屠佳佳

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310053)

0 引 言

水閘作為基礎(chǔ)水利設(shè)施,在水資源調(diào)度管理和防洪抗?jié)持邪l(fā)揮著重要作用。而水閘的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)定期清污[1]。大中型水閘由于資金投入大、管理集中、人力資源充足,基本都配置了自動(dòng)化清污裝置。

清污裝置是水利工程中常用的機(jī)械設(shè)備,包括攔污柵、清污機(jī)、清淤機(jī)等。清污裝置的使用,清除了水流中的主要雜物,保證了閘門(mén)以及電動(dòng)機(jī)的正常使用[2]。攔污柵采用框柵式結(jié)構(gòu),一般設(shè)在進(jìn)水口處,用于攔阻水流中夾帶的水草、樹(shù)葉、漂木等雜物(一般稱(chēng)污物),其常常與清污機(jī)配合使用[3]。清污機(jī)的種類(lèi)可分為無(wú)障礙式、抓斗式、固定式、刮板式、全自動(dòng)式[4],其作用主要是將攔污柵攔截的雜物清理出去。清淤機(jī)主要包括清淤船、水底清淤機(jī)器人等[5],用于清理水底的淤泥。

此前,很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)水閘以及清污清淤機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)較為深入的研究。研究主要分為以下兩個(gè)方面:

(1)水閘方面。SHARAFATI A等人[6]設(shè)計(jì)了一種混合自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,提高了對(duì)水閘沖刷深度的預(yù)測(cè)精度。張欣等人[7]利用多源數(shù)據(jù)融合分析和預(yù)測(cè)模型等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)一體化斗口閘門(mén)的智能控制。侯文濤等人[8]從閘門(mén)水力性能、過(guò)閘流量估算、閘群聯(lián)合調(diào)控技術(shù)等方面,對(duì)測(cè)控一體化閘門(mén)的研究重點(diǎn)進(jìn)行了分析。

(2)清污清淤機(jī)構(gòu)方面。李超洋等人[9]通過(guò)改變清污耙斗導(dǎo)向槽的方法,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組不停機(jī)式的污物清理方式,提高了水資源的利用率。陳佛生等人[10]從清污機(jī)的分類(lèi)入手,分析了多種類(lèi)型清污機(jī)的工作原理及其特點(diǎn),為清污機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。WU Xiao-yan等人[11]對(duì)水下清污機(jī)器人進(jìn)行了三維建模和調(diào)試,完成了對(duì)高效智能控制系統(tǒng)可行性的驗(yàn)證。另外,SUH等人[12]對(duì)蓄水池清污機(jī)器人的效率提升進(jìn)行了研究。陳遠(yuǎn)龍等人[13]采用建模仿真的方式,對(duì)抓臂式清污機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析,為抓臂式清污機(jī)器人的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。毛漢領(lǐng)等人[14]對(duì)液壓清污抓斗進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析,建立了清污抓斗的模型,并通過(guò)優(yōu)化抓斗設(shè)計(jì),提高了抓斗的使用效率。

綜上所述,以獨(dú)立形式對(duì)一體化測(cè)控水閘和清污清淤機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較多,而涉及一體化清污清淤水閘的研究較少。為此,筆者結(jié)合灌區(qū)小型水閘清污的需求,提出一種基于液壓伺服控制的一體化清污水閘,并驗(yàn)證該水閘的可行性與可靠性。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)及內(nèi)容

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,筆者參考水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范SL265-2016》以及灌區(qū)一體化清污水閘功能需求,以此來(lái)作為其主要依據(jù)。

在水閘設(shè)計(jì)規(guī)范中,參考的具體內(nèi)容為水利設(shè)計(jì)、防滲排水設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范等。

其中,水利設(shè)計(jì)包含閘孔總凈寬、消能防沖計(jì)算以及閘門(mén)控制運(yùn)行方式的擬定;防滲排水設(shè)計(jì)包括滲透壓力計(jì)算和排水孔設(shè)計(jì)等;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括載荷以及組合和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析等;管理設(shè)計(jì)包括調(diào)度運(yùn)行要求以及通信與自動(dòng)化設(shè)置等[15]。

