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海岸研究杂志 |
SI |
73 |
89-94 |
Coconut Creek, Florida |
Winter 2015 |
港口门座起重机的运行建模与仿真
Haiwei Liudagger;Dagger;, Weijian MiDagger;, Ning ZhaoDagger;*, and Yufei Fengsect;dagger;dagger;
dagger;上海海事大学物流研究中心 上海 201306,中国
Dagger;上海海事大学物流工程学院 上海 201306, 中国
sect;上海海事大学集装箱供应链 技术工程中心
上海 201306, 中国
dagger;dagger;上海卫国港口设备有限公司
Shanghai 200136, China
摘要
Liu, H.; Mi, W.; Zhao, N., and Feng, Y., 2015.港口门座起重机的运行建模与仿真。 In: Mi, W.; Lee, L.H.; Hirasawa, K., and Li, W. (eds.), 港口和海洋工程的最新发展。海岸研究杂志，特刊， No. 73, pp. 89-94. Coconut Creek (Florida), ISSN 0749-0208.
随着人们越来越关注港口的节能，降耗以实现绿色港口的构想，致力于港口机械节能技术研究的专家和学者越来越多。通常，由于繁忙的港口作业，不能仅出于研究目的而将港口机械从作业线中分离出来。而且，使用真实的港口机械将对研究造成高昂的成本。因此，有必要寻找一种低成本，高精度的研究平台。 在本文中，我们通过基于真实门式起重机的仿真软件建立了机械模型，电动机模型和控制模型。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起升和变幅操作，并分析起升和变幅过程中的功率变化和能耗，为节能研究提供了基础。仿真结果表明，该仿真平台完全可以满足门式起重机节能研究的要求。
附加索引词：港口门座起重机，模拟平台，节能。
引言
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工程机械设计和运行的重要方面。并且已经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产生不必要的花费。随着经济全球化的发展，港口工业发展迅速。 专家学者致力于港口机械方面的节能研究，其中重要的一部分是结构机械。在吞吐量占港口货物总量一半以上的散货港口中，门座起重机起着至关重要的作用。 典型的港口起重机在操作过程中会经常处理重物和高高的负载，经常起吊，放倒和变幅。因此，在货物下降过程中会产生大量的能量。 通常，能量通过动态制动消耗（Liu等人，2008），导致高能耗和低效率。如果我们能够将门式起重机操作过程中产生的大量潜在能量转换成可在散货港口使用的电能，那么对于减少能源浪费和合理利用资源具有重要意义（Li等人，2010； Liu和Gong，2010）。然而，由于繁忙的作业，不可能仅出于研究门式起重机节能技术的目的而将门式起重机与一般作业线分离。
DOI: 10.2112/SI73-016.1 received 23 August 2014; accepted in revision 16 November 2014.
*Corresponding author: ningzhao@shmtu.edu.cn
copy; Coastal Education amp; Research Foundation, Inc. 2015
而且，使用真正的门座起重机进行研究的成本非常昂贵。 因此，有必要寻找一种低成本，高精度的方法。 最近，越来越多的仿真技术被用于港口研究。 例如，Kim等。 （2013）使用模拟方法研究了海啸对Koborinai港口的影响。 仿真平台的使用也可以为上述问题提供良好的解决方案。 建立准确的仿真研究平台可以大大降低门式起重机的节能研究成本。
当前，节能研究主要集中在集装箱港口，仅集中在电气或机械节能的一个方面。一些专家只考虑了节能方法。例如，Chang等。 （2010年），Iannuzzi，Piegari和Tricoli（2009年）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等。 （2008）提出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方法。例如，Flynn，McMullen和Solis（2008），Hearn等人。 （2013年）以及Ahrens，Kucera和Larsonneur（1996年）提出在起重机的运行过程中使用飞轮进行能量回收和释放。因此，当前港口机械的仿真主要集中在港口机械的一部分中，无论是电气的还是机械的。结合了这两个部分的平台很少见。 Kinght等。 （2012年）使用SimPower系统建立了门座起重机的电气仿真平台。
通过该平台可以获得电压，电流以及工作过程各个部分的其他变化。 该平台为门式起重机节能技术研究提供了依据。 曹等。 （2010年）通过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的速度控制。 Tandel，Patel和Motiyani（2009）建立了起重机直流驱动的仿真模型，以验证提出的起重机电机驱动可行性的新方法。 Wang等。 （2011年）使用Soildworks建立了一个重量为40吨，高度为33 米的门式起重机的机械结构模型，该模型用于研究变幅过程中铰接点处的应力变化。 Yang，Zhang和Yu（2010）通过虚拟现实技术构建了一个三维模型仿真港口机械，但是这种模拟主要用于教学任务，而不是用于节能机械。
上述港口机械仿真研究仅集中在电气或机械零件上，或者港口机械的整体仿真方法不能轻易用于能效研究。因此，结合门座起重机的特点，并结合节能研究的重点，通过Matlab / simMechanics和Matlab / simPower建立了机械模块，电子模块和驱动模块。并且将这三个模块组合成一个完整的门式起重机仿真平台，实现了门式起重机电气仿真与力学仿真的结合，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变幅机构在不同载荷下的工作情况。实验结果表明，所搭建的门座起重机仿真平台能够快速，准确地模拟工况，为门式起重机的节能研究提供了良好的实验基础。
