液压启闭机-弧形闸门耦合动力学仿真与抑振研究.pdf

姚怀智，刘放，余刚毅,等.液压启闭机-弧形闸门耦合动力学仿真与抑振研究J.机械科学与技术，2023，42（8）：1178-1183液压启闭机-弧形闸门耦合动力学仿真与抑振研究姚怀智，刘放，余刚毅，郑雪楷，杨言，魏文清（西南交通大学机械工程学院，成都610031）摘要：针对液压启闭机-弧形闸门，为研究其振动传递并提出有效抑振措施。本文通过建立其三维实体模型，并建立其动力学方程，理论分析液压油的刚度阻尼特性，在 Simpack 中建立液压启闭机-弧形闸门耦合动力学仿真模型，并以液压系统为振动源，通过设置基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器并进行参数优化来抑制振动传递，结果表明：基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器能有效抑制振动的传递，并得到两阻尼器刚度与阻尼的优势区间，基座隔断阻尼器刚度为 11041105N/mm，阻尼为 1002000Ns/mm；闸门隔断阻尼器刚度为 11045105N/mm，阻尼为 1002000Ns/mm。关键词：液压启闭机；弧形闸门；动力学仿真；参数优化；抑振中图分类号：TV664文献标志码：ADOI：10.13433/ki.1003-8728.20220054文章编号：1003-8728（2023）08-1178-06Study on Dynamic Simulation and Vibration Suppression of HydraulicHoist and Arc Gate CouplingYAOHuaizhi，LIUFang，YUGangyi，ZHENGXuekai，YANGYan，WEIWenqing(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract：Inordertostudythevibrationtransmissionofhydraulichost-arcgate,theeffectivevibrationsuppressionmeasuresareputforward.Inthispaper,throughtheestablishmentofthethree-dimensionalentitymodel,thedynamicequationofhydraulichost-arcgateisestablished,andthestiffnessdampingcharacteristicsofthehydraulicoilistheoreticallyanalyzed.Takingthehydraulicsystemasthevibrationsource,thehydraulichoist-couplingdynamicssimulationmodelofradialgateisestablishedinSimpack,andparametersofthebasepartitiondamperandgatepartitiondamperareoptimizedtosuppressthesystemvibration.Theresultsshowedthat:Thebasepartitiondamperandgatepartitiondampercaneffectivelysuppressvibrationtransmission,andthedominantrangeofstiffnessanddampingofthetwodampersisobtained,wherethebasepartitiondamperstiffnessis1104-1105N/mm,andthedampingis100-2000Ns/mm;therigidityofthegatepartitiondamperis1104-5105N/mm,andthedampingis100-2000Ns/mm.Keywords：hydraulichoist；arcgate；dynamicssimulation；parametersoptimization；vibrationsuppression水力发电领域已经应用了许多新技术和新装备，其中在大型水力发电站中，液压启闭机及其配套的弧形闸门以其优良的性能应用越来越广泛。液压启闭机及弧形闸门是水力水电建筑用来控制大坝水位，调节流量不可缺少的水工部件，其结构安全性、机构灵活性和系统稳定性等工作可靠性指标是实现闸门启闭的关键因素。液压启闭机及闸门在运动过程中，由于液压脉动、爬行或者机械系统加工、制造及装配误差等因素，启闭机及其闸门在启闭过程中会出现不明原因间断的振动，并伴随着噪音。机器发生振动会使得机器更易疲劳，减少机器的使用寿命。