吊管機(jī)配重自調(diào)節(jié)的方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 琪 ，孫 健 ，王漢成

（1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2江蘇天普重工有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225222）

1 引言

吊管機(jī)是天然氣、石油管道用特種起重施工設(shè)備，在管道布管、焊接、下溝作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用[1]。在吊管機(jī)進(jìn)行起吊作業(yè)時(shí)，為了防止起吊不穩(wěn)或發(fā)生傾覆，吊管機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)一側(cè)設(shè)計(jì)有配重機(jī)構(gòu)，其主要作用是配合機(jī)身重量來(lái)平衡吊管機(jī)起吊較重的重物時(shí)所產(chǎn)生的傾翻力矩。傳統(tǒng)吊管機(jī)對(duì)于配重的控制是通過(guò)單獨(dú)設(shè)置手柄來(lái)控制配重油缸的伸出與收回，繼而控制配重機(jī)構(gòu)的收展動(dòng)作。但由于駕駛?cè)藛T經(jīng)驗(yàn)不足或作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較復(fù)雜，導(dǎo)致很難在行駛和吊管的同時(shí)，兼顧配重的狀態(tài)，因此容易發(fā)生吊管機(jī)側(cè)翻的危險(xiǎn)，造成人員傷害與財(cái)產(chǎn)損失。文獻(xiàn)[2]利用其先進(jìn)的負(fù)載管理系統(tǒng)（LMS）控制吊管機(jī)整車的負(fù)載力矩平衡，駕駛員通過(guò)圖形交互界面了解系統(tǒng)的運(yùn)行，在需要增大負(fù)載或多功能切換的情況下，其吊臂，配重可在短時(shí)間內(nèi)拆裝、更換；文獻(xiàn)[3-4]更新?lián)Q代的PL83，PL87等吊管機(jī)致力于配重系統(tǒng)的優(yōu)化以提升操作穩(wěn)定性，并輔以防傾翻保護(hù)機(jī)構(gòu)來(lái)增加配重收展的安全；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種吊管機(jī)配重自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，主要是將配重手柄開(kāi)關(guān)集成到吊鉤先導(dǎo)手柄上，當(dāng)起重量大于配重所處位置的對(duì)應(yīng)起重量，通過(guò)聲光報(bào)警提醒駕駛員進(jìn)行配重調(diào)整。文獻(xiàn)[5]的方案一定程度上緩解駕駛員的操作壓力，但并未實(shí)現(xiàn)配重自主判斷和調(diào)整。故綜合國(guó)內(nèi)外配重控制研究的發(fā)展情況，設(shè)計(jì)了一種新型吊管機(jī)配重自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)研究配重油缸行程與配重質(zhì)心位置的關(guān)系，結(jié)合DSP控制器建立吊管機(jī)配重自動(dòng)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)化方案。

2 力矩平衡模型建立與控制對(duì)象的提出

吊管機(jī)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)部件包括：機(jī)身機(jī)構(gòu)、吊臂機(jī)構(gòu)以及配重機(jī)構(gòu)，其中機(jī)身包括液壓底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室及主副卷?yè)P(yáng)機(jī)；配重機(jī)構(gòu)則包括配重塊、配重架和四連桿支撐機(jī)構(gòu)。采用力矩法校核抗傾覆穩(wěn)定性[6]，如圖1所示。機(jī)身機(jī)構(gòu)的整體重量為M3，吊臂機(jī)構(gòu)的等效作用力可取在吊臂H的中間位置，設(shè)為M2；吊鉤及吊物的總重為M1，配重的重量為M4。當(dāng)?shù)豕軝C(jī)發(fā)生傾翻的臨界點(diǎn)時(shí)，傾翻線是機(jī)器側(cè)臂一側(cè)的履帶外側(cè)鏈軌的外側(cè)接觸線，即P作為傾翻邊。在無(wú)風(fēng)載荷情況下，為防止發(fā)生傾翻，可對(duì)吊管機(jī)傾翻邊進(jìn)行取矩：ΣM≥0 M3X3+M4X4-M1X1-M2X2≥0

式中：X1—P到吊鉤提升作用線在水平面上垂足間的距離，也稱載荷伸矩；X2—P到吊臂等效質(zhì)心作用線在水平面上垂足間的距離；X3—P到機(jī)身質(zhì)心作用線在水平面上垂足間的距離；X4—P到配重質(zhì)心作用線在水平面上垂足間的距離。

