在从内燃机转换成电动机的过程中利用仿真技术优化剪式升降机的性能

安全不容忽视

在建筑工地放眼望去，您会看到大量剪式升降机正在执行各种任务。从室内涂漆到室外修葺作业，这类带升降平台的施工升降机必须灵活应对不同的工况挑战，性能表现稳定。

室外项目对这类设备的要求尤为严苛。地面条件有可能泥泞、坑洼不平，很难驾驭。对于泥泞的陡坡，升降机必须具备很好的牵引性能才能应对自如。

另一项关键驱动因素是噪音和排放法规。升降机不可以排放废气，其工作噪音不能超过一定的分贝限制，以保证操作员和全体施工人员的人身安全，特别是进行室内作业时。换言之，工程师需降低发动机和作动系统产生的整体噪音，还要求达到日益严苛的内燃机适用标准。如今更多的城区推行低排放标准，这迫使制造商不得不加快创新步伐，生产替代能源设备。很多情况下，电力驱动是可行的替代方案。

最后，针对建筑设备和升降机，安全不容忽视。这类机器均属于高空作业。因此，稳定性对制造商和终端用户是首要的考量。

您有见到谁会在车库存放剪式升降机吗？

正如施工行业的其他特点一样，80% 的最终电梯客户都不是最终用户本人，而是设备租赁公司。租赁公司需尽可能地向客户提供高性能、多用途的机器。客户并不希望看到的是，在同一建筑工地租用太多种不同的机器。谈到管理租赁设备组，多用途的先进设备被视为一大重要资产。

走近 Pulseo 系列

为了填补市场空白，总部位于法国洛雷特的全球领先起重设备制造商和供应商 Haulotte 率先开发了 Pulseo 新一代全地形电动剪式升降机系列。Pulseo 全电动升降平台可胜任各种室内和室外工作，相较前代内燃机机型，它的性能更加出众。

为了研发新机型，Haulotte 仿真和数字验证部门负责人阿诺·谢涅带领他的工程师团队采用仿真技术，潜心研究各种设计可能，准确预测机器性能。

“仿真让我们能够评估各种创新方案的可行性，充分考虑不同系统的影响要素，例如液压、电动和控件乃至机器稳定性和操作员安全，”谢涅表示。

运用 Simcenter Amesim 的设计架构评估。

选择仿真工具

Haulotte 运用 Simcenter™ 软件工具执行系统和机械仿真。Simcenter 是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的一部分。Haulotte 工程师们利用这些仿真工具，开发出满足市场趋势需求的 12kW 电动剪式升降机系列。相较前代 23kw 内燃机机型，新款升降机系列表现出更优秀的性能。新款电动剪式升降机展现出环保、静音等特色，且整体性能更佳，例如上限升降高度达到 15 米而不是之前的 12 米；载重容量为 750 千克而不是之前的 500 千克。

为了敲定未来 Pulseo 全地形剪式升降机的优化架构，谢涅运用 Simcenter Amesim™ 软件完成系统仿真工作。优化电动机性能在这一研发任务中可谓是高难度的环节之一。不同于传统内燃机机型，要从电动机中获得动力，该团队必须解决更多的设计问题和制约限制。

一开始，谢涅先明确掌握了各个层面的能耗：从发动机到整体结构，包括液压分配。

“我们首先对现有的热系统执行建模，确定能耗较大的部分（绘制能量损失图）”，谢涅表示。“这样做能够定义出适合全电动机器的新架构，让所有的能耗都变得有价值。”

定义优化的系统架构

作为定义优化架构的一部分工作，该团队想方设法确定电动系统的电池规格。

谢涅解释说：“要确定电池的适用尺寸，我们必须研究两大主要领域：一方面，了解日常运行必需的能源总量，另一方面，了解瞬时相位的高功率需求。为了适应功率峰值可能导致设计规格过大，这是其中存在的风险。因此，我们严格管控法规建模，限制这类峰值。”

在分析阶段，谢涅和他的团队观察到功率峰值发生在升降开始的时间点，也就是执行器发动之时。

“要优化电池规格，我们必须研究控制法则，平衡功率峰值，划定升降时间框架。”谢涅表示。“这样就能在整个升降过程中保持恒定的功率水平。”

在 Simcenter 3D 环境中，运用 NX™ Open 软件自定义以流程为导向的工作流工具。

运用 Simcenter 3D Motion 针对机器在运行时的稳定性执行仿真。

运用 Simcenter 3D Motion 确保机器稳定性

各国法规规定，升降机必须保持稳定，无论是运送到作业现场或静置时，尤其是当操作员或工人在平台上活动的时候。

“要提高新款剪式升降机的生产效率，研究它在运输过程中的稳定性很有必要，”谢涅表示。“需研究机器在移动和部署作业时的摆动轴特性，确保整台升降机保持稳定性。”