水閘功能需求主要包括攔污、清污、清淤、計(jì)量、閘門(mén)控制等,因此筆者采用攔污柵、清淤器與水閘一體化設(shè)計(jì),并通過(guò)液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。其中,攔污柵除了攔污功能,還能將污物通過(guò)滾動(dòng)方式清除出渠道;清淤器能夠刷洗渠道底面的淤泥,并通過(guò)抽水泵將泥水抽出至過(guò)濾裝置;閘門(mén)控制器能夠采集渠道水位、流量數(shù)據(jù),并控制閘門(mén)的啟閉。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范和水閘功能需求,筆者設(shè)計(jì)了一體化清污水閘的總體結(jié)構(gòu),并利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了三維模型(該模型主要由攔污柵、清淤器和閘體組成)。

具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化清污水閘總體結(jié)構(gòu)

圖1中,攔污柵傾斜45°左右安裝于左側(cè),清淤機(jī)位于攔污柵后方導(dǎo)軌上,兩者均利用旋轉(zhuǎn)軸和液壓缸實(shí)現(xiàn)與閘體框架連接;閘門(mén)處于機(jī)構(gòu)右側(cè),通過(guò)閘門(mén)立柱與閘體框架連接;

另外,控制攔污柵立桿旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)安裝于攔污柵頂部,控制清淤器移動(dòng)的伺服電機(jī)安裝于液壓缸底座附近,通過(guò)同步帶實(shí)現(xiàn)清淤器沿導(dǎo)軌來(lái)回運(yùn)動(dòng);水閘控制器、閘門(mén)伺服電機(jī)、閘位計(jì)等安裝于閘門(mén)上方。

根據(jù)一體化水閘在農(nóng)業(yè)灌區(qū)小型渠道中的應(yīng)用要求,筆者確定主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為:整體寬度0.6 m,長(zhǎng)度2 m,攔污柵最大提升垃圾重量20 kg,清淤器清淤速度為50 mm/s,水閘開(kāi)啟最大高度1 m。

2.2 攔污柵

攔污柵是一體化清污水閘的核心機(jī)構(gòu)之一。與傳統(tǒng)攔污柵相比,筆者設(shè)計(jì)的攔污柵自動(dòng)化程度高,可獨(dú)立完成攔污、清污功能。其主要由旋轉(zhuǎn)軸、縱向欄桿、旋轉(zhuǎn)軸底座、液壓缸和伺服電機(jī)等部件組成。

其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中,旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)可旋轉(zhuǎn)底座與閘體框架相連接,因此攔污柵可在液壓缸帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式提升和下降。當(dāng)液壓缸伸長(zhǎng)時(shí),攔污柵下降;當(dāng)液壓缸縮短時(shí),攔污柵上升。

攔污柵縱向欄桿的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 攔污柵縱向欄桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖3中,縱向欄桿上端利用皮帶輪兩兩相連,最左側(cè)皮帶輪與伺服電機(jī)相連,下端安裝軸承,通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)同方向同步旋轉(zhuǎn)。因此,當(dāng)攔污柵提升至水平時(shí),再控制縱向欄桿朝某個(gè)方向旋轉(zhuǎn),即可將垃圾運(yùn)送至渠道旁回收桶內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)水閘附近渠道內(nèi)全自動(dòng)垃圾清理的功能;

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌區(qū)小型渠道垃圾類(lèi)型及尺寸,設(shè)計(jì)縱向欄桿直徑為5 cm,欄桿間隙為1 cm,防止欄桿旋轉(zhuǎn)時(shí)垃圾掛住或重新掉至渠道內(nèi),具低成本優(yōu)勢(shì)。

2.3 清淤器

清淤器用于清除渠道底部淤泥,保障水閘的安全正常運(yùn)行,也是水閘的核心機(jī)構(gòu)。由于市場(chǎng)上沒(méi)有安裝在水閘上的清淤器,因此,在參考現(xiàn)有清淤設(shè)備的基礎(chǔ)上,筆者設(shè)計(jì)了適用于灌區(qū)渠道的清淤器結(jié)構(gòu),其主要由旋轉(zhuǎn)軸、吸嘴、水泵、過(guò)濾箱、導(dǎo)軌、可旋轉(zhuǎn)底座、液壓缸和伺服電機(jī)等部件組成。

