陳明亮 卓甘澍 朱 鈺
(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 廈門(mén) 361021; 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門(mén) 361021)
起重機(jī)屬于間歇操作設(shè)備,主要包括起升、回轉(zhuǎn)和變幅3個(gè)操作機(jī)構(gòu),工作時(shí)可以單獨(dú)或聯(lián)合操作,任何一個(gè)操作都包含有加速、減速與制動(dòng)過(guò)程,由此導(dǎo)致吊重?cái)[動(dòng)。操作者應(yīng)根據(jù)操作規(guī)程及吊重的擺動(dòng)情況調(diào)整操作速度達(dá)到抑制擺動(dòng)的目的,但不同操作者實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的不同直接影響抑制擺動(dòng)的效果。起重機(jī)操縱過(guò)程中吊重的擺動(dòng)對(duì)裝卸效率和操作安全有極大的影響,因而起重機(jī)吊重的擺動(dòng)控制一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-2]建立起重機(jī)模型,仿真研究PID控制器的消擺效果;文獻(xiàn)[3-8]通過(guò)模型研究模糊控制器、延遲反饋控制器、整形控制器、最優(yōu)控制等多種控制規(guī)律的消擺效果,目前的研究表明:在操作信號(hào)上加入各種控制規(guī)律,均具有一定有抑制吊重?cái)[動(dòng)的效果。
本文以福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的船舶液壓起重機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)原機(jī)手動(dòng)操作系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),建立起重機(jī)的操作及狀態(tài)測(cè)量的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng),利用階躍、冪函數(shù)、三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等構(gòu)建不同的加速與減速過(guò)程操作信號(hào),研究起重機(jī)操縱與吊重?cái)[動(dòng)的關(guān)系。
本實(shí)驗(yàn)中的船舶液壓起重機(jī)為全回轉(zhuǎn)式,具有回轉(zhuǎn)、起升和變幅等3個(gè)操作機(jī)構(gòu),其中回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓電機(jī)、小齒輪、大齒圈,以及轉(zhuǎn)臺(tái)等部件組成;起升機(jī)構(gòu)由起升液壓電機(jī)、鋼絲繩卷筒、鋼絲繩及吊鉤等部件組成;變幅機(jī)構(gòu)由變幅油缸、吊臂等部件組成。3個(gè)操作機(jī)構(gòu)均采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制電壓信號(hào)(-10 000~+10 000 mV) 分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)電液比例伺服閥實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的操作。起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖
控制信號(hào)電壓值的大小和正負(fù)控制電液比例伺服閥的開(kāi)度及工作位置,從而控制起重機(jī)操作的速度和方向,電壓值的大小與速度成正比例關(guān)系。
本試驗(yàn)所用起重機(jī)的基本參數(shù)如下。
1) 額定回轉(zhuǎn)油壓:8 MPa;
2) 最小工作半徑:0.64 m;
3) 最大工作半徑:3.0 m;
4) 額定起升油壓:20 MPa;
5) 額定起升負(fù)載:20 kN;
6) 額定變幅油壓:19 MPa;
7) 額定起升速度所需液壓油流量:59 L/min;
8) 額定回轉(zhuǎn)速度所需液壓油流量:84 L/min;
9) 回轉(zhuǎn)速度:0~4.5 r/min;
10) 回轉(zhuǎn)角度:0°~180°;
11) 起升速度:0~36 m/min;
12) 仰角角度:30°~80°。
起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡,以及相應(yīng)功能的傳感器組成。起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。
圖2 起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)原理
吊重的擺動(dòng)角度采用面內(nèi)角和面外角2個(gè)參數(shù)描述。面內(nèi)角為吊重在吊臂中線與過(guò)吊臂頂點(diǎn)垂直線組成的面內(nèi)擺動(dòng)角度,面外角則為在垂直于這個(gè)面的面上的擺動(dòng)角度。
起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)采用Visual Basic進(jìn)行編寫(xiě),添加數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),實(shí)現(xiàn)模擬量的采集和輸出,以及數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)等功能。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究最常見(jiàn)的單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作和回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)吊鉤擺動(dòng)情況,未將變幅操
作設(shè)計(jì)在內(nèi),其控制及測(cè)量系統(tǒng)界面設(shè)置見(jiàn)圖3。
圖3 起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)界面
