安林超 程雪利 楊用增 楊宏磊

1河南工學(xué)院機械工程學(xué)院 新鄉(xiāng) 453000 2南京航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院 南京 210016 3衛(wèi)華特種車輛有限公司 新鄉(xiāng) 453000

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施特別是軌道交通發(fā)展迅猛，軌道交通線路愈來愈復(fù)雜，出現(xiàn)了地下三層交換的換乘車站，其施工基坑深度達30 m。在吊裝盾構(gòu)機刀盤、隧道管片以及基坑鋼支撐等大中型不規(guī)則零件時，需要大起升高度（≥30 m）的提升機構(gòu)來完成吊裝作業(yè)。針對大起升高度的工程實際，周繼紅[1]提出雙層或多層卷繞卷筒、雙卷筒結(jié)構(gòu)以及減小滑輪組倍率等卷筒設(shè)計方法；胡勇[2]針對、工程以及水利建設(shè)等工程領(lǐng)域中超大起升高度、大鋼絲繩容量提升設(shè)備，提出雙折線式卷筒多層纏繞系統(tǒng)，并運用數(shù)值仿真的方法分析了鋼絲繩的彈性特性，結(jié)合實物試驗，得到多層纏繞系數(shù)、卷筒的受力特征以及鋼絲繩彈性特性對多層纏繞系數(shù)的影響；張盼盼[3]聚焦煤礦提升機的安全性和穩(wěn)定性,從提升機的變頻調(diào)速控制方案入手,對提升機的運動特性進行了分析,提出了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的總體方案,并對變頻器主控電路設(shè)計、PLC電路設(shè)計、上機位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵問題進行了研究。

現(xiàn)有常見的提升機構(gòu)（電動葫蘆）結(jié)構(gòu)如圖1所示，其電機和減速器分別布置在卷筒兩側(cè)，電機通過中間軸驅(qū)動減速器轉(zhuǎn)動?？紤]到產(chǎn)品特性、生產(chǎn)成本、現(xiàn)場施工條件等因素，目前在軌道交通施工中解決大起升高度問題最常用的方法是增大卷筒長度和直徑。但是，隨著卷筒尺寸的增加，中間傳動軸亦愈長。在高速旋轉(zhuǎn)時，傳動軸過長容易產(chǎn)生振動，造成噪聲污染和疲勞失效。

圖1 傳統(tǒng)卷筒結(jié)構(gòu)圖

針對長卷筒驅(qū)動軸軸向尺寸大引起振動和疲勞失效等問題設(shè)計出雙電機驅(qū)動無軸提升機構(gòu)，并提出閉環(huán)主從式控制策略，解決雙電機的同步驅(qū)動問題，為軌道施工中大起升高度提升裝備的設(shè)計和可靠性分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 無軸提升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

如圖2所示，無軸提升機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)主要由筒體、傳動內(nèi)齒圈（外齒輪）、軸承、支座、減速電機等組成，軸承直接支撐在筒體兩端，由兩側(cè)減速電機通過傳動齒輪驅(qū)動卷筒工作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞效率高，性能安全可靠。無軸提升機構(gòu)的工作級別為A6，起重量為16 t，跨度為21 m，起升高度為40 m，起升速度為25 m/min，運行速度為30 m/min，調(diào)速方式為變頻調(diào)速，操作方式為地面按鈕。

2 無軸提升機構(gòu)工作原理

該無軸提升機構(gòu)有內(nèi)齒傳動（圖2a）和外齒傳動（圖2b）兩種結(jié)構(gòu)形式。其中筒體內(nèi)壁（或外壁）開有沿圓周分部的內(nèi)齒圈（或外齒輪），筒體兩端的外壁（或內(nèi)壁）成對設(shè)置有軸承，軸承支座通過螺栓固結(jié)到機架上，筒體兩端布置的減速器將功率從電機傳遞給內(nèi)齒圈（或外齒輪），電機實施閉環(huán)主從式控制策略，轉(zhuǎn)動速度和電磁轉(zhuǎn)矩時刻保持同步一致，實現(xiàn)重物的提升或下降。

圖2 無軸提升機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

電機工作采用載荷自適應(yīng)控制方式。當提升機構(gòu)的負載遠小于額定工作載荷時，關(guān)閉從動電機，只有主電機工作，避免電機功率浪費；當提升機構(gòu)的負載接近于額定工作載荷時，主從電機同時工作。