因此，对液压启闭机振动产生、传递的研究，提出有效的减少振动的措施及方案，提高启闭设备的可靠性，是十分必要的。马希青等1建立了门式启闭机的动力学模型，并进行 ADAMS 分析得到其动态特性；苗明等2通过对门式启闭机起升全过程进行动力学仿真，得到了位移、应力以及各连接件之间的作用力的动态特性；李海树等3对字闸门启闭机的整个开闭过程进收稿日期：2021-05-11作者简介：姚怀智（1997），硕士研究生，研究方向为机械结构及动力学，通信作者：刘放，副教授，博士，研究方向为机械动力学及优化设计，2023 年8 月机械科学与技术August2023第 42 卷第 8 期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringVol.42No.8http:/ 等5利用 SimHydraulics 软件建立了伺服液压缸的动态仿真模型，数值模拟和实验结果表明，伺服液压缸的非线性振动主要是由激振力，弹力和摩擦力引起的；Guan 等6提出了新型液压支架系统，并运用运动学矢量闭环建模方法和 DAlemberts 原理，得到了液压支撑广义坐标与几何关系的方程，得到位置参数，建立多元自由度分析模型，分析结果表明结构的安全性极大提高了；宁辰校等7对液压启闭机的振动来源进行了定性分析，液压系统是振动的主要来源，并提出了一系列抑振措施。以上研究，虽对启闭机及相关设备建立了动力学模型，并得到整体的振动特性，但对振动源以及振动的传递与抑制并未深入研究，本文将运用 Simpack 软件建立液压启闭机-弧形闸门的动力学模型，并以液压系统为振动源，着重研究振动的传递并提出有效的抑制措施。1 动力学建模本文以某水电站液压启闭机-弧形闸门实物，用Solidworks 建立其详细的三维实体模型，如图 1 所示，其主要由固定基座、转动基座、液压缸体、活塞、活塞杆、弧形闸门总成、闸门固定座组成。液压缸体转动基座固定基座活塞活塞杆弧形闸门总成闸门固定座O1Z1X1Y1O2Z2X2Y2图1液压启闭机-弧形闸门三维实体模型Fig.1Three-dimensionalsolidmodelofthehydraulichoistradialgate通过对液压启闭机-弧形闸门下落过程进行力学分析，以液压启闭机为研究对象，建立其动力学方程8-9为m x+F1+F2+Ff+G1=p1A1 p2A2（1）mx式中：为活塞、活塞杆及其负载的总质量；为活塞F1F2FfG1p1p2A1A2位移；为液压油黏性力；为液压油弹性力；为摩擦力；为闸门给活塞杆的负载力；、为无杆腔和有杆腔的压力；、为无杆腔和有杆腔的活塞有效作用面积。液压系统作为振动源时，液压油具有一定的吸振作用，视液压油为具有刚度 k 与阻尼 c 的线性阻尼弹簧，油液两端由于液柱长度及大小的不同，其刚度变化10为k(x)=A21KA1L1+VL1+A22KA2(LL1)+VL2（2）VL1VL2式中：K 为液压油体积弹性模量；L 为液压缸额定工作行程；L1为无杆腔液柱长度；为阀到无杆腔之间管道内油液体积；为阀到有杆腔之间管道内油液体积。x液压系统振动源使活塞在 x 处以 y=的位移振动，液压油柱刚度在活塞位移 x 处用泰勒级数展开，并忽略高阶无穷小量11，活塞位移 x 处液压油弹性力F2为k(x+y)y=k(x)y+k(x)y2+k(x)y3/2（3）结合式（1）与式（3），液压启闭机-弧形闸门活塞在位移 x 处的动力学方程化为m y+c y+k(x)y+k(x)y2+k3(x)y3/2+Ff(v)+G1=p1A1 p2A2（4）Ff(v)式中：c 为阻尼系数；为活塞位移速度为 v 时的摩擦力；v 为活塞速度。2 液压启闭机-弧形闸门多体动力学模型结合上一节的理论分析，通过多体动力学软件Simpack 建立将液压启闭机-弧形闸门的动力学仿真模型，其二维拓扑图如图 2 所示。1551111112211111233111111120ABI XYZ20AD XYZ2543 XYZ2543zxz43252o21212z20AD XYZ$B_固定基座Rigid$B_基座隔断阻尼器 Rigid$B_闸门固定座 Rigid$B_转动支座Rigid$B_液压缸体Rigid$B_活塞Rigid$B_活塞杆Rigid$B_弧形闸门总成Rigid图2液压启闭机-弧形闸门的动力学仿真模型Fig.2Dynamicsimulationmodelofthehydraulichoistradialgate第8期姚怀智，等:液压启闭机-弧形闸门耦合动力学仿真与抑振研究1179http:/ 12，螺栓刚度数量级为 106N/mm；环形弹簧阻尼器在土木、机械结构中具有良好的减震效果13-14，在固定基座与转动基座之间添加基座隔断阻尼器；转动基座与液压缸体之间为旋转铰接约束；液压缸体与活塞之间充满液压油，液压油由上一节计算分析为有刚度 k 和阻尼 c 的弹簧，两者之间采用弹簧阻尼约束；活塞与活塞杆之间采用固定约束，液压振动激励施加在活塞上；环形阻尼弹簧具有优良的阻滞性能15，在活塞杆与弧形闸门总成之间采用隔断阻尼器进行连接；弧形闸门总成与闸门固定座之间均采用旋转铰接约束；闸门固定座固定在地基上。