崔益華 李文鋒 金 建 任進(jìn)勇 王 建

南通潤邦重機(jī)有限公司 南通 226013

0 引言

港口移動起重機(jī)相較于軌道式起重機(jī)具備自重輕、多功能、通過性好和轉(zhuǎn)場方便等優(yōu)點，這主要得益于起重機(jī)自帶動力，采用了發(fā)動機(jī)驅(qū)動的設(shè)計形式。港口移動起重機(jī)的動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、分動箱和發(fā)電機(jī)組成?？紤]到各方面的綜合因素，往往發(fā)動機(jī)的實際最大輸出功率跟整機(jī)最大瞬時使用功率之間是有一定差距的。在某種特殊情況下，發(fā)動機(jī)會因為無法滿足設(shè)備瞬時功率請求而快速降低轉(zhuǎn)速并導(dǎo)致電壓降低甚至發(fā)動機(jī)停機(jī)。

龍建強[1]探討了銑刨機(jī)發(fā)動機(jī)功率分配的原則應(yīng)結(jié)合發(fā)動機(jī)工作的特性曲線，認(rèn)為功率分配的原則應(yīng)為保證各系統(tǒng)功率之和與發(fā)動機(jī)目標(biāo)值功率相一致，使機(jī)器有最好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)生產(chǎn)率。李侃等[2]提出重型平板車液壓系統(tǒng)功率分配應(yīng)綜合考慮發(fā)動機(jī)、泵的最佳工作點與匹配等問題，分析了發(fā)動機(jī)和液壓泵的工作特性，探討了利用液壓系統(tǒng)的反饋控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速的思路。王鑫[3]分析了刨煤機(jī)功率自動分配的原理，提出了電液控制-過程控制和轉(zhuǎn)速控制2種方式，通過調(diào)節(jié)行走的機(jī)構(gòu)速度來實現(xiàn)功率的自動分配。他們提出了研究方向及控制思路，但在底層邏輯控制方法的研究方面還不夠深入詳細(xì)。

本文結(jié)合新型港口移動起重機(jī)車的特性，針對移動起重機(jī)的3機(jī)構(gòu)建立功率分配模型。本方法分析了新型港口移動起重機(jī)車各機(jī)構(gòu)功率的算法和線性控制方法，實時計算應(yīng)分配到分機(jī)構(gòu)的功率，再根據(jù)此功率折算出應(yīng)分配的速度和控制信號，最終在輸出端通過控制信號的限制避免發(fā)動機(jī)的瞬時過載。

1 港口移動起重機(jī)工作原理

1.1 港口移動起重機(jī)工作組成部分介紹

港口移動起重機(jī)可分為動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分。港口移動起重機(jī)由行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、支腿機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)等組成。在正常工作模式下，只有起升、變幅和回轉(zhuǎn)3個機(jī)構(gòu)動作。該系統(tǒng)發(fā)動機(jī)采用恒轉(zhuǎn)速控制模式的機(jī)型。通過圖1、圖2可以了解港口移動起重機(jī)的外形和內(nèi)部驅(qū)動模型。

圖1 港口移動起重機(jī)總圖

圖2 系統(tǒng)起升、變幅、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的模型示意圖

1.2 港口移動起重機(jī)各機(jī)構(gòu)功率計算

港口移動起重機(jī)工作3機(jī)構(gòu)（起升、變幅、回轉(zhuǎn)）一般采用2種驅(qū)動方式：液壓系統(tǒng)和電氣變頻。由于電氣變頻驅(qū)動系統(tǒng)功率計算相當(dāng)簡單，可以直接讀取變頻器的數(shù)據(jù)，故本文只介紹液壓驅(qū)動系統(tǒng)。

針對液壓系統(tǒng)的特性，液壓泵功率為

式中：P0為液壓泵輸出功率；p0為液壓泵輸出壓力可通過壓力傳感器讀取實際數(shù)值；q0為液壓泵的流量；η0為系統(tǒng)傳動效率，一般使用經(jīng)驗系數(shù)。

將式（1）和式（2）整理轉(zhuǎn)換得

式中：P為機(jī)構(gòu)功率，Cref為請求控制電流，Cmax為電流最大值，Cmin為電流最小值，q為泵單圈的額定排量，n為泵的轉(zhuǎn)速，p為泵的壓力，η為機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)傳動效率。

