液壓驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 磊

(秦皇島優(yōu)益重工科技有限公司，河北 秦皇島 066000)

0 前言

隨著工業(yè)及基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，越來越多的起重機(jī)械將投入到國民生產(chǎn)生活中。作為起重機(jī)的核心部件之一起升機(jī)構(gòu)，其性能優(yōu)劣直接影響起重機(jī)的性能指標(biāo)。目前主流的起升機(jī)構(gòu)有兩種，一種采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一種采用液壓驅(qū)動(dòng)。生產(chǎn)中部分液壓驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)使用壽命短、易損壞的問題，本文通過調(diào)整制動(dòng)系統(tǒng)各部件的響應(yīng)時(shí)間以及PID的控制參數(shù)，減少利用制動(dòng)系統(tǒng)的制停時(shí)間，從而減少對制動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。

1 系統(tǒng)原理

液壓驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)主要由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、鉗盤制動(dòng)器、卷筒等組成。以目前高鐵建設(shè)主要起重設(shè)備900 t輪胎式起重機(jī)為例，其主要受力包括，提升總載荷Q1，其為800 t的混凝土預(yù)制箱梁；其他載荷Q2，其為20 t的吊索、吊具及吊鉤。機(jī)構(gòu)采用4點(diǎn)起吊，鋼絲繩倍率n為24，所以單個(gè)卷揚(yáng)機(jī)起升力F為

F=(Q1+Q2)/4n

(1)

卷筒直徑D為1 100 mm，所需扭矩T為

T=FD/2

(2)

由式(1)與(2)可知扭矩T為46 980 N·m。選用某品牌GFT 110系列減速機(jī)，減速比i為215，額定扭矩110 000 N·m。液壓馬達(dá)扭矩Tg為

(3)

式中，Vg為馬達(dá)排量；△P為馬達(dá)兩端壓差；η為效率；根據(jù)工作狀態(tài)綜合選取馬達(dá)排量為107 cm3/r。

圖1 卷揚(yáng)液壓系統(tǒng)原理圖

卷揚(yáng)液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，負(fù)載敏感泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力源，多路閥可以無級控制卷揚(yáng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并不受負(fù)載大小影響，與負(fù)載敏感泵配合使用，能提高系統(tǒng)效率。平衡閥、減速機(jī)制動(dòng)及鉗盤油缸作為將馬達(dá)鎖緊的三道保護(hù)，保證卷揚(yáng)停車時(shí)不出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。平衡閥的鎖緊過程具有動(dòng)態(tài)性，能維持卷揚(yáng)重載下降時(shí)的速度，不因負(fù)載作用而產(chǎn)生失速的情況。鉗盤及減速機(jī)制動(dòng)作為卷揚(yáng)停止后的冗余制動(dòng)措施，保持卷揚(yáng)的靜態(tài)鎖緊，防止系統(tǒng)內(nèi)泄漏產(chǎn)生的溜鉤現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)建模與仿真

根據(jù)液壓原理圖，創(chuàng)建系統(tǒng)AMESim仿真模型，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)AMESim仿真模型

模型利用齒輪嚙合等效減速機(jī)制動(dòng)及鉗盤制動(dòng)，減速機(jī)制動(dòng)由單位階躍信號提供制動(dòng)力矩，模擬制動(dòng)力矩瞬間到最大的過程；鉗盤制動(dòng)由斜坡信號提供制動(dòng)力矩，模擬鉗盤制動(dòng)力矩由小到大的過程。負(fù)載信號模擬減速機(jī)受重物產(chǎn)生的力矩。整個(gè)仿真過程10 s，前2 s閥無輸出，中間5 s閥輸出流量使卷揚(yáng)下降，后3 s閥停止輸出使卷揚(yáng)停止，刷新率為100 Hz。仿真系統(tǒng)假設(shè)泵、閥等均為理想元件，且無內(nèi)泄漏。液壓系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置

減速機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖3所示。

圖3 減速機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線

圖3中轉(zhuǎn)速1為減速機(jī)制動(dòng)、鉗盤制動(dòng)與多路閥控制同步進(jìn)行，即操作卷揚(yáng)手柄時(shí)，減速機(jī)制動(dòng)信號、鉗盤制動(dòng)信號與多路閥控制信號同時(shí)輸出；轉(zhuǎn)速2為先輸出鉗盤制動(dòng)信號，然后輸出減速機(jī)制動(dòng)信號，最后輸出多路閥控制信號，即操作卷揚(yáng)手柄時(shí)，3個(gè)信號按順序輸出；轉(zhuǎn)速3與轉(zhuǎn)速2輸出信號順序一致，但在轉(zhuǎn)速2的基礎(chǔ)上增加了PID調(diào)節(jié)。