3 正弦激励下液压启闭机-弧形闸门动力学响应当机械系统存在动力源时，振动会从动力源随传动系统传递到各零部件，各零部件在此受迫振动下会有不同的动力响应，动力响应导致各零部件的循环应力次数显著增加，进而影响其使用寿命，减少结构运行的可靠性。本节将对系统存在正弦振动源时，对液压启闭机-弧形闸门关键零部件进行动力学仿真分析，并构建阻尼系统，降低其动力学响应，提高系统结构安全性，机构可靠性。在进行液压启闭机-弧形闸门的动力学分析之前，通过现场实验对液压启闭机的各部分振动数据，图 3 所示为，现场液压系统压力测定图，图 4 为液压启闭机关闭闸门过程中 t=313.5313.7s 时有杆腔油压时域变化图，由此可知，其液压脉动成正弦规律变化，平均压力为 0.3226MPa，脉动幅值为 0.04MPa，脉动频率为 80Hz。图3现场液压系统压力测定图Fig.3Pressuremeasurementdiagramoftheon-sitehydraulicsystem313.50313.55313.60313.65313.70t/s0.380.36P/MPa0.340.320.300.28图4关闭闸门有杆腔油压时域变化图Fig.4Time-domainvariationofoilpressureintherodchamberduringgateclosure本文把液压系统作为振动源，液压油的脉动是振动的主要来源，在研究液压启闭机-弧形闸门耦合运行时，在活塞处施加幅值为 5mm 和频率为 80Hz的正弦位移激励，分析振动向液压启闭机固定基座与弧形闸门两个方向的传递与响应。本文主要讨论 3 种情况下液压启闭机-弧形闸门耦合运行的振动响应：工况 1：系统无阻尼。工况 2：施加液压油刚度与阻尼。工况 313：施加液压油刚度与阻尼，并在固定基座与转动基座之间添加基座隔断阻尼器，活塞杆与弧形闸门总成之间采用闸门隔断阻尼器。本文以固定闸门重心所在水平线为 x 轴建立坐标系 O1X1Y1Z1，以闸门固定座与闸门总成连接铰点位置建立坐标系 O2X2Y2Z2。在工况 1 下，如图 5 所示为系统达到稳定状态时，液压启闭机固定基座质心相对于坐标系 O1X1Y1Z1在竖直 z 方向上的位移响应，其振动位移在1.21.2mm 周期性波动，位移幅值达 1.2mm，振动速度幅值为 580mm/s，加速度幅值高达 3105mm/s2；如图 6 所示为系统达到稳定状态时，弧形闸门质心相对于坐标系 O2X2Y2Z2在 y 轴的角位移响应，其角位移幅值为 0.00045rad，角速度幅值为 0.214rad/s，角加速度幅值高达112.74rad/s2。195.0195.2195.4195.6195.8196.0t/s1.51.0Z 位移/mm0.500.51.51.0图5液压启闭机固定基座竖直方向位移响应Fig.5Theverticaldisplacementresponseofthehydraulichoistfixedbase1180机械科学与技术第42卷http:/ 21.286 0角位移/rad1.285 81.285 61.285 41.285 2图6弧形闸门质心角位移响应Fig.6Theangulardisplacementresponseoftheradialgatecentroid对以上工况依次进行动力学分析，并对固定基座与转动基座之间的隔断阻尼器和活塞杆与弧形闸门总成之间的闸门隔断阻尼器，进行参数设计，最大程度降低固定基座与弧形闸门的动力响应。首先，计算分析工况 1 与工况 2 时，液压启闭机固定基座与弧形闸门的振动响应；其次，固定基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器的阻尼值，变化两者的刚度值，液压油刚度阻尼及基座隔断阻尼器、闸门隔断阻尼器刚度参数变化如表 1 中工况 37 所示，各部件达到稳定状态时，液压缸固定基座竖直方向动力响应幅值随刚度参数变化如图 7 所示，弧形闸门质心动力响应幅值随刚度参数变化如图 8 所示，可以看出从无阻尼到液压缸阻尼再到 3 个阻尼器协同作用，固定基座竖直位移响应幅值从 1mm 下降到 1103mm，闸门角加速度响应幅值均从 112.740.05rad/s2，成数量级下降趋势，说明液压油刚度阻尼、固定基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器可有效抑制系统振动。