其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)可旋轉(zhuǎn)底座與閘體框架相連接,因此清淤器吸嘴可在液壓缸帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式提升和下降。當(dāng)液壓缸伸長(zhǎng)時(shí),吸嘴下降;當(dāng)液壓缸縮短時(shí),吸嘴上升。

清淤器毛刷與吸嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5中,吸嘴通過(guò)3根空心桿連接至旋轉(zhuǎn)軸,其中兩側(cè)空心桿為皮帶通道,內(nèi)部設(shè)計(jì)有皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制吸嘴內(nèi)部滾動(dòng)毛刷清刷渠底淤泥;

中間空心桿為吸管通道,一側(cè)通向吸嘴,一側(cè)通過(guò)可伸縮管連接至水泵;水泵再連接至過(guò)濾箱,如此將抽取后的泥水過(guò)濾變成清水,然后重新進(jìn)入渠道。過(guò)濾箱和水泵則安裝在平臺(tái)上。

2.4 液壓缸

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓執(zhí)行元件,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。將其安裝在攔污柵和清淤器上作為控制升降的機(jī)構(gòu),不僅免去了減速裝置,并且沒(méi)有傳動(dòng)間隙,運(yùn)行十分平穩(wěn),有利于攔污柵和清淤器的長(zhǎng)久運(yùn)行。

液壓缸安裝示意圖如圖6所示。

圖6 液壓缸安裝示意圖

由圖6可知,液壓缸主要由前端底座、缸體、液壓桿和后端底座組成。

2.5 閘體

閘體主要包含閘門(mén)、伺服電機(jī)、控制箱、以及相關(guān)傳感器等。由于閘體結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常成熟,此處筆者直接參考一體化測(cè)控水閘進(jìn)行設(shè)計(jì)。

閘門(mén)開(kāi)啟時(shí),清淤器可沿渠道上的軌道來(lái)回運(yùn)行,清除閘門(mén)附近渠道底面的淤泥,以保證閘門(mén)的正常啟閉,提高水量計(jì)量精度,延長(zhǎng)其使用壽命。

3 受力分析與校核

3.1 液壓缸受力分析

液壓缸作為裝置的核心受力部件,有必要進(jìn)行受力分析。此處以攔污柵為例,根據(jù)液壓缸的實(shí)際負(fù)載情況,繪制出液壓缸的非工作狀態(tài)簡(jiǎn)圖,如圖7所示。

圖7 非工作狀態(tài)簡(jiǎn)圖

由圖7可知,液壓缸后端底座固定,選用HSG型雙作用單桿液壓缸,尾部吊耳與后端底座鉸接,活塞桿吊耳與前端底座鉸接,前端底座與攔污柵采用螺栓連接,攔污柵底部與固定基座鉸接。

液壓缸工作狀態(tài)受力簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 工作狀態(tài)受力簡(jiǎn)圖

在實(shí)際工作時(shí),攔污柵與渠道底面呈45°夾角,水流流向由左向右,攔污柵主要承受重力G與水流沖力F水。重力為攔污柵自重、漂浮垃圾重量與水的壓力(忽略浮力影響)之和,在O點(diǎn)進(jìn)行受力分析,主要是豎直向下的重力G,水平向右的水流沖力F水和沿著前端底座的支撐力F支。

經(jīng)受力分析可得:

F支=(F水+G)cosθ1

(1)

式中:θ1—攔污柵與渠道底面夾角;F水—水流沖力;G—總重力。

對(duì)O1點(diǎn)進(jìn)行受力分析,主要是豎直向下的重力G1,沿活塞桿方向的拉力F和支撐力F支,可得:

F=F支cos(θ1-θ2)

(2)

