英语原文共 7 页
|
沿海研究杂志 |
硅 |
73 |
89-94 |
椰子溪，佛罗里达州 |
2015年冬季 |
港口起重机运行的建模与仿真
Liu Haiweidagger;Dagger;，Weijian MiDagger;，Ning ZhaoDagger;*和Yufei Fengsect;dagger;dagger;
上海海事大学物流研究中心，上海201306
上海海事大学物流工程学院，上海201306
上海海事大学集装箱供应链技术工程研究中心，上海201306
上海卫国港口设备有限公司，上海200136
摘要
刘，H。;Mi，W。;Zhao，N。和Feng，Y.，2015。建模和模拟港口门式起重机的操作。在：Mi，W。;李，LH;Hirasawa，K。和Li，W。（编辑），港口和海洋工程的最新进展。Journal of Coastal Research，Special Issue，No。73，pp.89-94。椰子溪（佛罗里达州），ISSN 0749-0208。
随着越来越多的注意力集中在节能，减少港口以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。通常，由于繁忙的港口运营，港口机械不能仅仅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，电机模型和控制模型。并将这三种模型整合到整个仿真平台中，通过模拟港口起重机的起升和变幅操作，分析起重和变幅过程中的功率变化和能耗，提供节能研究基础。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。已经投入使用的机器需要额外的节能系统，以避免因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。专家学者关注港口机械方面的节能研究，其中重要的部分是建筑机械。在散货港口，其吞吐量占港口货物总量的一半以上，门式起重机起着至关重要的作用。典型的港口起重机可以在操作过程中经常处理重量大，高度高，起重，放下和 变幅的负载。因此，在货物下降过程中可以产生大 量的能量。通常，动能制动消耗能量（Liu et al。，2008），导致高能耗和低效率。如果我们能够将门式起重机运行过程中产生的大量势能转化为可用于散货港的电能，那么减少能源浪费和合理利用资源具有重要意义（Li et al。，2010; Liu） 和龚，2010）。
但是，由于繁忙的操作，不可能门式起重机与一般作业线离婚仅仅是为了研究门式起重机节能技术。更重要的是，使用真正的门式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。最近越来越多的仿真技术被用于港口研究。例如，Kim等人。（2013）使用模拟方法研究海啸对科博里奈港的影响。模拟平台的使用也可以为上述问题提供良好的解决方案。建立精确的仿真研究平台，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，其中大多数只关注电气或机械节能的一个方面。一些专家只考虑了电能节电方法。例如，Chang等人。（2010年），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，一些专家只考虑机械节能方法。例如，Flynn，McMullen和Solis（2008），Hearn等。（2013）和Ahrens，Kucera和Larsonneur（1996）提出在起重机的操作过程中通过使用飞轮进行能量回收和释放。因此，目前港口机械的模拟主要是港口机械的一部分，无论是电气还是机械。结合这两个部分的平台很少见。Kinght等。（2012）使用SimPower Systems建立门式起重机的电气仿真平台。
通过该平台可以获得工作过程中各个部分的电压，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。曹等人。（2010）通过非奇异终端滑模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，以验证所提出的起重机电机驱动可行性的新方法。王等人。（2011）使用Soildworks建立了一个基于40吨重和33米高的门式起重机的机械结构模型，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三维模型仿真端口机械，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仅关注电气或机械部件，或港口机械的整体模拟方法不能轻易用于能效研究。因此，结合龙门起重机的特点，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。并将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负载下变幅机构的工作情况。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。
港口门式起重机仿真建模
为构建仿真平台，首先分析了龙门起重机的机械结构，并利用Matlab / Simulink建立了基于机构设计原理的龙门起重机械模块。并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了各种机构的动力学模型，并在此基础上建立了Matlab / Simulink控制模块。本文还根据电气工程的相关知识，分析了各机构的驱动方式，并在Matlab / Simulink中建立了相关的电机模型。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，利用Matlab / Simulink建立了门式起重机节能研究的仿真平台，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，它是控制系统的可变输入以模拟不同的加载，第5部分是显示不同载荷下最佳变幅时间的屏幕。