表 1 工况 1 7 各阻尼器参数及各部件稳定时间Tab.1Damperparametersandstabilitytimeofeachcomponentforoperatingconditions1-7工况基座隔断阻尼器闸门隔断阻尼器基座稳态时间/s闸门稳态时间/s刚度/104(Nmm1)阻尼/(Nsmm1)刚度/105(Nmm1)阻尼/(Nsmm1)1无阻尼552液压缸阻尼19.00.12002003液压缸阻尼+基座隔断阻尼器+闸门隔断阻尼器1.0100.11016019041.0101.01010016055.0102.010150190610.0105.010190200750.01010.010500500100.20.20.40.60.81.01.21.4234576工况幅值位移/mm速度/103(mms1)加速度/106(mms2)图7固定基座竖直方向动态响应幅值随刚度参数变化图Fig.7Variationindynamicresponseamplitudeintheverticaldirectionofthefixedbasewiththestiffnessparameter101.00.50.51.52.02.53.0234576工况幅值角位移/102 rad角速度/(rads1)角加速度/102(rads2)图8弧形闸门质心动力响应幅值随刚度参数变化Fig.8Variationindynamicresponseamplitudeoftheradialgatecentroidwiththestiffnessparameter为了更好地抑制系统的振动，本文将继续优化固定基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器的参数，从图 7图 8 中，可以得到，在固定阻尼时，变化两阻尼器一系列刚度系数，基座隔断阻尼器在刚度为 11041105N/mm 时，闸门隔断阻尼器在刚度为 11045105N/mm 时，液压缸固定基座竖直动力响应幅值与弧形闸门质心动力响应幅值均处于低值区间。为进一步确定基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器的临界阻尼，在低值区间，优选基座隔断阻尼器在刚度为 1104N/mm，闸门隔断阻尼器在刚度为 1105N/mm，分析在不同阻尼参数下，液压缸固定基座的动力响应与弧形闸门质心动力响应，基座隔断阻尼器、闸门隔断阻尼器阻尼参数变化如表 2所示，各部件达到稳定状态时，如图 9 所示为阻尼参数变化下液压缸固定基座竖直动力响应，如图 10 所示为刚度参数变化下弧形闸门质心动力响应。可以得到，基座隔断阻尼器在阻尼为 11022103Ns/mm，闸门隔断阻尼器在阻尼为 11022103Ns/mm时，液压缸固定基座竖直动力响应与弧形闸门质心动力响应均处于低值区间。第8期姚怀智，等:液压启闭机-弧形闸门耦合动力学仿真与抑振研究1181http:/ 2 工况 8 13 各阻尼器参数及各部件稳定时间Tab.2Damperparametersandstabilitytimeofeachcomponentforoperatingconditions8-13工况基座隔断阻尼器闸门隔断阻尼器基座稳态时间/s闸门稳态时间/s刚度/104(Nmm1)阻尼/(Nsmm1)刚度/105(Nmm1)阻尼/(Nsmm1)8液压缸阻尼+基座隔断阻尼器+闸门隔断阻尼器1.00.11.00.130043091.011.01450500101.0101.010100160111.01001.01002020121.010001.0100022131.020001.0200011800.040.020.060.080.120.10910111213工况幅值位移/mm速度/103(mms1)加速度/106(mms2)图9固定基座竖直方向动态响应幅值随阻尼参数变化图Fig.9Variationindynamicresponseamplitudeintheverticaldirectionofthefixedbasewiththedampingparameter800.10.10.20.50.40.3910111213工况幅值角位移/101 rad角速度/(rads1)角加速度/10(rads2)图10弧形闸门质心动力响应幅值随阻尼参数变化Fig.10Variationindynamicresponseamplitudeoftheradialgatecentroidwiththedampingparameter在基座隔断阻尼器在阻尼为 2103Ns/mm，闸门隔断阻尼器在阻尼为 2103Ns/mm 时，系统动力响应衰减达到临界状态，即系统只经过一次衰减就达到平衡状态。