SimMechanics在matlab / Simulink中建立的门式起重机力学模型如图3-4所示。
第1部分是机械环境设置模块。这个模块对于建立机械模型是必要的，并且它被用于设置模拟中的主要算法，误差，重力，步长和其他参数。第2部分是机架固定模块。这个模块被用作整体的一个固定点机械模型，它是绝对坐标系的起源，因为完整的机械模块通常至少有一个接地模块。第3部分是具有阻尼因素的旋转模块。该模块被用作不同铰链之间的刚性连接。为了使仿真更真实，减振因素被考虑在内。第4部分是起重臂模块。这个模块被用来创建刚体，例如武器，鼻子，杆，重物等，它是力学模型的基础。第5部分是鼻子头部的传感器模块，用于整个机械运动的检测和观察。第6部分是机架驱动模块。该模块为变幅机构提供驱动力。
在Matlab / Simulink中，关节是没有任何阻力的理想模块，因此变幅机构将处于周期性振动状态。阻尼运动子模块需要在每个连接点或接头处满足实际情况，这是阻尼运动。 图2-5显示了一个用于确定弹性K和阻尼系数D的平衡模块。通过计算和测试来确定最佳弹性和阻尼系数是10-9 和10-2 。
驱动模式是整个机制的关键。起重机的驱动器是一种驱动悬臂的齿条，齿条通常由小齿轮驱动。小齿轮旋转时齿条正在直线移动。其结构如图2-6所示。因此，本文定义了一个2自由度关节来实现从平移到滚动的传递。
在建立上述模型后，本文完成了龙门起重机仿真的构建。图2-7是门式起重机的可视化图。在图2-7中，机架由图2-4的起重臂模块构成。我们可以从可视化地图中观察龙门起重机的操作和模拟。
港口门座起重机电机模拟模块
在本节中，根据电机的基本原理构建了Matlab / Simulink中的电机模型。在门座起重机电源系统中，交流电机通常容量较大，由于起动电流过大会导致电网电压下降，并会对其他电气设备的正常运行造成影响。因此，通常在电动机中使用降压启动模式以减小启动电流。本文还利用这种模式构建了电机仿真模型。
电源系统中，交流电机通常容量较大，由于起动电流过大会导致电网电压下降，并会对其他电气设备的正常运行造成影响。因此，通常在电动机中使用降压启动模式以减小启动电流。本文还利用这种模式构建了电机仿真模型。控制器可以限制通过电压调节器的启动电流，并且电动机通常表现出较高的启动转矩。在启动结束时，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。晶闸管控制角从大变小，使得电机上的电压从小到大逐渐上升大。
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4部分，GI和第5部分Fcn组成。电机模型是根据实际情况设置的。触发器为晶闸管控制器提供脉冲。晶闸管控制器用于调整交流电压以提供电机启动。
港口门式起重机控制仿真模块
控制模块是在分析龙门起重机起升机构的基础上建立的动力学模型。起升机构是一个重要机构，其作用是提升货物。起升机构一般由驱动装置，制动器，传动装置，卷绕装置和其他部件组成。图2-10是根据第2.2节所述门座起重机组成和公式求解最佳动臂时间的控制仿真模块。
上面建立的控制模块可以控制3.1和3.2中建立的力学模型和电机模型，为整个模拟奠定了基础。
仿真模型验证
本文利用MATLAB / Simulink搭建了机械模块，电机模块和控制模块。这三个模块被组合成一个完整的仿真平台。 整个仿真平台基于40t-30m门式起重机的参数建立，如表3-1所示。
从图中可以看出，功率与负载的质量成正比，与高度的平方成正比，这是P米。从纵坐标可以看出，力量一开始就会在短时间内增加，但随着身高的增加而逐渐趋于平缓。直线的交点图中的线条和曲线显示了所需的高度在不同的负载下所需的功率下。
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如图3-2所示，在仿真平台上可以观察到最大和最小变幅下的运行状态。在变幅过程中，运动路径可以通过安装在机头上的传感器来观察。图3-3显示了门座起重机鼻子在32吨载荷下的运动路径。从图中可以看出，功率与负载的质量成正比，与高度的平方成正比，图中的线条和曲线显示了所需的高度在不同的负载下所需的功率下。
结论
本文研究门座起重机仿真模型的建立，通过Matlab / SimMechanics和Matlab / simPower建立仿真平台方法，将机械模块，电气模块和驱动模块相结合。该方法实现了机电仿真门式起重机的一体化。第二部分详细描述了建立模型的过程。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功率和不同负载下变幅机构的工作情况。 仿真结果表明，门座起重机仿真平台是现实的。该平台可以快速，准确地提供实验数据，为门座机的节能仿真研究提供良好的实验基础。
文献引用
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基于提升载荷的四杆联动门机起重机动臂特性仿真分析
摘要：
四连杆门座起重机具有运行效率高，运行费用低，机动灵活等优点，广泛应用于港口的运输和堆放作业。作为四连杆门座起重机的核心部件，组合起重臂的设计将直接影响机器的性能。在本文中，建立了详细的元素模型，并计算了每种振动模式。此外，本文进行了一个瞬态动态模拟，并获得了动态响应组合模型。这种方法不仅使得臂架在设计阶段获得
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