針對起升、變幅、回轉(zhuǎn)單個機(jī)構(gòu)，已知量為Cmax、Cmin、q、n、p、η，變量為Cref，通過式（3）可分別求出起升、變幅、回轉(zhuǎn)的功率。

2 港口移動起重機(jī)發(fā)動機(jī)智能分配方法

2.1 控制原理

所有的控制計算部分均由控制器（PLC）內(nèi)的軟件部分完成。當(dāng)操作人員通過操作手柄來請求機(jī)構(gòu)速度，控制器接收到速度請求，控制器根據(jù)速度請求計算預(yù)期需要的功率，并根據(jù)發(fā)動機(jī)目前的負(fù)載情況判斷是否能夠滿足所需要的請求，若能滿足則直接輸出為改變液壓泵組的電流值為請求值。如果判斷發(fā)動機(jī)無法滿足請求值，則需要計算最大允許的各機(jī)構(gòu)速度；根據(jù)計算限制各機(jī)構(gòu)的電流和速度輸出，輸出至液壓泵組的電流值。在整個過程中實時讀取液壓泵壓力、發(fā)動機(jī)的扭矩百分比等。控制原理如圖3所示。

2.2 控制原理解析

2.2.1 控制步驟

如圖2和圖3所示，本文介紹的港口移動起重機(jī)發(fā)動機(jī)功率智能分配方法，包含以下步驟：

圖3 控制原理圖

1）讀取發(fā)動機(jī)實時扭矩百分比Tact、怠速扭矩百分比Tidle、起升加減速時間th（預(yù)設(shè)）；

2）讀取手柄起升動作請求值Jr、變幅動作請求值Jb、回轉(zhuǎn)動作的請求值Js；

3）根據(jù)手柄起升動作請求值計算起升請求速度vh、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓泵的電流請求值cs和變幅機(jī)構(gòu)液壓泵的電流請求值cb；

4）計算起升請求功率Ph，根據(jù)回轉(zhuǎn)和變幅的請求電流通過流量與電流的正比關(guān)系計算流量q，記錄回轉(zhuǎn)的泵頭壓力p，計算變幅的請求功率Prb和回轉(zhuǎn)的請求功率Prs；

5）通過起升請求功率Prh、變幅的請求功率Prb、回轉(zhuǎn)的請求功率Prs和怠速功率Pidle之和與發(fā)動機(jī)的總功率Pt計算出與發(fā)動機(jī)總功率的比值s，若s＜1則未超過發(fā)動機(jī)最大功率，直接給定請求值；若s≥1則已經(jīng)超過發(fā)動機(jī)最大功率，計算超出發(fā)動機(jī)需求的額外功率需求Pex；

6）根據(jù)此時起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度比例關(guān)系按比例減去相應(yīng)比例的額外功率需求，單個機(jī)構(gòu)動作時，起升所允許的極限功率為Pmh、變幅所允許的極限功率為Pmb和回轉(zhuǎn)所允許的極限功率為Pms計算出起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)允許最大功率Pmhl、Pmbl、Pmsl；

7）根據(jù)允許的最大功率需求計算出起升最大工作速度vmh、回轉(zhuǎn)最大工作電流cms、變幅最大工作電流cmb，并最終給定。

2.2.2 各機(jī)構(gòu)請求輸入計算

根據(jù)手柄起升動作請求值Jr計算起升機(jī)構(gòu)請求速度和變幅、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓泵比例閥請求電流。

起升請求速度為

式中：Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動作請求值，vmax為手柄最大值時對應(yīng)的最大速度值。

式中：C為電流請求值，Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動作請求值，Cmax為電流最大值，Cmin為電流最小值；Cmax、Cmin為已知的參數(shù)值。

根據(jù)式（2）計算回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓泵的電流請求值Cs和變幅機(jī)構(gòu)液壓泵的電流請求值Cb。

2.2.3 各機(jī)構(gòu)請求功率計算

起升請求的加速時間為

式中：Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動作請求值，th為起升從0到最大值加減速時間（系統(tǒng)預(yù)設(shè)值）。

