港口移動(dòng)起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率智能分配方法

崔益華 李文鋒 金 建 任進(jìn)勇 王 建

南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司 南通 226013

0 引言

港口移動(dòng)起重機(jī)相較于軌道式起重機(jī)具備自重輕、多功能、通過(guò)性好和轉(zhuǎn)場(chǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，這主要得益于起重機(jī)自帶動(dòng)力，采用了發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)形式。港口移動(dòng)起重機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱和發(fā)電機(jī)組成?？紤]到各方面的綜合因素，往往發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際最大輸出功率跟整機(jī)最大瞬時(shí)使用功率之間是有一定差距的。在某種特殊情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)因?yàn)闊o(wú)法滿足設(shè)備瞬時(shí)功率請(qǐng)求而快速降低轉(zhuǎn)速并導(dǎo)致電壓降低甚至發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。

龍建強(qiáng)[1]探討了銑刨機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率分配的原則應(yīng)結(jié)合發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)目標(biāo)值功率相一致，使機(jī)器有最好的動(dòng)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(dòng)機(jī)、泵的最佳工作點(diǎn)與匹配等問(wèn)題，分析了發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的思路。王鑫[3]分析了刨煤機(jī)功率自動(dòng)分配的原理，提出了電液控制-過(guò)程控制和轉(zhuǎn)速控制2種方式，通過(guò)調(diào)節(jié)行走的機(jī)構(gòu)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的自動(dòng)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(dòng)起重機(jī)車的特性，針對(duì)移動(dòng)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(dòng)起重機(jī)車各機(jī)構(gòu)功率的算法和線性控制方法，實(shí)時(shí)計(jì)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(hào)，最終在輸出端通過(guò)控制信號(hào)的限制避免發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)過(guò)載。

1 港口移動(dòng)起重機(jī)工作原理

1.1 港口移動(dòng)起重機(jī)工作組成部分介紹

港口移動(dòng)起重機(jī)可分為動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分。港口移動(dòng)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(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。該系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用恒轉(zhuǎn)速控制模式的機(jī)型。通過(guò)圖1、圖2可以了解港口移動(dòng)起重機(jī)的外形和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)模型。

圖1 港口移動(dòng)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(dòng)起重機(jī)各機(jī)構(gòu)功率計(jì)算

港口移動(dòng)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(dòng)方式：液壓系統(tǒng)和電氣變頻。由于電氣變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率計(jì)算相當(dāng)簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)。

針對(duì)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(guò)壓力傳感器讀取實(shí)際數(shù)值；q0為液壓泵的流量；η0為系統(tǒng)傳動(dòng)效率，一般使用經(jīng)驗(yàn)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(qǐng)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(dòng)效率。

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

2 港口移動(dòng)起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)智能分配方法

2.1 控制原理

所有的控制計(jì)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(guò)操作手柄來(lái)請(qǐng)求機(jī)構(gòu)速度，控制器接收到速度請(qǐng)求，控制器根據(jù)速度請(qǐng)求計(jì)算預(yù)期需要的功率，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)目前的負(fù)載情況判斷是否能夠滿足所需要的請(qǐng)求，若能滿足則直接輸出為改變液壓泵組的電流值為請(qǐng)求值。如果判斷發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足請(qǐng)求值，則需要計(jì)算最大允許的各機(jī)構(gòu)速度；根據(jù)計(jì)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(gè)過(guò)程中實(shí)時(shí)讀取液壓泵壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩百分比等?？刂圃砣鐖D3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(dòng)起重機(jī)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)扭矩百分比Tact、怠速扭矩百分比Tidle、起升加減速時(shí)間th（預(yù)設(shè)）；

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

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

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

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

6）根據(jù)此時(shí)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(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，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(jì)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(jì)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(qǐng)求輸入計(jì)算

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

起升請(qǐng)求速度為

式中：Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動(dòng)作請(qǐng)求值，vmax為手柄最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的最大速度值。

式中：C為電流請(qǐng)求值，Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動(dòng)作請(qǐng)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(jì)算回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓泵的電流請(qǐng)求值Cs和變幅機(jī)構(gòu)液壓泵的電流請(qǐng)求值Cb。

2.2.3 各機(jī)構(gòu)請(qǐng)求功率計(jì)算

起升請(qǐng)求的加速時(shí)間為

式中：Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動(dòng)作請(qǐng)求值，th為起升從0到最大值加減速時(shí)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(guò)稱重系統(tǒng)測(cè)量取得數(shù)值），g為重力加速度。

起升請(qǐng)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(dòng)效率。

通過(guò)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(dòng)效率，Pref為請(qǐng)求功率， Cref為請(qǐng)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(dòng)效率。

通過(guò)式（8）計(jì)算得到變幅的請(qǐng)求功率Prb和回轉(zhuǎn)的請(qǐng)求功率Prs。

2.2.4 各機(jī)構(gòu)請(qǐng)求額外功率計(jì)算

港口移動(dòng)起重機(jī)發(fā)動(dòng)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(guò)式（9）計(jì)算當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗怠速功率為

式中：Pt為發(fā)動(dòng)機(jī)總功率，Tidle為怠速扭矩百分比。

通過(guò)起升請(qǐng)求功率Prh、變幅的請(qǐng)求功率Prb、回轉(zhuǎn)的請(qǐng)求功率Prs和當(dāng)前使用功率之和Pact與發(fā)動(dòng)機(jī)的總功率Pt計(jì)算出與發(fā)動(dòng)機(jī)總功率的比值為

如果比值s小于1則未超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，直接給定請(qǐng)求值；

如果比值s大于等于1則已經(jīng)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，此時(shí)計(jì)算超出發(fā)動(dòng)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(guò)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的扭矩百分比計(jì)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(shí)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(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，起升所允許的極限功率為

式中：Prh為單機(jī)構(gòu)所請(qǐng)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(dòng)機(jī)總功率的請(qǐng)求功率。

2.2.6 根據(jù)所分配功率計(jì)算最終控制信號(hào)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(dòng)效率，ηh為起升機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)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(dòng)即是限制電動(dòng)機(jī)速度輸出（根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比換算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)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(dòng)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(dòng)，通過(guò)限制電流輸出和速度輸出限制了功率輸出，實(shí)現(xiàn)功率智能分配。

3 結(jié)論

本文介紹的港口移動(dòng)起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率智能分配方法，通過(guò)功率分配技術(shù)可以大大降低港口移動(dòng)起重機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率選型，同時(shí)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在不需要3機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的工況下，單個(gè)或2個(gè)機(jī)構(gòu)可以充分發(fā)揮最大運(yùn)行效率，在需要3機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的工況下確保3個(gè)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(gè)港口的4臺(tái)港口移動(dòng)起重機(jī)中取得了很好的使用效果。