基于键合图理论的桥门式起重机起升机构能耗模型

本文以桥门式起重机起升机构的能耗分析为研究对象，依据键合图理论建立了一种适用性广泛的键合图模型。归纳出相关零部件建模所需的键合图元，不同型号起重机机构进行参数替换后直接进行分析。同时本文还提出了一种对各阻性元件阻尼参数进行估算的方法，并经仿真实验证实了该方法的有效性。提出了桥门式起重机各零部件能效对整体能效的影响因数计算公式，得到起升机构各零部件对整体能效具体影响因数。

起重机械作为一种高能耗特种设备，在港口、船厂、堆场及仓库等场所被广泛应用，涉及的工业领域包括能源、电力、交通、造船、冶金以及石化等。其中桥门式起重机具有自重大、作业频次高等特点， 其油耗和电耗较高，存在的能源浪费的问题比较严重，而起升机构是桥门式起重机使用最频繁的工作机构也是能耗最大的工作机构。因此舟山市特种设备检测研究院联合武汉理工大学对舟山地区起重设备进行测试调研，深入研究桥门式起重机能耗变化规律，找出起升机构各部件对整体能效的影响因数，有利于有针对性而高效地提升起重机能源利用效率。

针对起重机能效问题，叶伟提出“灰箱理论”的桥式起起重机能耗检测方法，直接对三大机构的输入功率与输出功率进行测量，从而计算得出各机构的效率，并作为各部件的能效影响因数[1]，但该方法严重依赖于对功率的实测不具有普遍性的参考价值。陈瑞峰以桥式起重机作为研究对象，通过对起重机的机械机构进行理论分析，利用多元回归分析的方法完成了对桥式起重机能耗的评价和分级[2]，但该方法较为简易，准确性难以保障。

也许多研究人员根据键合图理论建模，并在诸多领域解决了机械的动力学、能耗问题。Lee 等以液压挖掘机为研究对象，依据键合图理论对液压起重机进行建模[3]，文中提出了通过其它数据间接计算未知参数，并通过大量的实验数据进行参数拟合的方法，该方法过于依赖数据的数量与准确性。Luo 等依据键合图理论，以啮合刚度和扭转刚度为主要指标建立了谐波齿轮、行星、太阳轮子动力模型，并通过仿真实验解决了行星齿轮组的扭转运动状态问题[4]。王艾伦等提出以键合图理论对多种能量耦合的机电系统进行建模，解决了部分机电系统建模复杂且精度无法保障的问题[5]。任福深等运用键合图理论建立了水龙头旋扣和轨道钳系统的键合图模型，通过20-Sim 软件进行动态仿真，并通过实验数据与仿真数据的对比验证了键合图模型的准确性[6]。刘升等以重型车为研究对象，探究复杂工况下的传动系统能量损耗，建立了各种类型的数学模型，然后基于键合图理论对整个系统进行了能量流分析后，建立了整个传动系统的能耗模型[7]。除此之外，近年来还有许多研究也在机电系统的键合图理论建模领域中展开[8]-[12]。

由于桥门式起重机起升机构中涉及电能、机械能等多种形式的能量传递、转化过程，一般的建模方