起重機(jī)防搖擺控制策略的研究與應(yīng)用

溫建平

（1.山西省檢驗(yàn)檢測中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院）特種設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù)研究所， 山西 太原 030006；2.安泰源特種設(shè)備檢測集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030009）

0 引言

移動(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的一種起重機(jī)類型，屬于回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用吊重過程中擺動(dòng)極為嚴(yán)重。這不僅會(huì)影響到貨物擺放的精準(zhǔn)度，降低運(yùn)輸效率，而且會(huì)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(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)的應(yīng)用過程中，常常采用外力拖拽的方式來對(duì)控制吊重?fù)u擺，此種方式過渡依賴工作人員的操作經(jīng)驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)一套防搖擺機(jī)構(gòu)，成為提高移動(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)應(yīng)用效率的關(guān)鍵所在。

1 起重機(jī)防搖擺控制策略的整體設(shè)計(jì)

目前，起重機(jī)的防搖擺設(shè)計(jì)主要是通過控制起重機(jī)吊臂和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的的運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)的。這種設(shè)計(jì)方式能夠起到一定的防搖擺作用，但在復(fù)雜工況下，起重機(jī)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(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套在4 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的機(jī)械防擺機(jī)構(gòu)。該防擺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在起重機(jī)吊臂的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過在吊臂4 個(gè)對(duì)稱位置處設(shè)置拖拽鋼絲來實(shí)現(xiàn)對(duì)吊重?fù)u擺進(jìn)行控制。同時(shí)，為防擺機(jī)構(gòu)啟動(dòng)電機(jī)搭配實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)（dSPACE MicroLabBox）。在防搖擺機(jī)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(jī)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(jī)吊重的擺動(dòng)角度，之后將電機(jī)控制信息傳遞到搭載dSPACE MicroLabBox 的下位機(jī)中，對(duì)4個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，改變電機(jī)繩索的長度，來控制吊重的擺動(dòng)，進(jìn)而保障吊重的快速穩(wěn)定。

2 起重機(jī)防搖擺機(jī)構(gòu)的零部件設(shè)計(jì)

2.1 防搖擺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

防搖擺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心動(dòng)力源頭是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而由驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引的鋼絲繩是減緩吊重?cái)[動(dòng)的重要受力部件，需要根據(jù)擺動(dòng)力選用電機(jī)類型。本次設(shè)計(jì)是以某企業(yè)5 t 移動(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)為例，其最大負(fù)載量為5 t。經(jīng)過計(jì)算，每臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需要達(dá)到90～130 N·m，因此，本次選用130ZYT51 型號(hào)的電機(jī)。電機(jī)與減速機(jī)相連接，減速機(jī)端安裝有儲(chǔ)繩卷筒，防擺鋼絲繩均勻纏繞在電機(jī)上保障牽引力的穩(wěn)定輸出。鋼絲繩需要利用C 型平鍵進(jìn)行固定，確保鋼絲繩不會(huì)在儲(chǔ)繩卷筒上打滑。防擺電機(jī)減速機(jī)與吊臂利用螺栓連接，減速機(jī)底部用緊定螺釘頂死，防止卷筒擺動(dòng)。4 個(gè)防擺動(dòng)電機(jī)以吊臂為基礎(chǔ)進(jìn)度對(duì)稱安置，起重機(jī)吊重主電機(jī)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(jī)位置在吊臂的另一端設(shè)計(jì)與各電機(jī)相對(duì)應(yīng)的滑輪，由防擺電機(jī)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(gè)起重機(jī)防搖擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)式起重機(jī)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(jì)

對(duì)某企業(yè)移動(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)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(huì)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(dāng)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(shí)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(dòng)態(tài)條件下實(shí)時(shí)輸出傾角數(shù)據(jù)。將其安裝于吊盤的中間位置，安裝時(shí)傳感器需要與吊盤緊密貼合，確保測量的準(zhǔn)確性。為了保證吊盤在空載時(shí)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(jī)連接，進(jìn)行測量角度的傳輸。

