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        基于液壓控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)特性影響因素研究

        2023-06-08 06:25:51李楚
        機電信息 2023年11期
        關(guān)鍵詞:密煉機振動

        摘要:傳統(tǒng)密煉機料斗翻轉(zhuǎn)由蝸輪蝸桿驅(qū)動,粉塵污染極易導致電機負載增大而燒毀或限位開關(guān)失靈,存在料斗卡死現(xiàn)象。采用液壓缸驅(qū)動料斗翻轉(zhuǎn)既可解決該問題,又便于維修。鑒于此,提出了一種基于液壓控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)PID控制系統(tǒng),對其閉環(huán)控制方法進行了分析;基于AMESim搭建了料斗翻轉(zhuǎn)角度控制系統(tǒng)仿真模型,對料斗翻轉(zhuǎn)特性及其影響因素進行了仿真,獲得了料斗轉(zhuǎn)動慣量、旋轉(zhuǎn)阻尼和PID微分項系數(shù)對料斗翻轉(zhuǎn)啟停振動的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,減小料斗轉(zhuǎn)動慣量、增大旋轉(zhuǎn)阻尼可有效消除料斗翻轉(zhuǎn)振動;料斗旋轉(zhuǎn)阻尼大于400 N·m/(r/min)可有效控制料斗翻轉(zhuǎn)振動;選取微分項系數(shù)為0.1時,料斗翻轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)誤差基本消除。

        關(guān)鍵詞:密煉機;料斗翻轉(zhuǎn);PID;翻轉(zhuǎn)角度;振動

        中圖分類號:TQ330.4? 文獻標志碼:A? 文章編號:1671-0797(2023)11-0057-04

        DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.015

        0? ? 引言

        傳統(tǒng)密煉機料斗翻轉(zhuǎn)力由蝸輪蝸桿提供,機器在密閉空間內(nèi)長時間工作,極易產(chǎn)生粉塵污染,導致電機負載增大進而嚴重燒毀電機或出現(xiàn)限位開關(guān)失靈現(xiàn)象,影響橡膠熔煉安全、成本和進度。

        基于此,對料斗翻轉(zhuǎn)擬采用液壓缸驅(qū)動代替蝸輪蝸桿傳動;為提高料斗卸料率,需精確控制料斗翻轉(zhuǎn)角度,故引入閉環(huán)控制技術(shù)[1]。結(jié)合相關(guān)機械翻轉(zhuǎn)理論技術(shù)[2-3]和PID調(diào)節(jié)控制理論[4],本文提出了一種基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng),基于AMESim軟件搭建了密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度PID閉環(huán)控制系統(tǒng),研究了基于翻轉(zhuǎn)液壓缸角度的PID閉環(huán)控制特性,重點分析了基于料斗翻轉(zhuǎn)角度控制特性的影響因素,仿真了料斗轉(zhuǎn)動慣量、翻轉(zhuǎn)阻尼及PID控制器微分系數(shù)對翻轉(zhuǎn)角度波動程度的影響,對密煉機料斗翻轉(zhuǎn)裝置研制及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具有指導意義。

        1? ? 基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)

        基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖如圖1所示,此時翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞處于縮回狀態(tài),密煉機料斗已翻轉(zhuǎn)卸料。設(shè)定密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度為θ。

        密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度PID控制液壓系統(tǒng)如圖2所示[5-8],使用角度傳感器及其傳輸通道構(gòu)成翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制液壓系統(tǒng),設(shè)定密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度目標值為θ0。

        圖2中電機帶動定量泵工作,泵提供液壓缸動作流量和壓力,比例換向閥換至左位,液壓缸活塞縮回,料斗逆時針旋轉(zhuǎn)卸料;比例換向閥換至右位,液壓缸活塞伸出,料斗順時針旋轉(zhuǎn)至待裝料狀態(tài)。

        料斗翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制邏輯圖如圖3所示。

        密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制:密煉機翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)通過角度傳感器實時輸出料斗翻轉(zhuǎn)角度θ,通過反饋通道到達求和運算器,與其目標角度值θ0比較輸出角度誤差eθ,eθ傳輸?shù)絇ID控制器控制閥芯實時動作,直至料斗翻轉(zhuǎn)角度逼近目標角度值。

        2? ? 基于角度控制的料斗翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)建模

        基于AMESim軟件的液壓庫搭建如圖4所示的基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型,系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