式中:θ2—液壓缸與水平位置的夾角;F支—前端底座的支撐力。

其中,G=400 N,F水=200 N,θ1=45°,θ2=5°,將其代入公式,可得液壓缸所需拉力為F=325 N。

3.2 液壓缸校核

整個(gè)裝置中受力的主要部件是液壓缸,其結(jié)構(gòu)在清淤器和攔污柵工作時(shí)的受力情況將直接影響其安全性與穩(wěn)定性。

筆者采用ANSYS Workbench軟件對(duì)液壓缸進(jìn)行靜力學(xué)分析,主要分析它的應(yīng)力與變形情況。首先,選擇材料屬性,液壓缸結(jié)構(gòu)選定材料為45鋼,在Engineeing Data中選取材料structural steel,并更改相應(yīng)參數(shù);然后,在SolidWorks軟件中對(duì)液壓缸進(jìn)行建模,另存為x_t格式,導(dǎo)入ANSYS Workbench中;接著,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)模型施加邊界條件及載荷;最后,對(duì)其進(jìn)行求解。

3.2.1 模型建立

SolidWorks軟件是現(xiàn)在最為常用的三維繪圖軟件之一,考慮到它與ANSYS軟件可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接,所以筆者利用SolidWorks軟件建立液壓缸的三維模型,如圖9所示。

圖9 三維模型

圖9中,模型主要參數(shù)如下:液壓缸缸體直徑40 mm,壁厚5.5 mm,活塞桿直徑22 mm。

然后,筆者將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。

3.2.2 材料屬性與網(wǎng)格劃分

HSG液壓缸材料大多為45鋼,其彈性模量為220 GPa,泊松比為0.3。

筆者對(duì)液壓缸進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其網(wǎng)格劃分效果如圖10所示。

圖10 網(wǎng)格劃分效果

圖10中,液壓缸采用四面體單元,單元長(zhǎng)度為5 mm。其中,筆者對(duì)主要受力面進(jìn)行細(xì)密化處理,其指數(shù)為2,單元長(zhǎng)度2.5 mm,最終劃分的結(jié)果為:模型節(jié)點(diǎn)數(shù)44 767個(gè),實(shí)體單元數(shù)26 037個(gè)。

3.2.3 約束和載荷的施加

液壓缸約束和載荷的施加情況如圖11所示。

圖11 液壓缸的約束和載荷

在對(duì)液壓缸進(jìn)行有限元分析時(shí),為了使其數(shù)值解存在且唯一,其兩端吊耳的位移需要消除,筆者所以對(duì)兩吊耳圓柱面施加各個(gè)方向的位移約束;

由于液壓缸的實(shí)際工作壓力為0.5 MPa,根據(jù)規(guī)定的加載方式,筆者對(duì)液壓缸進(jìn)行2倍載荷的施加,即對(duì)液壓缸施加1.0 MPa的力,分別對(duì)液壓缸缸體內(nèi)表面、缸體底部和活塞桿底部施加載荷。

3.2.4 液壓缸變形情況

經(jīng)過(guò)求解,得到液壓缸變形放大圖如圖12所示。

圖12 變形放大圖

液壓缸受載時(shí),液壓缸會(huì)出現(xiàn)微小變形,將其變形放大,可以更直觀地看出液壓缸各部分的變形情況。

從圖12中可以看出:兩端吊耳的位移為0,說(shuō)明約束條件與分析的結(jié)果是一致的。另外,液壓缸主要變形部位發(fā)生在缸體內(nèi)表面上,最大變形發(fā)生在缸體內(nèi)表面靠近活塞桿底部處,且最大變形量是5.5×10-7m,即0.000 55 mm(變形值很小,可以忽略不計(jì)),從而驗(yàn)證了液壓缸材料選型的正確性。

3.2.5 液壓缸等效應(yīng)力分布情況

液壓缸模型的等效應(yīng)力分布如圖13所示。

圖13 等效應(yīng)力分布

從圖13中可以看出:缸體內(nèi)表面受力最大,最大值為4.5×106Pa,約等于4.5 MPa。45鋼的屈服強(qiáng)度為315 MPa,所以液壓缸的安全系數(shù)n為70。

由于45鋼的安全系數(shù)為1.2～1.5,所以液壓缸的設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足應(yīng)力要求。

3.3 底座校核

一體化水閘裝置中主要受力部件還包括液壓缸前、后端底座,其結(jié)構(gòu)在攔污柵和清淤器工作時(shí)的受力情況將直接影響其安全性與穩(wěn)定性。

因此,筆者參考液壓缸步驟進(jìn)行校核,得到底座校核分析圖如圖14所示。

圖14 底座校核分析圖

圖14(a)為底座模型的網(wǎng)格劃分后的結(jié)果,其中,筆者對(duì)主要受力面進(jìn)行了細(xì)密化處理;

