基于閉環(huán)負(fù)反饋控制的翻渣門(mén)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(mén)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(mén)式起重機(jī)大多是人工控制翻渣過(guò)程，其在翻渣效率、翻渣動(dòng)作控制等方面有很大的欠缺。基于閉環(huán)翻渣動(dòng)作控制系統(tǒng)和采用液壓驅(qū)動(dòng)的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)的新型翻渣門(mén)式起重機(jī)，以理想翻渣位置作為輸入信號(hào)，液壓驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡作為反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻渣，提高了翻渣門(mén)式起重機(jī)的翻渣效率和作業(yè)可靠性。

翻渣門(mén)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(mén)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(yùn)用最多。目前，國(guó)內(nèi)地鐵施工用的門(mén)式起重機(jī)是人工翻渣，人工打開(kāi)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(xiǎn)性大。因此研究翻渣門(mén)式起重機(jī)的自動(dòng)翻渣機(jī)構(gòu)和翻渣動(dòng)作的控制方式對(duì)生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率有重大意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)門(mén)式起重機(jī)的研究已很成熟，但對(duì)用于城市軌道交通建設(shè)的翻渣門(mén)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(hào)，將液壓驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡作為反饋信號(hào)，設(shè)計(jì)出基于閉環(huán)負(fù)反饋的翻渣動(dòng)作控制系統(tǒng)和采用液壓驅(qū)動(dòng)的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)的新型翻渣門(mén)式起重機(jī)，為改進(jìn)翻渣門(mén)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(mén)式起重機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

圖1 翻渣門(mén)式起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

翻渣門(mén)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(dòng)，具有安全高效、翻渣位置準(zhǔn)確等特點(diǎn)。該起重機(jī)起重量為45t，起升高度為9m，跨度為24.6m。翻渣門(mén)式起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)附表。

附表 翻渣門(mén)式起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 翻渣門(mén)式起重機(jī)工作原理

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

3 閉環(huán)翻渣動(dòng)作控制系統(tǒng)

為了準(zhǔn)確控制翻渣門(mén)式起重機(jī)的翻渣動(dòng)作，設(shè)計(jì)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(hào)，以液壓驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡為反饋信號(hào)，以液壓缸和限位開(kāi)關(guān)的動(dòng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以四連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作為被控對(duì)象。

圖2 翻渣起重機(jī)閉環(huán)控制原理圖

開(kāi)始翻渣時(shí)，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，液壓油缸推動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量元件會(huì)實(shí)時(shí)把四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡反饋到控制系統(tǒng)，并和理想的翻渣位置（輸入信號(hào)）進(jìn)行對(duì)比求出偏差，當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和理想的翻渣位置（輸入信號(hào)）一致時(shí)（偏差為零），限位開(kāi)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(kāi)始自動(dòng)翻渣。翻渣動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，大大提高了翻渣門(mén)式起重機(jī)的翻渣效率和安全可靠性[5-7]。

4 門(mén)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(dòng)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(dòng)的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)固裝在起升機(jī)構(gòu)的小車(chē)架9上，由液壓缸2、連桿3、限位開(kāi)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(chē)架9上，一端和連桿3鉸接，小車(chē)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(shí)，啟動(dòng)起升機(jī)構(gòu) 1，起吊渣斗 7到翻渣所需高度，通過(guò)小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)把渣斗運(yùn)送到渣場(chǎng)的正上方，然后啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，推動(dòng)液壓缸2帶動(dòng)連桿3轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿3再驅(qū)動(dòng)掛臂5平動(dòng)，使掛臂5運(yùn)行到偏心定位軸8的正下方，此時(shí)連桿3轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞限位開(kāi)關(guān)4，限位開(kāi)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(dòng)渣斗7下降，使偏心軸8落到掛臂5的凹槽中，此時(shí)掛臂5掛好渣斗7，起升機(jī)構(gòu)1繼續(xù)下降，帶動(dòng)渣斗7繞偏心軸8轉(zhuǎn)動(dòng)到固定位置，起升小車(chē)制動(dòng)，渣斗7自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料；卸料完成后，啟動(dòng)起升機(jī)構(gòu)1，使渣斗7復(fù)位，再啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，帶動(dòng)液壓缸2回收，驅(qū)動(dòng)連桿3和掛壁5轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)位，連桿3轉(zhuǎn)動(dòng)碰撞限位開(kāi)關(guān)4，限位開(kāi)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(gè)工作循環(huán)。

該四連桿翻渣機(jī)構(gòu)采用限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行限位，同時(shí)利用液壓驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)偏心自動(dòng)翻渣，不但結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單，而且定位準(zhǔn)確、安全性能好[8-10]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)門(mén)式翻渣起重機(jī)的翻渣過(guò)程和四連桿翻渣機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出基于閉環(huán)負(fù)反饋的翻渣動(dòng)作控制系統(tǒng)和采用液壓驅(qū)動(dòng)的四連桿翻渣機(jī)構(gòu)的新型翻渣門(mén)式起重機(jī)，提高了翻渣門(mén)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(mén)起重機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)劃（2014GGJS-131）

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

（責(zé)任編輯 呂春紅）