为了预测所有可能的场景，谢涅和他的团队采用了 Simcenter 3D Motion 软件，研究剪式升降机的动态特性。

“我们通过 Simcenter 动态多体仿真确定剪式升降机的规格，确保机器的稳定性，”谢涅表示。“这样就有可能找到性能和机器重量的优化平衡方案，同时缩短开发时间。”

Pulseo 室外作业中。

仿真民主化

“身为仿真专家，保证我们仿真工具的易用性是我的工作职责之一，”谢涅说。“在 Simcenter 3D 中通过 NX Open 进行各种可能的定制设计，有助于我们整合业务规则和监管规范，为计算提速，降低错误几率。”

当 Haulotte 设计室执行多种稳定性分析时，标准规范在这一过程中起到了主导作用。这里存在的一个问题是：不同地区标准各异，且分析要求涉及不少的可变因素：从环境因素（例如风力）到人为因素（例如操作员影响或设备处理，包括负载位置和工作角度等）。

“我们不仅重视对标准参数的管理，并且努力使我们设计室构建的模型尽可能地具备预测价值，”谢涅解释说。“也就是说，要综合考量影响稳定性的各项参数，例如轮胎特性、实际刚度和重量分布。完成模型定义之后，需参照多种的标准配置，检查稳定性；这一过程可能耗时较长，操作单调繁琐。”

节省时间，化繁为简

为了节省时间并优化稳定性计算分析过程，该团队运用 NX™ Open 软件定制开发了以流程为导向的工作流工具，即适用于 Simcenter 3D 的应用程序编程接口 (API) 自动化模块。

“具体来说，NX Open 支持我们实现自动化数据录入，兼顾各种规范要求。”谢涅说。“在后处理阶段，它为我们提供清晰明确的稳定性信息。如此一来，非 IT 专业人员也可以使用较复杂的 Simcenter 3D Motion 模型。”

协同仿真优化性能

开发电动 Pulseo 系列时，工程团队开展了协同仿真，打造出 Simcenter 三维模型以开展结构和稳定性分析，以及 Simcenter Amesim 系统仿真模型，用以开展能量分析和电池选型。

谢涅解释说：“对于电力驱动机器，能耗至关重要。Simcenter 3D Motion 帮助我们综合考虑运动学、质量分布、摩擦和动态效应，对液压执行器进行动力建模。从中我们真正掌握了相关的深刻洞察，详细了解了这类执行器的压力等级及能量要求等特性。”

该团队需要处理两类协同仿真流程。

“其一，两个软件程序同步运作并交换信息，逐渐形成共同的解决方案，”谢涅说。“其二，我们运用 Simcenter 3D Motion 按照气缸位置生成动力表，然后将这一信息应用于 Simcenter Amesim。”

剪式升降机大多通过多个执行器执行液压操作，整个结构的应力分布变化取决于液压执行器的压力平衡。谢涅说：“协同仿真帮助我们分析正常运转和故障期间的应力，例如软管破裂。从中可以考察负载转移的发生过程及其对液压缸压力的影响。”

运用仿真以减少物理测试活动

“计算和仿真是我们进行理论验证的部分过程，它确保我们的设计在制造出首个原型之前已经达到一定的成熟度，”谢涅说。“但是，测试阶段始终不可或缺。仿真有助于我们确定稳定性方面关键的情况，同时评估机器位置、负载和动力等诸多参数。”

随后在试验时对已确定的关键案例进行验证。

“我们会检查测试结果是否与仿真结果相吻合，”谢涅确认说。“测试-仿真分析循环是完善模型的必要环节。使用仿真模型限制了对原型的需求，因而缩短了物理测试活动用时。”

运用仿真以了解性能行为

“仿真有助于定义整体系统架构，我们将其应用于各个开发阶段，例如解决测试中的故障排除问题。当然，仿真还有助于深度洞察那些不受关注的性能特性及成因，”谢涅解释说。“要精准再现性能，必须针对各种物理现象执行建模。其中包括确定影响参数和即时评估备选方案。通过这种方式，我们能够带着较成熟甚至是明确定义的架构步入原型设计阶段。”

用谢涅的话说，在设计办公室中，关键是不要让仿真分析团队与原型测试团队剥离开来。必须将仿真和测试循环整合到统一的协作流程中，便于及早在测试中发现问题，并尽快利用仿真解决问题。

Pulseo 室内作业中。

优质性能和优化安全性

采用 Simcenter 仿真工具是 Haulotte 新款 Pulseo 电动全地形剪式升降机设计和开发的一大关键密钥。该团队严格遵守所有安全、稳定运行标准，以及噪音排放和空气污染的各种法规条例。得益于 Simcenter 仿真能力，该团队成功打造出令人满意的优越设计，相较于前代内燃机机型，其性能更加上乘。

“凭借 Simcenter 的赋能支持，我们将 23kW 热力发动机转换成 12kW 电动机，与此同时，实现了剪式升降机的整体性能优化。上限升降高度从 12m 升级到 15m，较前代提高了 25%；载重容量从 500 kg 升级到 750kg，较前代加大了 50%，”谢涅总结说。