重型液压牵引绞车的建模仿真及实验验证

作     者：黄成章 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏建华

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：重载液压牵引绞车 钢缆 轴套力 宏建模 闭式液压系统 RecurDyn-AMESim联合仿真 

摘      要：牵引绞车是工业生产中一种用途广泛的机械设备,在建筑、矿山工程、船舶运输、海洋石油等诸多领域都发挥重要作用。有些牵引绞车需工作在重载且变载的恶劣负载条件下,如海上拖曳系统,这种工况不仅对绞车工作的可靠性、控制性能有较高要求,对钢缆自身的强度及疲劳寿命也有极大考验。基于此,国外学者对重载且多变载荷下的牵引绞车从机械、传动、控制、钢缆寿命等方面都进行了较为细致且深入的研究,而国内类似设备主要依赖进口,因此对重载牵引绞车的研究还不深入,诸如钢缆建模分析及其机械液压系统设计方面的成果也比较有限。本文在前人工作的基础上,结合动力学仿真软件,对重载多变载荷条件下的牵引绞车从机械、传动、控制方面给出了较为系统的分析设计过程。首先针对对负载特性影响较大的钢缆,利用有限元分析思想和轴套力建模方法建立了其仿真模型,并取经典绳索问题对上述钢缆模型进行原理校对,验证建模方法的科学性,从而揭示了负载、钢缆与绞车之间的非刚性力耦合过程;然后文章着眼于重载牵引绞车的机械液压环节,根据上述负载特性给出机械液压驱动及控制系统原理设计,并建立对应的机械-液压系统仿真模型,进而结合钢缆多体模型建立整机的机械-液压-负载模型;最后结合试验数据验证仿真模型的准确性,由此印证了本文工作在重载牵引绞车系统设计及性能分析方面的价值。本文主要由6章组成:第1章绪论介绍了牵引绞车的机械及液压系统、钢缆建模的相关背景,总结了国内外当前在重载牵引绞车、液压驱动系统及钢缆建模方面的研究成果,综合现有研究的不足,介绍了本课题的研究意义。第2章针对重载牵引绞车中钢缆因摩擦力影响而受力复杂的情况,提出使用轴套力为钢缆进行建模的方法,在RecurDyn中使用ProcessNet实现钢缆参数化宏建模的方法,并给出具体实现过程。第3章通过将使用轴套力所建微元化钢缆模型仿真结果与连续体理论的钢缆模型进行比较,验证了模型的科学性。通过悬链线模型验证钢缆模型的姿态;通过绕柱摩擦模型来验证钢缆模型的沿缆摩擦力等等。仿真结果与理论解析值基本吻合,对误差原因也做了相应的分析。第4章在对牵引绞车典型工况和负载特性分析的基础上,采用了闭式液压回路,分别设计了重载牵引绞车和存储绞车的液压驱动系统,确立了重载牵引绞车进行转速控制和存储绞车进行恒张力控制的工作模式。根据绞车设计要求,对主要液压元件进行选型,并校核选型结果。第5章搭建了重载牵引绞车和存储绞车的液压仿真模型,结合上文建立的牵引绞车及钢缆机械模型,进行联合仿真,仿真数据与试验数据基本一致,从而验证了本文所建立模型的准确性,由此模型可揭示设备的内在工作机理,并为类似装备的设计提供理论依据。第6章在对全文工作总结的基础上,提出整体工作中的欠缺和不足,以及需要改进的方面和未来的优化方向。