船舶液壓起重機(jī)操縱與吊重?cái)[動(dòng)關(guān)系試驗(yàn)研究*

陳明亮 卓甘澍 朱 鈺

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 廈門 361021； 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門 361021)

起重機(jī)屬于間歇操作設(shè)備，主要包括起升、回轉(zhuǎn)和變幅3個(gè)操作機(jī)構(gòu)，工作時(shí)可以單獨(dú)或聯(lián)合操作，任何一個(gè)操作都包含有加速、減速與制動(dòng)過程，由此導(dǎo)致吊重?cái)[動(dòng)。操作者應(yīng)根據(jù)操作規(guī)程及吊重的擺動(dòng)情況調(diào)整操作速度達(dá)到抑制擺動(dòng)的目的，但不同操作者實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的不同直接影響抑制擺動(dòng)的效果。起重機(jī)操縱過程中吊重的擺動(dòng)對(duì)裝卸效率和操作安全有極大的影響，因而起重機(jī)吊重的擺動(dòng)控制一直以來都是研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-2]建立起重機(jī)模型，仿真研究PID控制器的消擺效果；文獻(xiàn)[3-8]通過模型研究模糊控制器、延遲反饋控制器、整形控制器、最優(yōu)控制等多種控制規(guī)律的消擺效果，目前的研究表明：在操作信號(hào)上加入各種控制規(guī)律，均具有一定有抑制吊重?cái)[動(dòng)的效果。

本文以福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的船舶液壓起重機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)原機(jī)手動(dòng)操作系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，建立起重機(jī)的操作及狀態(tài)測(cè)量的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，利用階躍、冪函數(shù)、三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等構(gòu)建不同的加速與減速過程操作信號(hào)，研究起重機(jī)操縱與吊重?cái)[動(dòng)的關(guān)系。

1 船舶液壓起重機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)中的船舶液壓起重機(jī)為全回轉(zhuǎn)式，具有回轉(zhuǎn)、起升和變幅等3個(gè)操作機(jī)構(gòu)，其中回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓電機(jī)、小齒輪、大齒圈，以及轉(zhuǎn)臺(tái)等部件組成；起升機(jī)構(gòu)由起升液壓電機(jī)、鋼絲繩卷筒、鋼絲繩及吊鉤等部件組成；變幅機(jī)構(gòu)由變幅油缸、吊臂等部件組成。3個(gè)操作機(jī)構(gòu)均采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制電壓信號(hào)(-10 000～+10 000 mV) 分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)電液比例伺服閥實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的操作。起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

控制信號(hào)電壓值的大小和正負(fù)控制電液比例伺服閥的開度及工作位置，從而控制起重機(jī)操作的速度和方向，電壓值的大小與速度成正比例關(guān)系。

本試驗(yàn)所用起重機(jī)的基本參數(shù)如下。

1) 額定回轉(zhuǎn)油壓：8 MPa；

2) 最小工作半徑：0.64 m；

3) 最大工作半徑：3.0 m；

4) 額定起升油壓：20 MPa；

5) 額定起升負(fù)載：20 kN；

6) 額定變幅油壓：19 MPa；

7) 額定起升速度所需液壓油流量：59 L/min；

8) 額定回轉(zhuǎn)速度所需液壓油流量：84 L/min；

9) 回轉(zhuǎn)速度：0～4.5 r/min；

10) 回轉(zhuǎn)角度：0°～180°；

11) 起升速度：0～36 m/min；

12) 仰角角度：30°～80°。

2 起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡，以及相應(yīng)功能的傳感器組成。起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)原理

吊重的擺動(dòng)角度采用面內(nèi)角和面外角2個(gè)參數(shù)描述。面內(nèi)角為吊重在吊臂中線與過吊臂頂點(diǎn)垂直線組成的面內(nèi)擺動(dòng)角度，面外角則為在垂直于這個(gè)面的面上的擺動(dòng)角度。

起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)采用Visual Basic進(jìn)行編寫，添加數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模擬量的采集和輸出，以及數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)等功能。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究最常見的單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作和回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)吊鉤擺動(dòng)情況，未將變幅操

作設(shè)計(jì)在內(nèi)，其控制及測(cè)量系統(tǒng)界面設(shè)置見圖3。

圖3 起重機(jī)操作控制及測(cè)量系統(tǒng)界面

3 試驗(yàn)操作模式設(shè)計(jì)

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社2017年發(fā)布的《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中“因起重機(jī)回轉(zhuǎn)、變幅操作及其變速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)載荷作用的慣性力應(yīng)予考慮”。本試驗(yàn)就實(shí)際操作過程中最常見的單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作和回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)慣性力對(duì)吊重?cái)[動(dòng)影響進(jìn)行研究。