如图 11 所示为无阻尼与临界阻尼状态下液压启闭机固定基座在竖直方向上的位移响应，无阻尼状态下 02s 内，其振动位移幅值为 2.2mm，振动速度幅值为 1673mm/s，加速度幅值为 1.462106mm/s2，临界状态下 02s 内，其振动位移幅值为 1.59103mm，振动速度幅值为 1.2mm/s，加速度幅值为 2587mm/s2，添加临界阻尼后，基座动力响应成数量级下降；如图 12 所示为无阻尼与临界阻尼状态下弧形闸门质心的角位移响应，无阻尼状态下02s 内，其角位移幅值为 0.0026rad，角速度幅值为 2.54rad/s，角加速度幅值为 2543rad/s2，临界状态下稳定后，其角位移幅值为 0，角速度幅值为 1.6105rad/s，角加速度幅值为 0.195rad/s2，添加临界阻尼后，闸门动力响应成数量级下降。00.51.01.52.0时间/s3120132基座重心位移/mm无阻尼临界阻尼图11无阻尼与临界状态固定基座竖直方向位移响应Fig.11Theverticaldisplacementresponseofthefixedbaseintheundampedandcriticalstates00.51.01.52.0时间/s1.231.251.241.261.271.291.28闸门质心角位移/rad无阻尼临界阻尼图12无阻尼与临界状态弧形闸门质心角位移响应Fig.12Theangulardisplacementresponseoftheradialgatecentroidinundampedandcriticalstates在 80Hz 正弦激励下，通过优化基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器参数，液压缸固定基座竖直动力响应与弧形闸门质心动力响应均下降了 24 数量级，得到两阻尼器刚度与阻尼的优势区间。为验证此优势区间对于不同频率激励的适应性，取一组优化参数：基座隔断阻尼器刚度为 1104N/mm，阻尼为 2103Ns/mm；闸门隔断阻尼器刚度为 1105N/mm，阻尼为 2103Ns/mm。在液压活塞上，分别施加位移 5mm，频率 20Hz 的低频激励；位移5mm，频率 200Hz 的高频激励；液压启闭机固定基座在竖直方向上的位移响应与弧形闸门质心的角位移响应如下：两种工况均在 1s 后达到稳定状态，20Hz低频激励下，基座振动位移幅值为 3.98103mm，弧形闸门质心的角位移幅值为 3.5105rad；200Hz1182机械科学与技术第42卷http:/ 5.28105mm，弧形闸门质心的角位移幅值为 0。由上述验证可知，在所得的基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器参数优势区间内，对多频率激励下的液压启闭机-闸门的振动有适应性，提高了机构安全性与机构稳定性。4 结论本文通过对液压启闭机-弧形闸门进行耦合动力学仿真分析，首先建立了液压启闭机-弧形闸门的三维实体模型；其次对其进行动力学分析，并分析了液压油的刚度阻尼特性；最后在 Simpack 中建立了系统动力学仿真模型，并以液压系统为振动源，仿真振动传递过程，并提出设置基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器的方式抑制振动向固定基座和向闸门的传递，并优化阻尼器参数，得出结论：1）液压油具有良好的吸振性能，其刚度和阻尼在实际分析中不能被忽略。2）基座隔断阻尼器和闸门隔断阻尼器能够有效的阻断由液压系统引起的振动，优化两个阻尼器的刚度与阻尼参数，得到其优势区间：基座隔断阻尼器刚度为11041105N/mm，阻尼为1002000Ns/mm；闸门隔断阻尼器刚度为 11045105N/mm，阻尼为 1002000Ns/mm。其区间取值在 20200Hz的频率激励中均具有良好的抑制适应性。参考文献 马希青,郭巍巍,郭亮,等.基于ADAMS的门式启闭机动力学仿真分析J.机电产品开发与创新,2012,25（6）:88-90.MAXQ,GUOWW,GUOL,etal.ThedynamicssimulationanalysisofgantryhoistbasedonADAMSJ.Development&InnovationofMachinery&ElectricalProducts,2012,25（6）:88-90.（inChinese）1苗明,李益琴,祁燕燕,等.基于ADAMS的门式启闭机虚拟样机建模及起升工况的动力学仿真J.起重运输机械,2009（5）:22-25.MIAOM,LIYQ,QIYY,etal.Modelingofvirtualprototype of gantry crane based on ADAMS anddynamicsimulationofhoistingconditionJ.Hoistingand 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