根據(jù)中國(guó)船級(jí)社2017年發(fā)布的《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中“因起重機(jī)回轉(zhuǎn)、變幅操作及其變速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)載荷作用的慣性力應(yīng)予考慮”。本試驗(yàn)就實(shí)際操作過(guò)程中最常見(jiàn)的單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作和回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)慣性力對(duì)吊重?cái)[動(dòng)影響進(jìn)行研究。
試驗(yàn)設(shè)定吊臂仰角為30°,鋼絲繩長(zhǎng)為2 m,回轉(zhuǎn)角度為0°~110°,空鉤無(wú)負(fù)載?;剞D(zhuǎn)操作電液比例伺服閥控制信號(hào)最大值均為5 000 mV,開(kāi)始回轉(zhuǎn)與停止回轉(zhuǎn)的加速和減速過(guò)程分別采用階躍、均勻形式,或采用冪函數(shù)(底數(shù)分別取2和1/2)、指數(shù)函數(shù)和三角函數(shù)等6種不同形式操作模式,見(jiàn)表1。
表1 回轉(zhuǎn)操作電液比例伺服閥控制信號(hào)
續(xù)表1
在單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,選擇擺動(dòng)最小的回轉(zhuǎn)操作模式,同時(shí)進(jìn)行起升操作,使鋼絲繩繩長(zhǎng)由2 m縮短至0.5 m,開(kāi)展回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作試驗(yàn)。此時(shí)調(diào)整吊臂仰角為60°,回轉(zhuǎn)角度仍為0°~110°范圍,采用2種起升操作模式,且每種模式根據(jù)控制電壓的大小再分2到3個(gè)工況,控制電壓大代表起升速度快,反之亦然。回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí),起升操作控制模式見(jiàn)表2。
表2 起升操作電液比例伺服閥控制信號(hào)
單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作時(shí),采用不同操作模式吊重?cái)[動(dòng)情況見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),采用模式一進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作時(shí),吊重的擺動(dòng)最大;采用模式二(均勻加速和減速過(guò)程)回轉(zhuǎn)操作時(shí),吊重?cái)[動(dòng)的幅值最小,擺動(dòng)停止最快;面內(nèi)角擺幅約為1.7°,面外角擺幅約為2.01°,在52 s時(shí)面外角為0°,在71 s時(shí)面內(nèi)角也為0°,吊重?cái)[動(dòng)停止;采用模式六回轉(zhuǎn)操作時(shí),吊重的擺動(dòng)幅度較模式二稍大,停止擺動(dòng)的時(shí)間也稍長(zhǎng);與模式一、三、五相比較,模式二、四、六的吊重?cái)[動(dòng)幅度均較小,擺動(dòng)停止較快,說(shuō)明回轉(zhuǎn)操作開(kāi)始和停止時(shí)刻的速度變化率較小,有利于減小回轉(zhuǎn)操作過(guò)程中和停止操作后的吊重的擺動(dòng);通過(guò)比較模式二、四、六的吊重?cái)[動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)均勻的加速和減速過(guò)程比變加速和減速過(guò)程更有利于減小吊重的擺動(dòng)。
圖4 單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作時(shí)吊重?cái)[動(dòng)情況
在回轉(zhuǎn)操作期間,吊重的擺動(dòng)周期略大于自由擺動(dòng)周期,平均為2.911 s,說(shuō)明回轉(zhuǎn)操作對(duì)擺動(dòng)周期有影響。
根據(jù)4.1分析,回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí),回轉(zhuǎn)操作模式選擇吊重?cái)[動(dòng)小的模式,即表1的模式二,起升操作根據(jù)表2設(shè)定的模式進(jìn)行。圖5為回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)吊重?cái)[動(dòng)情況。
圖5 回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作吊重?cái)[動(dòng)曲線
由圖5可見(jiàn),起升操作選擇表2模式二中的工況1時(shí),吊重?cái)[動(dòng)最小,面內(nèi)角和面外角的最大擺幅均約為1.6°,在45 s時(shí)面外角為0°,在85 s時(shí)面內(nèi)角也為0°,吊重?cái)[動(dòng)停止。
比較圖5與圖4可以發(fā)現(xiàn),回轉(zhuǎn)和起升聯(lián)合操作時(shí),吊重的擺動(dòng)幅度減小,吊重在面內(nèi)擺動(dòng)的時(shí)間增長(zhǎng),在面外擺動(dòng)有時(shí)間縮短,說(shuō)明起升操作模式對(duì)吊重?cái)[動(dòng)幅度有影響。
本起重機(jī)試驗(yàn)研究使用Visual Basic編寫(xiě)控制與測(cè)量程序,實(shí)現(xiàn)起重機(jī)操縱的計(jì)算機(jī)控制和狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量,針對(duì)起重機(jī)最常見(jiàn)操作方式設(shè)計(jì)多種試驗(yàn)方式,對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),回轉(zhuǎn)和起升起止操作均采用勻加速過(guò)程和勻減速過(guò)程對(duì)吊重?cái)[動(dòng)抑制作用最大,同時(shí)發(fā)現(xiàn),在起重機(jī)回轉(zhuǎn)操作過(guò)程中結(jié)合起升操作吊重的擺動(dòng)幅度小于單純回轉(zhuǎn)操作擺動(dòng)幅度。