港口门座起重机的仿真与建模
为了构建仿真平台，首先，分析了门座起重机的机械结构，并根据机构的设计原理，使用Matlab / Simulink来构建门座起重机的机械模块。 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，本文根据动力学方程建立了各种机构的动力学模型，并基于该数学模型在Matlab / Simulink中建立了控制模块。 本文还根据电机工程的相关知识，分析了每种机构的驱动方式，并在Matlab / Simulink中建立了相关的电动机模型。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。 如图2-1所示，使用Matlab / Simulink构建了门座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部分是提供扭矩和速度的电动机模型，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，这是控制系统的变量输入，用于模拟不同的 第5部分是显示在不同负载下最佳变幅时间的屏幕。
控制
控制
模块
电机
模块
仿真
平台
机械
模块
驱动
图 2-1. 仿真平台设计
图 2-2. 整体仿真平台
港口门座起重机的力学仿真模型
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，仅构造了变幅机构以简化模型。 在建立变幅机构模型的过程中，首先根据运动特性建立起组合起重臂，然后根据平衡原理建立起选育模块。 最后，根据传动机构模块的特点，建立了齿轮齿条机构。
图 2-3. 门座起重机的组件
由simMechanics在matlab / Simulink中构建的门座起重机的力学模型如图3-4所示。
第一部分是机械环境设置模块。 该模块是建立机械模型所必需的，并且用于设置主要算法，误差，重力，步长和仿真中的其他参数。 第2部分是机架固定模块。该模块被用作整体的固定点。
图 2-4. 门座起重机的机械模型.
机械模型，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具有一个地模块。 第三部分是带阻尼系数的旋转模块。 该模块用作不同铰链之间的刚性连接。 为了使仿真更真实，考虑了阻尼因素。 第4部分是副臂模块。 该模块用于创建刚体，例如手臂，鼻子，杆，重物等，它是机械模型的基础。 第5部分是位于鼻子头部的传感器模块，用于在整个机械运动中进行检测和观察。 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，关节是理想的模块，没有任何阻力，因此变幅机构将处于周期性振动状态。 每个结点或关节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显示了一个确定弹性K和阻尼系数D的平衡模块。通过计算和测试确定，最佳弹性和阻尼系数为
图 2-5. 平衡模块
图 2-6. 驱动模块的参数设置
109
和
102
驱动模型是整个机制的关键。 起重机的驱动是一种齿条，用于驱动悬臂，而齿条通常由小齿轮驱动。 小齿轮旋转时，齿条一直笔直移动。 其结构如图2-6所示。 因此，本文定 义了一个2自由度的关节以实现从平移到滚动的传递。
建立以上模型后，本文完成了门座起重机仿真的构建。 图2-7是门座起重机的可视化图。 在图2-7中，res机架由图2-4的副臂模块组成。 我们可以从可视化图中观察门座起重机的运行和仿真。
港口门座起重机的电机仿真模块
在本节中，将根据电动机的基本原理在Matlab / Simulink中建立电动机模型。 在门座吊供电系统中，交流电动机通常具有较大的容量，由于启动电流过大，导致电网电压下降，并会影响其他电气设备的正常运行。 因此，通常在电动机中使用降压启动模式以减小启动电流。 本文还使用这种模式来建立电机仿真模型。
图 2-7. 门座起重机的可视化图
传统的降压启动方法包括星形启动和自耦变压器启动等。基于晶闸管交流调压原理的许多软启动控制器已经问世，本文采用这种软启动控制器来控制电动机的启动。 。 软启动控制器可以限制通过电压调节器的启动电流，并且电动机通常显示出很高的启动转矩。 在启动结束时，将通过接触器切断软启动控制器，并且电动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，从而使电动机上的电压从小逐渐变大。
集积分器
信号
匹配
启动
信号
晶闸管三相稳压器
电机
触发
图 2-8. 晶闸管软启动的电气原理图
图2-6显示了整个电动机的已建立模型。有益的是，整个电动机模型包括零件1，电动机，零件2，触发器，零件3，晶闸管控制器，零件4，GI和零件5 Fcn。 根据实际情况建立了电机模型。 触发器为晶闸管控制器提供脉冲。 晶闸管控制器用于调节交流电压以提供电动机启动。
图 2-10. 仿真控制模块 Table 1. 仿真平台的关键参数.
Designation Parameter Unit Elevating capacity 25 (grab) 30.5 (spreader) 40 (hook) t
Working range R10-35 m
Classification grade A8 A6
Working speed
Lifting mechanism Slewing mechanism Luffing mechanism
60/75 (no load) 30 m/min
1.3 r/min
50/30 m/min
Motor Lifting mechanism
Slewing mechanism Luffing mechanism
YZP-335M2-8 2*200 Kw YZR-280M-8
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