起升機(jī)構(gòu)的加速度ah為

起升機(jī)構(gòu)負(fù)載提升所需要的力為

式中：m為起升機(jī)構(gòu)當(dāng)前吊重質(zhì)量（通過稱重系統(tǒng)測量取得數(shù)值），g為重力加速度。

起升請求功率為

式中：vh為負(fù)載的速度，ηh為起升機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)傳動效率。

通過式（7）變形得到式（8）。

式中：P0為液壓泵輸出功率，p0為液壓泵輸出壓力，q0為液壓泵的流量，η0為系統(tǒng)傳動效率，Pref為請求功率， Cref為請求控制電流，Cmax為電流最大值，Cmin為電流最小值，q為泵單圈的額定排量，n為泵的轉(zhuǎn)速，p為泵的壓力，η為機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)傳動效率。

通過式（8）計算得到變幅的請求功率Prb和回轉(zhuǎn)的請求功率Prs。

2.2.4 各機(jī)構(gòu)請求額外功率計算

港口移動起重機(jī)發(fā)動機(jī)功率智能分配方法，其特征在于：所述步驟5）具體為

通過式（9）計算當(dāng)前發(fā)動機(jī)所消耗怠速功率為

式中：Pt為發(fā)動機(jī)總功率，Tidle為怠速扭矩百分比。

通過起升請求功率Prh、變幅的請求功率Prb、回轉(zhuǎn)的請求功率Prs和當(dāng)前使用功率之和Pact與發(fā)動機(jī)的總功率Pt計算出與發(fā)動機(jī)總功率的比值為

如果比值s小于1則未超過發(fā)動機(jī)最大功率，直接給定請求值；

如果比值s大于等于1則已經(jīng)超過發(fā)動機(jī)最大功率，此時計算超出發(fā)動機(jī)需求的額外功率需求為

2.2.5 各機(jī)構(gòu)功率智能分配

某一機(jī)構(gòu)當(dāng)前所使用的功率占最多使用功率的百分比為

式中：Pact為此機(jī)構(gòu)當(dāng)前所使用功率值，通過讀取發(fā)動機(jī)實時的扭矩百分比計算得出；Pmax為此機(jī)構(gòu)使用功率極限值，為已知給定值。

根據(jù)此時3機(jī)構(gòu)的速度比例關(guān)系按比例減去相應(yīng)比例的額外功率需求，單個機(jī)構(gòu)動作時，起升所允許的極限功率為

式中：Prh為單機(jī)構(gòu)所請求功率，Sh為起升占比，Sb為變幅占比，Ss為回轉(zhuǎn)占比，Pex為超出發(fā)動機(jī)總功率的請求功率。

2.2.6 根據(jù)所分配功率計算最終控制信號輸出

式中：Cmac為電流最大值，Cmin為電流最小值，q為泵單圈的額定排量，n為泵的轉(zhuǎn)速，p為泵的壓力，η為機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)傳動效率，ηh為起升機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)傳動效率，Pmb為變幅所允許的極限功率，Pms為回轉(zhuǎn)所允許的極限功率。變幅和回轉(zhuǎn)的泵控電流值可以直接輸出至泵控比例閥。

起升機(jī)構(gòu)如果采用變頻驅(qū)動即是限制電動機(jī)速度輸出（根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的傳動比換算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速對應(yīng)變頻器相應(yīng)的控制數(shù)值），如果采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動就可以采用與式（20）相同的方式限制液壓泵的電流輸出，變幅和回轉(zhuǎn)為液壓驅(qū)動，通過限制電流輸出和速度輸出限制了功率輸出，實現(xiàn)功率智能分配。

3 結(jié)論

本文介紹的港口移動起重機(jī)發(fā)動機(jī)功率智能分配方法，通過功率分配技術(shù)可以大大降低港口移動起重機(jī)的發(fā)動機(jī)功率選型，同時降低整機(jī)質(zhì)量，降低產(chǎn)品的制造成本和使用成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。在不需要3機(jī)構(gòu)聯(lián)動的工況下，單個或2個機(jī)構(gòu)可以充分發(fā)揮最大運行效率，在需要3機(jī)構(gòu)聯(lián)動的工況下確保3個機(jī)構(gòu)可以最大比例的發(fā)揮效率。該技術(shù)應(yīng)用在印度PICT和VIZAG 2個港口的4臺港口移動起重機(jī)中取得了很好的使用效果。