        3? ? 基于角度控制的翻轉(zhuǎn)控制特性仿真分析

        在基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)PID閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型中,設(shè)置料斗理想目標角度值為132°,輸入PID參數(shù)值:kp=10、ki=0.05、kd=0.01,時間間隔0.01 s,仿真3 s得到如圖5所示的基于角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)控制特性曲線,其中圖5(a)為基于角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)角度及液壓缸位移變化曲線,圖5(b)為基于角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)角速度及液壓缸速度變化曲線。

        由圖5可知,基于翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)系統(tǒng),料斗翻轉(zhuǎn)角度逼近目標值的響應(yīng)時間約1.6 s,滯后0.2 s,實際料斗翻轉(zhuǎn)角度為132.4°,料斗翻轉(zhuǎn)過程中液壓缸活塞縮回速度可達0.44 m/s,滯后位置控制系統(tǒng)0.04 m/s,料斗翻轉(zhuǎn)速度約為11.14 r/min,滯后位置控制系統(tǒng)0.9 r/min,料斗翻轉(zhuǎn)啟動和結(jié)束時沖擊振動嚴重。

        4? ? 翻轉(zhuǎn)特性影響因素研究

        通過減小料斗轉(zhuǎn)動慣量消除翻轉(zhuǎn)啟停沖擊,設(shè)置料斗轉(zhuǎn)動慣量分別為20、40、60、80 kg·m2進行基于角度控制的料斗翻轉(zhuǎn)仿真,得到如圖6所示的料斗轉(zhuǎn)動慣量對料斗翻轉(zhuǎn)角度的影響。

        由圖6可知,減小料斗轉(zhuǎn)動慣量對減小料斗翻轉(zhuǎn)角度具有明顯的效果。

        在實際中可設(shè)計料斗形狀使其裝料重心與旋轉(zhuǎn)鉸接點盡可能小,進而減小料斗轉(zhuǎn)動慣量,降低料斗翻轉(zhuǎn)振動。

        通過增加阻尼消除翻轉(zhuǎn)啟停沖擊,設(shè)置料斗旋轉(zhuǎn)阻尼為100、400、700、1 000 N·m/(r/min)進行仿真,得到如圖7所示的料斗翻轉(zhuǎn)阻尼對翻轉(zhuǎn)角度的影響。

        由圖7可知,當料斗翻轉(zhuǎn)阻尼為400 N·m/(r/min)以上時,料斗翻轉(zhuǎn)停止波動基本消除。

        設(shè)置PID控制器微分項系數(shù)分別為0.01、0.1、1、5進行仿真,得到如圖8所示的PID微分項系數(shù)對翻轉(zhuǎn)角度的影響。

        由圖8可知,增大PID微分項系數(shù),料斗翻轉(zhuǎn)停止沖擊逐漸消除,當微分項系數(shù)為0.1時,料斗翻轉(zhuǎn)波動得到有效控制。

        5? ? 結(jié)論

        傳統(tǒng)密煉機料斗機械翻轉(zhuǎn)驅(qū)動力由電機帶動蝸輪蝸桿傳動裝置提供,機器長時間工作會因粉塵污染導致負載增大,進而造成蝸輪蝸桿傳動卡死,燒壞電機。針對此不足,采用液壓控制油缸提供料斗翻轉(zhuǎn)驅(qū)動力,設(shè)計了一種密煉機料斗液壓翻轉(zhuǎn)角度PID閉環(huán)控制系統(tǒng),對料斗翻轉(zhuǎn)角度、翻轉(zhuǎn)速度、液壓缸位移及液壓缸速度變化情況進行了仿真,重點研究了基于角度控制料斗翻轉(zhuǎn)特性的影響因素及其規(guī)律,對液壓控制式密煉機料斗翻轉(zhuǎn)裝置研制具有理論指導意義,主要得出以下結(jié)論:

        (1)減小料斗轉(zhuǎn)動慣量、增大料斗旋轉(zhuǎn)阻尼,料斗翻轉(zhuǎn)振動得到有效控制;

        (2)PID微分項系數(shù)選取0.1,料斗翻轉(zhuǎn)角度曲線穩(wěn)態(tài)誤差較小。

        [參考文獻]

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        收稿日期:2023-03-02

        作者簡介:李楚(1992—),女,江蘇徐州人,碩士,助教,主要從事機械設(shè)計與液壓傳動科研教學工作。

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