3.1 單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作模式設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)定吊臂仰角為30°，鋼絲繩長(zhǎng)為2 m，回轉(zhuǎn)角度為0°～110°，空鉤無負(fù)載。回轉(zhuǎn)操作電液比例伺服閥控制信號(hào)最大值均為5 000 mV，開始回轉(zhuǎn)與停止回轉(zhuǎn)的加速和減速過程分別采用階躍、均勻形式，或采用冪函數(shù)(底數(shù)分別取2和1/2)、指數(shù)函數(shù)和三角函數(shù)等6種不同形式操作模式，見表1。

表1 回轉(zhuǎn)操作電液比例伺服閥控制信號(hào)

續(xù)表1

3.2 回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作模式設(shè)計(jì)

在單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，選擇擺動(dòng)最小的回轉(zhuǎn)操作模式，同時(shí)進(jìn)行起升操作，使鋼絲繩繩長(zhǎng)由2 m縮短至0.5 m，開展回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作試驗(yàn)。此時(shí)調(diào)整吊臂仰角為60°，回轉(zhuǎn)角度仍為0°～110°范圍，采用2種起升操作模式，且每種模式根據(jù)控制電壓的大小再分2到3個(gè)工況，控制電壓大代表起升速度快，反之亦然。回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)，起升操作控制模式見表2。

表2 起升操作電液比例伺服閥控制信號(hào)

4 操作模式試驗(yàn)結(jié)果及其對(duì)吊重?cái)[動(dòng)的影響分析

4.1 單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作模式試驗(yàn)

單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作時(shí)，采用不同操作模式吊重?cái)[動(dòng)情況見圖4。由圖4可見，采用模式一進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作時(shí)，吊重的擺動(dòng)最大；采用模式二(均勻加速和減速過程)回轉(zhuǎn)操作時(shí)，吊重?cái)[動(dòng)的幅值最小，擺動(dòng)停止最快；面內(nèi)角擺幅約為1.7°，面外角擺幅約為2.01°，在52 s時(shí)面外角為0°，在71 s時(shí)面內(nèi)角也為0°，吊重?cái)[動(dòng)停止；采用模式六回轉(zhuǎn)操作時(shí)，吊重的擺動(dòng)幅度較模式二稍大，停止擺動(dòng)的時(shí)間也稍長(zhǎng)；與模式一、三、五相比較，模式二、四、六的吊重?cái)[動(dòng)幅度均較小，擺動(dòng)停止較快，說明回轉(zhuǎn)操作開始和停止時(shí)刻的速度變化率較小，有利于減小回轉(zhuǎn)操作過程中和停止操作后的吊重的擺動(dòng)；通過比較模式二、四、六的吊重?cái)[動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)均勻的加速和減速過程比變加速和減速過程更有利于減小吊重的擺動(dòng)。

圖4 單獨(dú)回轉(zhuǎn)操作時(shí)吊重?cái)[動(dòng)情況

在回轉(zhuǎn)操作期間，吊重的擺動(dòng)周期略大于自由擺動(dòng)周期，平均為2.911 s，說明回轉(zhuǎn)操作對(duì)擺動(dòng)周期有影響。

4.2 回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作模式試驗(yàn)

根據(jù)4.1分析，回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)，回轉(zhuǎn)操作模式選擇吊重?cái)[動(dòng)小的模式，即表1的模式二，起升操作根據(jù)表2設(shè)定的模式進(jìn)行。圖5為回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作時(shí)吊重?cái)[動(dòng)情況。

圖5 回轉(zhuǎn)起升聯(lián)合操作吊重?cái)[動(dòng)曲線

由圖5可見，起升操作選擇表2模式二中的工況1時(shí)，吊重?cái)[動(dòng)最小，面內(nèi)角和面外角的最大擺幅均約為1.6°，在45 s時(shí)面外角為0°，在85 s時(shí)面內(nèi)角也為0°，吊重?cái)[動(dòng)停止。

比較圖5與圖4可以發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)和起升聯(lián)合操作時(shí)，吊重的擺動(dòng)幅度減小，吊重在面內(nèi)擺動(dòng)的時(shí)間增長(zhǎng)，在面外擺動(dòng)有時(shí)間縮短，說明起升操作模式對(duì)吊重?cái)[動(dòng)幅度有影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本起重機(jī)試驗(yàn)研究使用Visual Basic編寫控制與測(cè)量程序，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)操縱的計(jì)算機(jī)控制和狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量，針對(duì)起重機(jī)最常見操作方式設(shè)計(jì)多種試驗(yàn)方式，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)和起升起止操作均采用勻加速過程和勻減速過程對(duì)吊重?cái)[動(dòng)抑制作用最大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在起重機(jī)回轉(zhuǎn)操作過程中結(jié)合起升操作吊重的擺動(dòng)幅度小于單純回轉(zhuǎn)操作擺動(dòng)幅度。