上述關(guān)系式中，M4，M3，M2的質(zhì)量已經(jīng)確定，M1可通過(guò)稱重傳感器直接測(cè)到，X3值固定，X1和X2可通過(guò)角度傳感器測(cè)量并計(jì)算得到，若能找到配重質(zhì)心位移的變化關(guān)系，X4即可確定；而配重質(zhì)心位移的變化是通過(guò)液壓油缸的伸縮動(dòng)作來(lái)完成的，所以若能得到油缸行程變化與配重質(zhì)心水平位置變化的關(guān)系，即可完成整個(gè)關(guān)系式的建立，再通過(guò)控制器進(jìn)行相應(yīng)的配重策略控制。

圖1 力矩平衡圖Fig.1 Moment Balance Model

3 配重質(zhì)心位置與油缸行程關(guān)系

通過(guò)Creo2.0建立配重機(jī)構(gòu)三維模型，如圖2所示。將配重裝配體轉(zhuǎn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境[7]，配重機(jī)構(gòu)的動(dòng)作為兩個(gè)對(duì)稱的液壓油缸推動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)[8-9]向外展開(kāi)和向內(nèi)收回，四連桿與油缸的下連接點(diǎn)通過(guò)銷軸連接固定在相應(yīng)的空間銷孔上。

建立一個(gè)空間坐標(biāo)系，如圖3所示。Y軸即為傾翻邊，X軸為水平面，于油缸活塞桿上設(shè)置一個(gè)作用點(diǎn)N作為油缸行程參考點(diǎn)。所用油缸缸體內(nèi)徑為125mm，行程為500mm，開(kāi)啟重力與油缸作用力，仿真時(shí)間為2.5s，進(jìn)行配重機(jī)構(gòu)由回收狀態(tài)到展開(kāi)狀態(tài)的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析過(guò)程；仿真結(jié)束后取N點(diǎn)為第一測(cè)量點(diǎn)measure1，讀取N點(diǎn)的位移信息，即為油缸的行程變化信息，選取配重機(jī)構(gòu)的質(zhì)心作為measure2，以上述空間坐標(biāo)系為空間原點(diǎn)參照，讀取配重機(jī)構(gòu)質(zhì)心X軸方向的質(zhì)心位置移動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)Creo2.0自帶的測(cè)量工具給出以measure1為橫坐標(biāo)，measure2為縱坐標(biāo)的油缸參考點(diǎn)-質(zhì)心位置數(shù)據(jù)曲線圖，如圖4所示。同時(shí)將檢測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行重新繪制，并給出擬合漸近趨勢(shì)線，如圖5所示。

圖2 配重機(jī)構(gòu)Creo數(shù)字建模Fig.2 Creo Digital Model of Counterweight

圖3 機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)作示意圖Fig.3 Motion Schematic Diagram of Mechanism Simulation

圖4 Creo2.0機(jī)構(gòu)仿真關(guān)系曲線Fig.4 Creo2.0 Relation Curve of Mechanism Simulation

圖5 Matlab數(shù)據(jù)擬合漸近線Fig.5 The Matlab Data Fitting Asymptotic Line

由圖 4、圖5可以得到，在油缸（0～500）mm 變化范圍內(nèi)，質(zhì)心水平方向的位移變化為1625mm，滿足該型號(hào)吊管機(jī)配重的質(zhì)心位移變化需＞1600mm要求；并且油缸的行程變化與質(zhì)心的位置變化大致呈線性比例函數(shù)關(guān)系，比例系數(shù)K為（-3.3350）。

4 試驗(yàn)與分析

Creo機(jī)構(gòu)仿真模擬結(jié)果顯示了配重質(zhì)心位置與油缸行程的關(guān)系，為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)吊管機(jī)起吊試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行配重質(zhì)心位置與油缸行程的實(shí)際數(shù)據(jù)采集與分析。所述起吊試驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。側(cè)板3以下部分均用鋼筋混凝土澆注在地下，2為SMOWO高精度等級(jí)稱重傳感器，量程150000Kg，傳感器下端與起吊平臺(tái)銷孔1相連，上端經(jīng)鋼絲繩或高品質(zhì)吊帶與吊鉤相連，吊管機(jī)起吊重量可直接由顯示控制儀4得到，快速準(zhǔn)確。所述試驗(yàn)環(huán)境無(wú)風(fēng)載，起吊平臺(tái)設(shè)計(jì)額定起吊重量為120t，試驗(yàn)場(chǎng)地為堅(jiān)固而水平的鋼筋混凝土地面，水平坡度小于1%，試驗(yàn)所使用的吊管機(jī)額定起重量為45t。