3 起重機(jī)防搖擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于dSPACE MicroLabBox對(duì)防搖擺驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)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(jī)，上位機(jī)將相關(guān)信息代入到MATLAB/Simulink 中的防搖擺控制程序中，對(duì)吊重的搖擺情況進(jìn)行仿真模擬，之后將模擬出的信號(hào)傳遞給dSPACE MicroLab-Box，隨即下位機(jī)發(fā)出電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令，對(duì)吊重?cái)[動(dòng)的反方向進(jìn)行牽引，從而抑制吊重?fù)u擺。為了提高防搖擺控制的精度，本次設(shè)計(jì)采用模糊PID 控制的方式，對(duì)傾角傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析，在MATLAB/Simulink 軟件中進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)。

為了驗(yàn)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(jī)的PID 控制和模糊PID控制方式，相對(duì)誤差設(shè)置為10-6，時(shí)間設(shè)置為1 s，設(shè)定轉(zhuǎn)速為100 r/min，在0.5 s 時(shí)增加負(fù)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(jī)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(jī)在啟動(dòng)時(shí)并無超調(diào)情況，并且響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短。在0.5 s 加入負(fù)載時(shí)，下降量與傳統(tǒng)PID 控制器控制下一致，但恢復(fù)轉(zhuǎn)速時(shí)間相對(duì)較短。在0.8 s 提高轉(zhuǎn)速時(shí)，并無超調(diào)量，調(diào)整時(shí)間為0.04 s，小于傳統(tǒng)PID 控制器轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)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(qiáng)的優(yōu)勢，在應(yīng)用過程中能夠更及時(shí)地對(duì)吊重?fù)u擺進(jìn)行響應(yīng)處理，具有更好的防搖擺效果。

4 起重機(jī)防搖擺控制策略的應(yīng)用分析

在某企業(yè)當(dāng)中，共有4 臺(tái)同型號(hào)、同規(guī)格的移動(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)，主要應(yīng)用于物料的裝卸。在實(shí)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(duì)勾頭進(jìn)行拖拽。此種方式雖然能夠降低吊重的搖擺幅度，但同時(shí)增大了物料轉(zhuǎn)移的危險(xiǎn)性。2020 年，出現(xiàn)過3 次吊重脫鉤現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)安全。為此，該企業(yè)提出起重機(jī)防搖擺的自動(dòng)化控制改造。設(shè)計(jì)了防搖擺控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用于起重機(jī)當(dāng)中，并對(duì)起重機(jī)吊重?fù)u擺情況進(jìn)行分析。

4.1 防搖擺控制效果分析

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

圖3 防搖擺控制情況

圖3 為上位機(jī)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(shí)已經(jīng)趨近于0°。而未應(yīng)用防擺控制系統(tǒng)時(shí)，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(jì)性分析

某企業(yè)的4 臺(tái)移動(dòng)回轉(zhuǎn)式起重機(jī)在改造之前平均裝1 t 貨物需要用時(shí)16 min，卸1 t 貨物需要用時(shí)13 min。經(jīng)過改造后，通過一個(gè)月的裝卸作業(yè)發(fā)現(xiàn)，平均裝1 t 貨物需要用時(shí)6 min，卸1 t 貨物需要用時(shí)5 min。裝卸效率提升50%以上。原需要4 臺(tái)起重機(jī)共同工作，現(xiàn)僅需要2 臺(tái)便可以完成該廠區(qū)的裝卸任務(wù)。該起重機(jī)電機(jī)功率為22 kW，每日工作時(shí)長為16 h，1 臺(tái)起重機(jī)的每日耗能352 kW·h。經(jīng)過改造，每臺(tái)起重機(jī)增加4 臺(tái)1 kW 防搖擺電機(jī)，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(fèi)用為0.73 元/（kW·h），每年可為企業(yè)節(jié)約能源費(fèi)13.88 萬元。原來，每臺(tái)設(shè)備需要設(shè)置4 人進(jìn)行操控，每人月工資為5 500 元，每年可降低人工費(fèi)用52.8 萬元，全年總計(jì)可為企業(yè)節(jié)約66.68 萬元。

5 結(jié)論

1）對(duì)起重機(jī)防搖擺機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定以4 個(gè)電機(jī)為防搖擺驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)搭載dSPACE MicroLabBox 系統(tǒng)。

2）對(duì)防搖擺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，明確電機(jī)安裝位置。同時(shí)，對(duì)傾角檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）在MATLAB/Simulink 軟件中進(jìn)行防搖擺控制系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)，驗(yàn)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(dāng)中，實(shí)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(jì)可為企業(yè)降低66.68 萬元。