基于閉環(huán)負(fù)反饋控制的翻渣門式起重機(jī)研究

程雪利，安林超

基于閉環(huán)負(fù)反饋控制的翻渣門式起重機(jī)研究

程雪利，安林超

（河南工學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003）

傳統(tǒng)的翻渣門式起重機(jī)大多是人工控制翻渣過程，其在翻渣效率、翻渣動作控制等方面有很大的欠缺?；陂]環(huán)翻渣動作控制系統(tǒng)和采用液壓驅(qū)動的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)的新型翻渣門式起重機(jī)，以理想翻渣位置作為輸入信號，液壓驅(qū)動的四連桿機(jī)構(gòu)運動軌跡作為反饋信號，實現(xiàn)自動翻渣，提高了翻渣門式起重機(jī)的翻渣效率和作業(yè)可靠性。

翻渣門式起重機(jī)；閉環(huán)控制；四連桿翻渣機(jī)構(gòu)

0 引言

翻渣門式起重機(jī)是一種將地下泥漿輸送到地面、輔助地下盾構(gòu)機(jī)等設(shè)備拆裝的新型起重機(jī)，主要用于城市軌道交通施工，在地鐵施工中運用最多。目前，國內(nèi)地鐵施工用的門式起重機(jī)是人工翻渣，人工打開渣斗底板，待翻渣結(jié)束后人工合上渣斗底板。這種方法工藝煩瑣、效率低、操作工人危險性大。因此研究翻渣門式起重機(jī)的自動翻渣機(jī)構(gòu)和翻渣動作的控制方式對生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率有重大意義。目前國內(nèi)外對門式起重機(jī)的研究已很成熟，但對用于城市軌道交通建設(shè)的翻渣門式起重機(jī)研究較少。本文采用理想翻渣位置作為輸入信號，將液壓驅(qū)動的四連桿機(jī)構(gòu)運動軌跡作為反饋信號，設(shè)計出基于閉環(huán)負(fù)反饋的翻渣動作控制系統(tǒng)和采用液壓驅(qū)動的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)的新型翻渣門式起重機(jī)，為改進(jìn)翻渣門式起重機(jī)的作業(yè)效率和穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

1 翻渣門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

圖1 翻渣門式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

翻渣門式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由起升機(jī)構(gòu)、翻渣機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)和渣斗等組成，翻渣機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制的變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，具有安全高效、翻渣位置準(zhǔn)確等特點。該起重機(jī)起重量為45t，起升高度為9m，跨度為24.6m。翻渣門式起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見附表。

附表 翻渣門式起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 翻渣門式起重機(jī)工作原理

該門式起重機(jī)翻渣工作過程可以分為渣斗起升、帶載運行到翻渣位置、渣斗下降、自動翻渣四個過程。這四個過程循環(huán)工作，不斷把地下泥渣運送到地面泥渣回收站。其翻渣原理為：起升機(jī)構(gòu)通過專用吊具將裝有泥渣的渣斗從巷道中吊起，通過起升小車運行到翻渣位置，此時啟動液壓翻渣機(jī)構(gòu)，液壓油缸伸出帶動四連桿機(jī)構(gòu)運動，使拐壁鉤住渣斗的偏心掛點位置，小車制動，啟動起升機(jī)構(gòu)，吊具下降帶動渣斗傾斜到固定位置，渣斗自動翻轉(zhuǎn)卸料；卸完料后，啟動起升機(jī)構(gòu)，使渣斗復(fù)位，再啟動液壓系統(tǒng)，推動液壓缸帶動拐臂脫離渣斗，由此完成一個工作循環(huán)[3-4]。

3 閉環(huán)翻渣動作控制系統(tǒng)

為了準(zhǔn)確控制翻渣門式起重機(jī)的翻渣動作，設(shè)計了一套閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。其控制原理如圖2所示。該閉環(huán)控制系統(tǒng)以理想翻渣位置為輸入信號，以液壓驅(qū)動的四連桿機(jī)構(gòu)運動軌跡為反饋信號，以液壓缸和限位開關(guān)的動作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以四連桿機(jī)構(gòu)的動作為被控對象。

