溫建平

（1.山西省檢驗檢測中心（山西省標準計量技術(shù)研究院）特種設(shè)備檢驗技術(shù)研究所， 山西 太原 030006；2.安泰源特種設(shè)備檢測集團有限公司， 山西 太原 030009）

0 引言

移動回轉(zhuǎn)式起重機是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的一種起重機類型，屬于回轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用吊重過程中擺動極為嚴重。這不僅會影響到貨物擺放的精準度，降低運輸效率，而且會給周邊的設(shè)備和人員帶來安全隱患，發(fā)生事故的概率增加[1]。目前，在移動回轉(zhuǎn)式起重機的應(yīng)用過程中，常常采用外力拖拽的方式來對控制吊重搖擺，此種方式過渡依賴工作人員的操作經(jīng)驗。因此，設(shè)計一套防搖擺機構(gòu)，成為提高移動回轉(zhuǎn)式起重機應(yīng)用效率的關(guān)鍵所在。

1 起重機防搖擺控制策略的整體設(shè)計

目前，起重機的防搖擺設(shè)計主要是通過控制起重機吊臂和旋轉(zhuǎn)臺的的運動軌跡來實現(xiàn)的。這種設(shè)計方式能夠起到一定的防搖擺作用，但在復雜工況下，起重機吊重的搖擺情況并不能得到良好的控制。因此，本次根據(jù)某企業(yè)5 t 移動回轉(zhuǎn)式起重機的運動特點，設(shè)計一套在4 個電機驅(qū)動下的機械防擺機構(gòu)。該防擺機構(gòu)的設(shè)計是在起重機吊臂的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，通過在吊臂4 個對稱位置處設(shè)置拖拽鋼絲來實現(xiàn)對吊重搖擺進行控制。同時，為防擺機構(gòu)啟動電機搭配實時仿真控制系統(tǒng)（dSPACE MicroLabBox）。在防搖擺機構(gòu)的吊盤上安裝角度測量裝置，在防搖擺控制過程中，上位機獲取吊盤的角度信息，經(jīng)過閉環(huán)控制程序的判斷，得出起重機吊重的擺動角度，之后將電機控制信息傳遞到搭載dSPACE MicroLabBox 的下位機中，對4個電機進行驅(qū)動，改變電機繩索的長度，來控制吊重的擺動，進而保障吊重的快速穩(wěn)定。

2 起重機防搖擺機構(gòu)的零部件設(shè)計

2.1 防搖擺驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計

防搖擺驅(qū)動機構(gòu)的核心動力源頭是驅(qū)動電機，而由驅(qū)動電機牽引的鋼絲繩是減緩吊重擺動的重要受力部件，需要根據(jù)擺動力選用電機類型。本次設(shè)計是以某企業(yè)5 t 移動回轉(zhuǎn)式起重機為例，其最大負載量為5 t。經(jīng)過計算，每臺電機的轉(zhuǎn)矩需要達到90～130 N·m，因此，本次選用130ZYT51 型號的電機。電機與減速機相連接，減速機端安裝有儲繩卷筒，防擺鋼絲繩均勻纏繞在電機上保障牽引力的穩(wěn)定輸出。鋼絲繩需要利用C 型平鍵進行固定，確保鋼絲繩不會在儲繩卷筒上打滑。防擺電機減速機與吊臂利用螺栓連接，減速機底部用緊定螺釘頂死，防止卷筒擺動。4 個防擺動電機以吊臂為基礎(chǔ)進度對稱安置，起重機吊重主電機安裝在吊臂尾端。

為了避免牽引繩在空間中出現(xiàn)交叉情況，需要根據(jù)電機位置在吊臂的另一端設(shè)計與各電機相對應(yīng)的滑輪，由防擺電機引出的4 根牽引鋼絲繩經(jīng)過吊臂另一端的滑輪與防擺吊盤相連接。吊盤采用平整度良好的不銹鋼板制作，吊盤切割采用激光切割的方式，確保吊盤在應(yīng)用過程中的均勻性。整個起重機防搖擺機構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)式起重機防搖擺結(jié)構(gòu)模型

2.2 防搖擺角速度測量系統(tǒng)設(shè)計

對某企業(yè)移動回轉(zhuǎn)式起重機的應(yīng)用情況分析發(fā)現(xiàn)，在一般工況下，吊重的平面擺角在10°以內(nèi)，最大也不會超過20°。通常情況下，傾角檢測傳感器在檢測過程中擺角應(yīng)當在檢測儀量程的80%以內(nèi)。因此，本次選用SIN-VT 傾角傳感器（深圳維特智能科技有限公司）。該傳感器量程為0°～±90°，響應(yīng)時間為0.01 s，具有檢測三軸加速度、角速度以及角度的功能，并且集成了卡爾曼濾波算法，可以在動態(tài)條件下實時輸出傾角數(shù)據(jù)。將其安裝于吊盤的中間位置，安裝時傳感器需要與吊盤緊密貼合，確保測量的準確性。為了保證吊盤在空載時的平衡性，需要在吊盤上焊接配重塊。SIN-VT 傾角傳感器通過RS232 端口與上位機連接，進行測量角度的傳輸。

3 起重機防搖擺控制系統(tǒng)的設(shè)計

本次控制系統(tǒng)設(shè)計是基于dSPACE MicroLabBox對防搖擺驅(qū)動電機進行控制。在該系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，傾角傳感器將收集到的吊重姿態(tài)信息傳遞給上位機，上位機將相關(guān)信息代入到MATLAB/Simulink 中的防搖擺控制程序中，對吊重的搖擺情況進行仿真模擬，之后將模擬出的信號傳遞給dSPACE MicroLab-Box，隨即下位機發(fā)出電機驅(qū)動指令，對吊重擺動的反方向進行牽引，從而抑制吊重搖擺。為了提高防搖擺控制的精度，本次設(shè)計采用模糊PID 控制的方式，對傾角傳感器的信號進行分析，在MATLAB/Simulink 軟件中進行模糊控制器的設(shè)計。