圖14(b)為底座模型的位移變化趨勢(shì),邊界條件設(shè)置在左端4個(gè)圓孔面,載荷施加在右端兩圓孔處,方向垂直圓孔軸線向上;載荷大小為F=400 N,最大位移發(fā)生在最右側(cè),最大值為7.427×10-6m(由于位移很小,可忽略不計(jì));

圖14(c)為底座模型的等效應(yīng)力分布圖,從中可以看出,底座受力最大處發(fā)生在左側(cè)4圓孔處,最大值為1.490 1×107Pa,約等于15 MPa;與45鋼的屈服強(qiáng)度315 MPa相比,底座模型所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。由此可見(jiàn),底座結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足裝置工作時(shí)的應(yīng)力要求。

3.4 液壓設(shè)備與伺服電機(jī)選型

3.4.1 液壓設(shè)備選型

液壓泵和液壓缸是一體化清污水閘控制系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。液壓泵的主要功能是為液壓傳動(dòng)提供加壓液體,在工作過(guò)程中依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng);液壓缸屬于液壓系統(tǒng)的末端執(zhí)行裝置,用于控制攔污柵和清淤器的位置。

下面筆者以寬度為0.6 m的攔污柵為例進(jìn)行計(jì)算分析,并假設(shè)攔污柵自重和水的壓力總重為20 kg,最大清污重量為20 kg。

(1)液壓泵選型

液壓泵流量計(jì)算公式如下[16]:

q=VnηPV

(3)

式中:q—泵流量;V—泵排量;n—泵轉(zhuǎn)速;ηPV—泵效率。

選型時(shí),根據(jù)泵排量、泵轉(zhuǎn)速、泵效率,計(jì)算得到相應(yīng)泵流量q2,只要計(jì)算得到的泵流量q2大于設(shè)計(jì)泵流量q1即滿(mǎn)足工作要求。

(2)液壓缸選型

以攔污柵為例,若是空載時(shí)被提升,需要的拉力為F1;若是滿(mǎn)載時(shí)被提升,需要的拉力為F2。根據(jù)液壓缸正常工作需要,選擇液壓缸的缸徑D和活塞桿直徑d。

根據(jù)上述液壓缸受力分析結(jié)果可知:液壓缸拉力F為325 N,液壓缸行程L=120 mm,要求液壓缸的動(dòng)作時(shí)間t為2 s。取工作壓力P為0.5 MPa,可得液壓缸的平均速度為0v=60 mm/s。由此可得:

F0=F/β

(4)

式中:F0—理論拉力;F—實(shí)際拉力;β—負(fù)荷率值。

液壓壓力P為:

P=F0/A

(5)

式中:A—活塞桿腔面積。

活塞桿腔面積A:

A=π[(D/2)2-(d/2)2]

(6)

式中:D—液壓缸缸體直徑;d—活塞桿直徑。

取d=0.5D,由式(4～6)推導(dǎo)可得:

(7)

由于此處速度較低,負(fù)載力較小,所以慣性力較小,故取β=80%,計(jì)算得到液壓缸缸徑D為37.1 mm,所以選擇液壓缸缸徑D為40 mm,活塞桿直徑d為20mm。

3.4.2 伺服電機(jī)選型

伺服電機(jī)按照如下常規(guī)原則進(jìn)行選型:

(1)連續(xù)工作扭矩小于伺服電機(jī)額定扭矩;

(2)瞬時(shí)最大扭矩小于伺服電機(jī)最大扭矩;

(3)慣量比小于電機(jī)規(guī)定的慣量比;

(4)連續(xù)工作速度小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

基于上述原則,筆者以攔污柵縱向欄桿伺服電機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算、分析與選型[17],其具體步驟如下:

(1)確定傳動(dòng)類(lèi)型,縱向欄桿伺服電機(jī)為同步帶傳動(dòng);