圖2 翻渣起重機(jī)閉環(huán)控制原理圖

開始翻渣時，啟動液壓系統(tǒng)，液壓油缸推動四連桿機(jī)構(gòu)運動，測量元件會實時把四連桿機(jī)構(gòu)的運動軌跡反饋到控制系統(tǒng)，并和理想的翻渣位置（輸入信號）進(jìn)行對比求出偏差，當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)的運動軌跡和理想的翻渣位置（輸入信號）一致時（偏差為零），限位開關(guān)起作用，使液壓缸停止工作并自鎖，起升機(jī)構(gòu)下降開始自動翻渣。翻渣動作實現(xiàn)自動控制，大大提高了翻渣門式起重機(jī)的翻渣效率和安全可靠性[5-7]。

4 門式起重機(jī)翻渣機(jī)構(gòu)

該起重機(jī)翻渣機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動的四連桿新型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

液壓驅(qū)動的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)固裝在起升機(jī)構(gòu)的小車架9上，由液壓缸2、連桿3、限位開關(guān)4、掛臂5、渣斗7構(gòu)成。其中液壓缸2一端鉸接在小車架9上，一端和連桿3鉸接，小車架9、液壓缸2、連桿3和掛臂5構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)。

圖3 翻渣機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)起重機(jī)需要翻渣時，啟動起升機(jī)構(gòu) 1，起吊渣斗 7到翻渣所需高度，通過小車運行機(jī)構(gòu)把渣斗運送到渣場的正上方，然后啟動液壓系統(tǒng)，推動液壓缸2帶動連桿3轉(zhuǎn)動，連桿3再驅(qū)動掛臂5平動，使掛臂5運行到偏心定位軸8的正下方，此時連桿3轉(zhuǎn)動碰撞限位開關(guān)4，限位開關(guān)4起作用，液壓缸停止工作并自鎖；起升機(jī)構(gòu)1帶動渣斗7下降，使偏心軸8落到掛臂5的凹槽中，此時掛臂5掛好渣斗7，起升機(jī)構(gòu)1繼續(xù)下降，帶動渣斗7繞偏心軸8轉(zhuǎn)動到固定位置，起升小車制動，渣斗7自動翻轉(zhuǎn)卸料；卸料完成后，啟動起升機(jī)構(gòu)1，使渣斗7復(fù)位，再啟動液壓系統(tǒng)，帶動液壓缸2回收，驅(qū)動連桿3和掛壁5轉(zhuǎn)動復(fù)位，連桿3轉(zhuǎn)動碰撞限位開關(guān)4，限位開關(guān)4起作用，液壓缸停止工作，使渣斗和掛壁脫離，由此完成一個工作循環(huán)。

該四連桿翻渣機(jī)構(gòu)采用限位開關(guān)進(jìn)行限位，同時利用液壓驅(qū)動的四連桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)偏心自動翻渣，不但結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單，而且定位準(zhǔn)確、安全性能好[8-10]。

5 結(jié)語

本文通過對門式翻渣起重機(jī)的翻渣過程和四連桿翻渣機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計出基于閉環(huán)負(fù)反饋的翻渣動作控制系統(tǒng)和采用液壓驅(qū)動的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)的新型翻渣門式起重機(jī)，提高了翻渣門式起重機(jī)的作業(yè)效率和可靠性。

[1] 程雪利，安林超，岳大靈，等.基于整機(jī)的龍門起重機(jī)動態(tài)特性分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2013（4）：28-31.

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Study on Flipped Muck Gantry Crane Based on Closed Loop Negative Feedback Control

CHENG Xue-li，et al
(Department of Mechanical Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

Traditional flipped muck gantry crane control its flipped muck process by manual control，its flipped muck accuracy and action are very lack. Study of the ideal flipped muck position as the input signal,trajectory of hydraulic driven four-bar linkages as the feedback signal, design the flipped muck action control system which based on closed loop and the new flipped muck gantry crane which use hydraulic to drive four-bar linkages flipped muck mechanism, improved flipped muck gantry crane on flipped muck precision and reliability.

flipped muck gantry crane; closed loop control; flipped muck mechanism of four-bar linkages

TH218

A

1008–2093(2017)04–0001–04

2017-05-10

河南省高校青年骨干教師資助計劃（2014GGJS-131）

程雪利（1978―），女，河南濮陽人，副教授，碩士，主要從事精密制造及計算機(jī)仿真優(yōu)化設(shè)計研究。

（責(zé)任編輯 呂春紅）