圖6 起吊試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Lifting Test Platform

具體試驗(yàn)方案為，采用帶配重調(diào)節(jié)手柄的吊管機(jī)，在配重油缸處安裝拉繩位移傳感器，設(shè)定吊臂傾角恒定為60°，配重初始為收回狀態(tài)，通過(guò)分段調(diào)整油缸行程來(lái)調(diào)節(jié)配重的位置，并在每一次調(diào)整過(guò)程中啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行起吊測(cè)試，直至其達(dá)到傾覆載荷的平衡位置，平衡位置具體表現(xiàn)為在特定載荷伸距時(shí)對(duì)吊管機(jī)產(chǎn)生的傾翻力矩，使側(cè)臂對(duì)面履帶上的任一支重輪升離鏈軌面的距離不應(yīng)大于6mm。上述力矩平衡公式中除了配重的質(zhì)心位置無(wú)法確定外，其余數(shù)據(jù)均可在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到，通過(guò)計(jì)算即可得到此次油缸行程下的質(zhì)心到傾翻線的水平距離數(shù)據(jù)。表1給出了油缸在（0～500）mm行程范圍內(nèi)的配重質(zhì)心水平位置變化，并繪制了相應(yīng)的曲線圖，如表1所示。

表1 起吊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental Data of Lifting Test Platform

由圖7中可以明確反映油缸行程與配重質(zhì)心位置呈負(fù)比例線性關(guān)系，比例系數(shù)K為-3.3088；為保證試驗(yàn)的數(shù)據(jù)的可靠性，調(diào)整吊臂的傾角分別在85°和30°時(shí)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果與上述關(guān)系一致，且比例系數(shù)K分別為-3.2976和-3.3259，說(shuō)明這種線性關(guān)系具有良好的適應(yīng)性。

圖7 試驗(yàn)配重質(zhì)心位置-油缸行程曲線圖Fig.7 Curve Graph of Counterweight Barycenter Position and Oil Cylinder Stroke

5 配重自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方案設(shè)計(jì)

5.1 控制原理

由上述工作得到油缸行程與配重質(zhì)心位置變化的關(guān)系，結(jié)合吊管機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)確定的額定起重量，在安全工作的范圍內(nèi)讓控制器驅(qū)動(dòng)配重油缸對(duì)配重實(shí)施自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

5.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器是工程機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行的大腦，本設(shè)計(jì)采用Sauer-Danfoss的行走控制器MC050-010，由于使用了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），可同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)與指令，具有高速運(yùn)算處理能力[10]。自帶模擬量輸入端口，可調(diào)節(jié)范圍為（0～5.25）VDC（帶額外保護(hù)），電源電壓UDC為24V。所采用的位移傳感器為拉繩式位移傳感器，量程為（0～600）mm，無(wú)需改變油缸結(jié)構(gòu)，安裝方便；角度傳感器為雙冗余型（9～30）V 供電，（0～180）°，輸出（0～10）V 電壓信號(hào)；稱重傳感器 24V工作電壓，額定載荷為500kN。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Control System Structure

三種傳感器的電壓輸出信號(hào)直接接入控制器的模擬量輸入端口，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，算法分析后，輸出PWM控制Danfoss PVG32比例閥進(jìn)行換向動(dòng)作，具體動(dòng)作為：信號(hào)電壓（PVES為0.5UDC，比例閥處于中位，油缸不動(dòng)作；信號(hào)電壓（PVES）為0.25UDC，比例閥A口完全導(dǎo)通，油缸活塞桿推出，配重收回；信號(hào)電壓（PVES）為0.75UDC，比例閥B口完全導(dǎo)通，油缸活塞桿收回，配重張開(kāi)；傳感器數(shù)據(jù)及預(yù)警信息皆通過(guò)CAN2.0總線傳給駕駛室內(nèi)的顯示屏以供駕駛?cè)藛T查看。

5.3 控制策略

作為起重型工程機(jī)械，保證其安全作業(yè)是關(guān)鍵，故配重自動(dòng)調(diào)節(jié)應(yīng)在安全起重范圍內(nèi)，即任何時(shí)候都需要首先考慮其在該位置下的額定起重量。其次油缸行程L與配重質(zhì)心位置X4的線性關(guān)系式X4=KL+B可在起吊試驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)得，其中比例系數(shù)K，常數(shù)B通過(guò)幾個(gè)不同配重位置的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到，包括配重處于收回和展開(kāi)兩個(gè)極限位置。