(2)確定同步帶輪直徑D為0.05 m,質(zhì)量m為0.25 kg,負(fù)載質(zhì)量W為40 kg,最大速度Vmax為0.2 m/s,同步帶效率η為0.95,加速時(shí)間t為0.1 s,安全系數(shù)為h;

(3)計(jì)算總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,具體公式如下:

JL=JW+JD

(8)

(9)

(10)

式中:JW—負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;JD—帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;JL—總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

代入?yún)?shù)可得JW=250×10-4kg·m2,JD=0.78×10-4kg·m2(可忽略不計(jì)),因此,JL≈JW=250×10-4kg·m2。

若設(shè)減速比為i=10,則按照如下公式計(jì)算:

JL1=JL/i2

(11)

式中:JL1—伺服電機(jī)匹配慣量。

代入i計(jì)算可得到JL1=2.5×10-4kg·m2;

(4)預(yù)選億星750 W伺服電機(jī),查表得到電機(jī)慣量Jm=2.45×10-4kg·m2,計(jì)算慣量比JL1/Jm=1.02;

(5)計(jì)算伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速:

N=i*(Vmax/πD)

(12)

式中:N—伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;Vmax—帶輪最大速度;D—同步帶輪直徑。

代入?yún)?shù),經(jīng)計(jì)算可得N=12.74 r/s;

(6)計(jì)算移動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩,具體公式如下:

(13)

(14)

式中:Tf—移動(dòng)轉(zhuǎn)矩;W—負(fù)載質(zhì)量;g—重力加速度;Ta—最大轉(zhuǎn)矩;Jm—電機(jī)慣量。

代入?yún)?shù)計(jì)算可得Tf=1.05 N·M,Ta=1.45 N·M;

4 液壓伺服控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

液壓伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)組成框圖

由圖15可知:該液壓伺服控制系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。其中,液壓系統(tǒng)主要由液壓驅(qū)動(dòng)器、液壓缸、攔污柵和清淤器等組成;伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、縱向欄桿、滾動(dòng)毛刷和閘門(mén)等組成。

利用一體化清污水閘控制器可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清污和清淤功能,保障水閘的安全正常運(yùn)行。

4.2 PID控制器設(shè)計(jì)

目前,PID控制算法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。因此,此處筆者將PID算法用作液壓系統(tǒng)的主要控制模型,其具體公式如下:

(15)

筆者以閉式直驅(qū)式液壓系統(tǒng)為例,結(jié)合液壓系統(tǒng)本身的特點(diǎn),以及液壓缸運(yùn)行過(guò)程中腔體容積的時(shí)變等因素,對(duì)直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和控制精度進(jìn)行分析[18]。

其PID控制策略框圖如圖16所示。

圖16 閉式直驅(qū)式液壓系統(tǒng)PID控制策略框圖

系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變液壓油泵的輸出流量,進(jìn)而改變油壓,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸速度和精度的控制。

參考閉式直驅(qū)式液壓控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[19-22],可得到系統(tǒng)傳遞函數(shù):

(16)

筆者利用MATLAB7.0進(jìn)行PID控制和非PID控制的系統(tǒng)仿真。

Simulink仿真模型如圖17所示。

圖17 PID控制和非PID控制的Simulink仿真模型圖

PID控制算法中,在液壓缸運(yùn)動(dòng)初始階段,P環(huán)節(jié)可以使其快速響應(yīng)并達(dá)到一定行程;I環(huán)節(jié)的作用是減小靜態(tài)時(shí)的誤差,讓液壓缸的行程盡可能接近設(shè)定值。

當(dāng)液壓缸越接近設(shè)定行程,P環(huán)節(jié)的控制作用就越小,D環(huán)節(jié)的作用就是讓液壓缸的速度趨于0,減小誤差,提高運(yùn)行精度。而且Kp越大,調(diào)節(jié)作用越激進(jìn),Kp調(diào)小則調(diào)節(jié)作用更保守;Ki的值越大,積分時(shí)乘的系數(shù)也就越大,積分效果越明顯;Kd參數(shù)越大,向速度相反方向的加速度就越大。

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)測(cè)試和文獻(xiàn)查詢(xún),筆者設(shè)置PID控制器的比例增益Kp為0.3,積分增益Ki為10,微分增益Kd為0.01。