為了便于顯示仿真結(jié)果，將3種轉(zhuǎn)速的卷揚(yáng)下降時(shí)間錯(cuò)開1 s，下降速度錯(cuò)開0.6 r/min，基本不影響仿真的準(zhǔn)確性。

根據(jù)仿真曲線分析，當(dāng)卷揚(yáng)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆颠^程時(shí)，由于流體可壓縮性的影響，減速機(jī)制動(dòng)響應(yīng)速度最快，其次是多路閥，最后是鉗盤制動(dòng)。由于轉(zhuǎn)速1曲線的三種信號同時(shí)輸出，就會(huì)形成減速機(jī)制動(dòng)先打開，然后卷揚(yáng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，最后鉗盤制動(dòng)打開。由于馬達(dá)先旋轉(zhuǎn)，鉗盤制動(dòng)此時(shí)還沒來得及打開，使系統(tǒng)壓力升高，鉗盤承受多余的制動(dòng)力矩。當(dāng)鉗盤打開的瞬間，升高的壓力使馬達(dá)迅速旋轉(zhuǎn)，造成馬達(dá)轉(zhuǎn)速超調(diào)，穩(wěn)態(tài)時(shí)間增大。同理，當(dāng)由下降過程轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于減速機(jī)制動(dòng)響應(yīng)最快，所以在制動(dòng)的瞬間，承受絕大部分系統(tǒng)沖擊，馬達(dá)轉(zhuǎn)速迅速停止。

轉(zhuǎn)速2曲線由于對輸出信號的順序進(jìn)行排序，當(dāng)卷揚(yáng)下降時(shí)，將鉗盤及減速機(jī)制動(dòng)完全打開后，再控制多路閥操作卷揚(yáng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，由于閥的超調(diào)特性，狀態(tài)轉(zhuǎn)變的瞬間馬達(dá)轉(zhuǎn)速迅速升高，但穩(wěn)態(tài)時(shí)間很短。同理，從卷揚(yáng)下降過程轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時(shí)，多路閥先停止，其次為減速機(jī)制動(dòng)，最后為鉗盤制動(dòng)。由于沖擊載荷的作用，卷揚(yáng)停止瞬間只有平衡閥作用于馬達(dá)，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)間增大。

轉(zhuǎn)速3曲線是在轉(zhuǎn)速2曲線的基礎(chǔ)上，增加PID調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速曲線在啟動(dòng)及停止的瞬間平滑過渡，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)，穩(wěn)態(tài)時(shí)間較長。

綜上所述，轉(zhuǎn)速1曲線在第2 s啟動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)速超調(diào)大，沖擊大，穩(wěn)態(tài)時(shí)間長，在第7 s停止時(shí)刻轉(zhuǎn)速無超調(diào)，沖擊大，穩(wěn)態(tài)時(shí)間短；轉(zhuǎn)速2曲線在第3 s啟動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)速超調(diào)大，沖擊小，穩(wěn)態(tài)時(shí)間短，在第8 s停止時(shí)刻轉(zhuǎn)速超調(diào)小，沖擊小，穩(wěn)態(tài)時(shí)間較長；轉(zhuǎn)速3曲線在第4 s啟動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)速無超調(diào)，無沖擊，穩(wěn)態(tài)時(shí)間長，在第9 s停止時(shí)刻轉(zhuǎn)速無超調(diào)，無沖擊，穩(wěn)態(tài)時(shí)間長。

所以，由于轉(zhuǎn)速1曲線的控制方法在啟停瞬間存在很大沖擊，且沖擊大部分被鉗盤制動(dòng)器及減速機(jī)制動(dòng)器吸收，造成制動(dòng)系統(tǒng)容易損壞。改為轉(zhuǎn)速3曲線的控制方法后，可有效消除沖擊，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

3 結(jié)論

(1)本研究分析了液壓驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)的3種不同工作狀態(tài)。

(2)利用AMESim軟件對系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，驗(yàn)證了制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是造成制動(dòng)系統(tǒng)損壞的主要原因。

(3)結(jié)合PID控制的方法，可避免制動(dòng)系統(tǒng)吸收沖擊，使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。