圖9 配重自調(diào)節(jié)控制策略Fig.9 Self-Adjusting Strategy of Counterweight

國(guó)標(biāo)GB/T19928-2005規(guī)定，吊管機(jī)的額定起重量應(yīng)為傾翻載荷的 85%，即 M1X1+M2X2＜0.85*（M3X3+M4X）4，配重自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)策略圖，如圖9所示。Me為配重回收后在載荷伸矩X1處的額定起重量，Mee為配重完全張開(kāi)時(shí)在載荷伸矩X1處的額定起重量，不同載荷伸矩對(duì)應(yīng)不同的額定起重量，由出廠額定起重量表可得，程序中為該型吊管機(jī)在不同載荷伸矩下的兩種額定起重量建立兩個(gè)數(shù)組，起吊時(shí)系統(tǒng)根據(jù)角度傳感器的數(shù)據(jù)從數(shù)組中調(diào)取相應(yīng)的Me和Mee。

當(dāng)?shù)豕軝C(jī)進(jìn)行起吊作業(yè)時(shí)，初始配重是收回狀態(tài)，啟動(dòng)后傳感器即進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳給控制器進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)判斷起重量M1是否超過(guò)該吊臂角度下的額定起重量Me，此時(shí)有兩種情況：

（1）若未超過(guò)額定起重量Me，系統(tǒng)再進(jìn)行一次判斷，分析該起重量下力矩的變化是否在其最小傾翻阻力矩范圍內(nèi)即：M1X1+M2X2＜0.85*（M3X3+M4X4mi）n。其中 X1，X2隨吊臂角度變化而變化，在吊臂角度動(dòng)作范圍內(nèi)都不會(huì)發(fā)生傾翻危險(xiǎn)，則配重?zé)o響應(yīng)動(dòng)作，系統(tǒng)正常工作；若起重量的力矩變化超過(guò)吊管機(jī)最小傾翻阻力矩0.85*（M3X3+M4X4mi）n，則控制器根據(jù)上述線性關(guān)系控制油缸行程L使配重展開(kāi)，配重質(zhì)心位置增加到相應(yīng)位置，使傾翻阻力矩0.85*（M3X3+M4X4min）可以匹配起重量因吊臂角度變化而產(chǎn)生的最大力矩，并且起重量的力矩變化不得大于配重完全展開(kāi)時(shí)的最大傾翻阻力矩0.85*（M3X3+M4X4mi）n，顯示屏給出吊臂的可轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍，當(dāng)角度傳感器檢測(cè)到吊臂張開(kāi)角度超過(guò)安全角度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行吊管機(jī)動(dòng)作限制并進(jìn)行聲光報(bào)警，直至吊臂回收，力矩減小到安全范圍，才能正常工作。

（2）若起重量M1超過(guò)配重收回時(shí)的額定起重量Me，為保證起吊安全，控制器控制油缸行程L，使配重展開(kāi)到最大，若M1小于該位置下的額定最大起重量Mee，則順利起吊，并進(jìn)入配重自動(dòng)調(diào)整與角度監(jiān)測(cè)程序；若M1大于該位置的額定最大起重量Mee，則無(wú)法起吊，限制吊管機(jī)動(dòng)作，并進(jìn)行聲光報(bào)警。當(dāng)起吊作業(yè)完畢后，系統(tǒng)檢測(cè)稱重傳感器處于無(wú)吊重狀態(tài)，配重自動(dòng)收回，等待下次作業(yè)。

6 結(jié)論

根據(jù)吊管機(jī)配重控制方法的現(xiàn)狀與問(wèn)題，從其結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用Creo建立三維模型，并利用機(jī)構(gòu)仿真模塊研究其配重油缸行程與配重機(jī)構(gòu)質(zhì)心位置變化的關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際吊管機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證這一線性關(guān)系的可靠性，由這一關(guān)系設(shè)計(jì)了基于DSP的配重自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的控制方案與策略。該系統(tǒng)在天普重工TP45型吊管機(jī)樣機(jī)上得到應(yīng)用，取得了良好的實(shí)際效果，也為吊管機(jī)配重的智能化控制提供了一種新方法。