筆者分別對(duì)液壓系統(tǒng)采用PID控制和非PID控制進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試仿真,并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

其階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖18所示。

圖18 階躍響應(yīng)仿真曲線

根據(jù)仿真結(jié)果可知:在階躍響應(yīng)條件下,采用PID控制的系統(tǒng)曲線在0.38 s左右達(dá)到穩(wěn)定,超調(diào)量?jī)H為20%左右,同時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差極小;而非PID控制的系統(tǒng)曲線呈減幅振蕩趨勢(shì),但在1 s后仍未達(dá)到穩(wěn)定,且超調(diào)量超過(guò)60%,系統(tǒng)性能較差。

因此,采用PID控制的優(yōu)勢(shì)明顯,而且通過(guò)優(yōu)化PID控制算法的3個(gè)參數(shù)能進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。

由此可見(jiàn),采用PID控制器能夠提高液壓缸的跟隨能力、響應(yīng)速度和控制精度,保證攔污柵在清理不同重量垃圾的情況下,盡可能提升至水平位置,將垃圾清理出渠道,以及在清淤器下降時(shí)能恰好接觸渠道底面,增強(qiáng)清淤效果,保證清污和清淤過(guò)程中攔污柵和清淤器的平穩(wěn)升降與運(yùn)行。

4.3 控制流程設(shè)計(jì)

攔污柵清污工作控制流程如圖19所示。

圖19 攔污柵控制流程

攔污柵多數(shù)時(shí)間處于自由攔污狀態(tài),當(dāng)達(dá)到清污條件時(shí),系統(tǒng)控制液壓缸抬起攔污柵至水平狀態(tài),然后利用伺服電機(jī)控制縱向欄桿朝同一個(gè)方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng),將攔截的垃圾、樹(shù)葉、樹(shù)枝等污物清理出渠道。其中,清污條件可靈活設(shè)置,可以簡(jiǎn)單采用定時(shí)清理,也可以采用攝像頭進(jìn)行污物的實(shí)時(shí)監(jiān)控與圖像識(shí)別,等待達(dá)到一定量后再進(jìn)行清理。

清淤器工作控制流程如圖20所示。

圖20 清淤器控制流程

初始條件下,清淤器處于水平狀態(tài),吸嘴遠(yuǎn)離水面且與渠道底面平行。清淤時(shí)保持閘門(mén)開(kāi)啟,系統(tǒng)控制液壓缸下放吸嘴至緊貼渠道底面,然后開(kāi)啟水泵和滾動(dòng)毛刷進(jìn)行渠道底面的刷洗并抽出泥水,同時(shí)沿著軌道在水閘附近來(lái)回運(yùn)動(dòng),直至清淤結(jié)束。

5 結(jié)束語(yǔ)

在灌區(qū)渠道自動(dòng)化管理中,由于傳統(tǒng)水閘無(wú)法實(shí)現(xiàn)渠道清污和清淤功能,造成水閘損壞和泄露現(xiàn)象。筆者在參考水閘設(shè)計(jì)規(guī)范和管理需求的基礎(chǔ)上,提出了一體化清污水閘;該水閘集成攔污柵和清淤器實(shí)現(xiàn)了渠道內(nèi)污物的自動(dòng)清理,利用PID控制的液壓伺服系統(tǒng)提升了動(dòng)態(tài)性能。

研究結(jié)果表明:

(1)一體化清污水閘利用攔污柵和清淤器,可實(shí)現(xiàn)渠道內(nèi)污物的自動(dòng)清理,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理;

(2)通過(guò)對(duì)液壓缸等核心機(jī)構(gòu)的受力分析與校核分析,表明一體化水閘的結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求;

(3)通過(guò)液壓伺服測(cè)試平臺(tái)模型的仿真,表明PID控制算法能夠提升一體化水閘液壓伺服系統(tǒng)的控制性能,保證攔污柵和清淤器的定位精度。

在后續(xù)的研究工作中,筆者將對(duì)一體化清污水閘進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),以提高攔污柵和清淤器的工作效率;同時(shí),對(duì)其液壓伺服控制算法進(jìn)行優(yōu)化。