控制
模
发动机
模
模拟平台
Mechaincal模块
控制
驾驶
图2-1。仿真平台设计。
图2-2。整体仿真平台。
港口起重机机械仿真模型
如图2-3所示，龙门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，仅构建变幅机制以简化模型。在构建变幅机构模型的过程中，首先根据运动特征建立组合臂，然后根据平衡原理建立育种模块。最后，基于传动机构模块的特性建立齿轮齿条机构。
图2-3。龙门起重机的组成部分。
simMechanics在matlab / Simulink中建立的龙门起重机的机械模型如图3-4所示。
第1部分是机械环境设定模块。该模块是建立机械模型所必需的，它用于设置模拟中的主算法，误差，重力，步长和其他参数。第2部分是机架固定模块。该模块用作整体的固定点。
图2-4。龙门起重机的力学模型。
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部分是带阻尼系数的转速模块。该模块用作不同铰链之间的刚性连接。为了使模拟更真实，考虑了阻尼因子。第4部分是jib模块。该模块用于制造刚体，例如臂，鼻子，杆，重物等，它是机械模型的基础。第5部分是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了驱动力。
在Matlab / Simulink中，关节是一个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。每个交叉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，最佳弹性和阻尼系数是10的负9次方和负2次方。
供电系统中，交流电动机通常容量较大，由于启动电流过大导致电网电压下降，对其他电气设备的正常运行会造成影响。因此，通常在电动机中使用降压启动模式以减小启动电流。本文还使用该模式建立了电机仿真模型。
图2-5。平衡模块。
图2-6。驱动模块的参数设置。
驱动模型是整个机制的关键。起重机的驱动器是一种驱动臂架的机架，机架通常由小齿轮驱动。小齿轮旋转时，齿条直线移动。其结构如图2-6所示。因此，本文定义了一个2自由度的关节，以实现从平移到滚动的传递。建立上述模型后，本文完成了门式起重机仿真的构建。图2-7是门式起重机的可视化图。在图2-7中，res机架由图2-4的悬臂模块构成。我们可以从可视化图中观察龙门起重机的操作和模拟。
港口起重机电机仿真模块
在本节中，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
图2-7。龙门起重机可视化图。
传统的降压启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稳压原理的软启动控制器问世，本文采用这种软启动控制器来控制电机启动。软启动
控制器可以限制通过稳压器的启动电流，电机通常显示高启动转矩。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变化，使电机上的电压从小到小逐渐上升到大。
设置集成器
信号匹配
触发
发动机
启动信号
晶闸管三相稳压器
图2-8。晶闸管软启动的电气原理图。 图2-6显示了整个电机的建立模型。
有资料的是，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。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起动。
模块组合成一个完整的模拟平台。整个仿真平台基于40 t-30 m门式起重机的参数建立，如表3-1所示。
图2-10。控制仿真模块。 表1.仿真平台的关键参数。
指定 参数 单位
提升能力 25（抓斗）30.5（吊具）40（吊钩） t
工作范围 R10-35 m
分类等级 A8 A6
工作速度
提升机构回转机构变幅机构
60/75（空载） 30 米/分钟
1.3 转/分
50/30 米/分钟
发动机 提升机制
回转机构变幅机构
YZP-335M2-8 2*200 Kw YZR-280M-8 2 * 55千瓦
yzp2-280 m0-8 55千瓦
图2-9。龙门起重机电机仿真模型提升高度
Above rail 18（抢） 28（勾） m
铁轨下面 16
港口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理的基础上建立的动力学模型。吊装机构是一个重要机制，其作用是提升货物。提升机构通常由驱动器，制动器，传动装置，卷绕装置和其他部件组成。图2-10是控制模拟模块根据龙门起重机的组成和公式解决2.2节中的最佳变幅时间。
上面建立的控制模块可以控制3.1和3.2中建立的机械模型和电机模型，为整个模拟奠定了基础。
仿真模型验证
本文使用MATLAB / Simulink构建了机械模块，电机模块和控制模块。这三个
安装容量 635 千瓦
表1是40吨龙门起重机的功率和高度之间的关系图，不同载荷分别为10吨，20吨，30吨和40吨。
从图中可以看出，功率与负载质量成正比，与高度的平方成正比，这是从纵坐标可以看出，功率在开始时会在短时间内增加，但随着高度的增加逐渐趋于平稳。直道交叉口图中的线条和曲线显示了所需的高度在不同负载下的所需功率下。如图3-2所示，可以在仿真平台中观察到最大和最小变幅下的运行状态。在变幅过程中，可以通过安装在机头上的传感器观察运动路径。图3-3显示了在32吨载荷下龙门起重机机头的运动路径。
h
图3-1。提升机构的功率图。
图3-2。门式起重机的最大和最小变幅。
图3-3。龙门起重机变幅曲线。
从图3-3中门式起重机的振幅曲线可以看出，变幅过程的模拟不是严格的线性运动
资料编号：[4611]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