為了驗證PID 控制器與模糊PID 控制器的控制效果，在仿真模型中設(shè)置電機的PID 控制和模糊PID控制方式，相對誤差設(shè)置為10-6，時間設(shè)置為1 s，設(shè)定轉(zhuǎn)速為100 r/min，在0.5 s 時增加負載，在0.8 s 是提高轉(zhuǎn)速至120 r/min，得出不同控制模式下的響應(yīng)結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 不同控制模式下防搖擺電機轉(zhuǎn)速變化情況

由圖2 可知，在模糊PID 控制器的仿真過程中，防搖擺電機在啟動時并無超調(diào)情況，并且響應(yīng)時間相對較短。在0.5 s 加入負載時，下降量與傳統(tǒng)PID 控制器控制下一致，但恢復轉(zhuǎn)速時間相對較短。在0.8 s 提高轉(zhuǎn)速時，并無超調(diào)量，調(diào)整時間為0.04 s，小于傳統(tǒng)PID 控制器轉(zhuǎn)速調(diào)整時間。由此可見，模糊PID 控制方式具有快速響應(yīng)、超調(diào)量小和魯棒性強的優(yōu)勢，在應(yīng)用過程中能夠更及時地對吊重搖擺進行響應(yīng)處理，具有更好的防搖擺效果。

4 起重機防搖擺控制策略的應(yīng)用分析

在某企業(yè)當中，共有4 臺同型號、同規(guī)格的移動回轉(zhuǎn)式起重機，主要應(yīng)用于物料的裝卸。在實際作業(yè)過程中，為了提高效率，需要配備一名專業(yè)工作人員對勾頭進行拖拽。此種方式雖然能夠降低吊重的搖擺幅度，但同時增大了物料轉(zhuǎn)移的危險性。2020 年，出現(xiàn)過3 次吊重脫鉤現(xiàn)象，嚴重影響了生產(chǎn)安全。為此，該企業(yè)提出起重機防搖擺的自動化控制改造。設(shè)計了防搖擺控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用于起重機當中，并對起重機吊重搖擺情況進行分析。

4.1 防搖擺控制效果分析

某企業(yè)移動回轉(zhuǎn)式起重機常規(guī)工況下所裝卸的物料重量為2 t，本次驗證以常規(guī)工況為準，吊重2 t，吊高為6 m。在驗證過程中利用傾角傳感器對吊重的搖擺情況進行檢測，檢測數(shù)據(jù)傳遞至上位機中，由人機交互界面顯示，具體驗證結(jié)果如圖3 所示。

圖3 防搖擺控制情況

圖3 為上位機顯示出的傾角傳感器檢測結(jié)果。其中，在未加防擺系統(tǒng)下，吊重最大擺角為17.6°，而在加入防擺控制系統(tǒng)下，吊重最大擺角為12.3°，降低了30.1%。在防擺控制系統(tǒng)的作用下，吊重傾角在4 s時已經(jīng)趨近于0°。而未應(yīng)用防擺控制系統(tǒng)時，吊重傾角在16 s 后才開始趨近于0°。由此可見，在防搖擺控制系統(tǒng)下，吊重的搖擺情況得到了有效抑制。

4.2 經(jīng)濟性分析

某企業(yè)的4 臺移動回轉(zhuǎn)式起重機在改造之前平均裝1 t 貨物需要用時16 min，卸1 t 貨物需要用時13 min。經(jīng)過改造后，通過一個月的裝卸作業(yè)發(fā)現(xiàn)，平均裝1 t 貨物需要用時6 min，卸1 t 貨物需要用時5 min。裝卸效率提升50%以上。原需要4 臺起重機共同工作，現(xiàn)僅需要2 臺便可以完成該廠區(qū)的裝卸任務(wù)。該起重機電機功率為22 kW，每日工作時長為16 h，1 臺起重機的每日耗能352 kW·h。經(jīng)過改造，每臺起重機增加4 臺1 kW 防搖擺電機，每日耗能為4×16=64 kW·h。在同種工況下，每日能夠降低能耗352×2-64×2=576 kW·h。該企業(yè)每年工作日為330 d左右，企業(yè)所在地工業(yè)用電費用為0.73 元/（kW·h），每年可為企業(yè)節(jié)約能源費13.88 萬元。原來，每臺設(shè)備需要設(shè)置4 人進行操控，每人月工資為5 500 元，每年可降低人工費用52.8 萬元，全年總計可為企業(yè)節(jié)約66.68 萬元。

5 結(jié)論

1）對起重機防搖擺機構(gòu)方案進行總體設(shè)計，確定以4 個電機為防搖擺驅(qū)動力，同時搭載dSPACE MicroLabBox 系統(tǒng)。

2）對防搖擺驅(qū)動機構(gòu)進行詳細設(shè)計，明確電機安裝位置。同時，對傾角檢測系統(tǒng)進行設(shè)計。

3）在MATLAB/Simulink 軟件中進行防搖擺控制系統(tǒng)的模擬試驗，驗證模糊PID 控制器的優(yōu)勢。

4）將防搖擺控制措施應(yīng)用于某企業(yè)當中，實踐表明：該防搖擺控制措施具有良好的應(yīng)用效果，應(yīng)用后，全年總計可為企業(yè)降低66.68 萬元。