3 閉環(huán)主從同步控制策略

在水閘、垂直升船機以及軌道交通施工用起重機等設(shè)備或系統(tǒng)中，單臺電機難以達到轉(zhuǎn)矩輸出要求和特殊控制要求時，多采用雙電機（多電機）協(xié)調(diào)同步工作[4]。在這些設(shè)備或系統(tǒng)中，各電機之間協(xié)調(diào)同步運行性能直接影響到設(shè)備的安全可靠性，故對雙電機（多電機）同步協(xié)調(diào)控制研究有重要的現(xiàn)實意義。

3.1 控制原理

閉環(huán)主從同步控制利用力矩傳感器（陀螺儀）首先采集卷筒的輸出信號，以主從電機的輸出轉(zhuǎn)矩差（或轉(zhuǎn)速差）為參考輸入信號，然后對比卷筒輸出信號與參考輸入信號，得到控制偏差信號，主控制器基于該偏差信號實施控制以消除偏差，獲取較高同步性能[5]。

3.2 數(shù)學(xué)模型

提升機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方案采用雙電機剛性連接（見圖3），機械轉(zhuǎn)角由外部輸入，電機本體的反電勢和位置信號由該時刻數(shù)學(xué)模型狀態(tài)來決定[6,7]。

圖3 雙電機驅(qū)動提升機構(gòu)傳動示意圖

根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動動力學(xué)定理[8,9]，對主從電機轉(zhuǎn)子和負載進行分析，列出方程為

式中：te1、te2分別為主電機（1號電機）電磁轉(zhuǎn)矩和從電機（2號電機）電磁轉(zhuǎn)矩，tc1、tc2分別為卷筒負載作用到主從電機轉(zhuǎn)子的力矩，b1、b2分別為主從電機轉(zhuǎn)子等效摩擦系數(shù)，Ω1、Ω2分別為主從電機轉(zhuǎn)動角速度，J1、J2分別為主從電機轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動動力學(xué)定理，對卷筒負載進行分析，列出方程為

式中：t1c、t2c分別為主從電機作用到卷筒的力矩，tc為起吊重物對卷筒作用的力矩，bc為卷筒等效摩擦系數(shù)，Ωc為卷筒轉(zhuǎn)動角速度，Jc為卷筒轉(zhuǎn)動慣量。

對于雙電機驅(qū)動系統(tǒng)中的減速器有如下關(guān)系

式中：I為雙電機驅(qū)動系統(tǒng)中減速器的傳動比。

根據(jù)式（1）～式（3），消除中間變量，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

式中：te12為主從兩臺電機的合力矩，J為電機轉(zhuǎn)子和減速器等效轉(zhuǎn)動慣量，b為電機轉(zhuǎn)子和減速器等效摩擦系數(shù)。

3.3 仿真試驗及結(jié)果分析

根據(jù)式（4）的數(shù)學(xué)模型，用Simulink工具箱對雙電機驅(qū)動無軸提升機構(gòu)的閉環(huán)主從控制系統(tǒng)進行建立圖4所示模型[10-12]，設(shè)置仿真時間為0.5 s，并根據(jù)表1中的電機和負載參數(shù)做仿真試驗，得到圖5所示結(jié)果。

圖4 閉環(huán)主從控制系統(tǒng)模型

圖5 閉環(huán)主從控制系統(tǒng)電機輸出轉(zhuǎn)矩

表1 電機和負載仿真參數(shù)

從圖6可以看出，該閉環(huán)主從控制系統(tǒng)的啟動、空載以及負載運行階段，主從電機輸出轉(zhuǎn)矩始終保持一致。在0.25 s施加載荷后，系統(tǒng)相應(yīng)速度快，在0.01 s后達到穩(wěn)態(tài)值，且超調(diào)量只有2%，滿足提升同步控制性能要求。當主從電機參數(shù)之間存在差異時，可通過設(shè)定控制比例，使主從電機軸輸出轉(zhuǎn)矩均衡，直接消除轉(zhuǎn)矩分配不均。

4 結(jié)論

本文聚焦軌道交通施工用大起升高度提升機構(gòu)中間驅(qū)動軸尺寸長，易產(chǎn)生振動和疲勞失效等問題，設(shè)計出雙電機驅(qū)動無軸卷筒。建立雙電機同步驅(qū)動的數(shù)學(xué)模型并進行試驗仿真，得到如下結(jié)論：

1）該無軸提升機構(gòu)，由左右兩端電機減速后通過傳動齒輪驅(qū)動卷筒工作，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，性能可靠。

2）無軸提升機構(gòu)的電機采用閉環(huán)主從控制，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并試驗仿真，系統(tǒng)相應(yīng)時間為0.01 s，超調(diào)量為2%，滿足提升同步控制性能要求。