基于液壓控制的密煉機料斗翻轉特性影響因素研究

摘要：傳統密煉機料斗翻轉由蝸輪蝸桿驅動，粉塵污染極易導致電機負載增大而燒毀或限位開關失靈，存在料斗卡死現象。采用液壓缸驅動料斗翻轉既可解決該問題，又便于維修。鑒于此，提出了一種基于液壓控制的密煉機料斗翻轉PID控制系統，對其閉環控制方法進行了分析；基于AMESim搭建了料斗翻轉角度控制系統仿真模型，對料斗翻轉特性及其影響因素進行了仿真，獲得了料斗轉動慣量、旋轉阻尼和PID微分項系數對料斗翻轉啟停振動的影響規律。研究結果表明，減小料斗轉動慣量、增大旋轉阻尼可有效消除料斗翻轉振動；料斗旋轉阻尼大于400 N·m/（r/min）可有效控制料斗翻轉振動；選取微分項系數為0.1時，料斗翻轉穩態誤差基本消除。

關鍵詞：密煉機；料斗翻轉；PID；翻轉角度；振動

中圖分類號：TQ330.4? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0057-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.015

0? ? 引言

傳統密煉機料斗翻轉力由蝸輪蝸桿提供，機器在密閉空間內長時間工作，極易產生粉塵污染，導致電機負載增大進而嚴重燒毀電機或出現限位開關失靈現象，影響橡膠熔煉安全、成本和進度。

基于此，對料斗翻轉擬采用液壓缸驅動代替蝸輪蝸桿傳動；為提高料斗卸料率，需精確控制料斗翻轉角度，故引入閉環控制技術[1]。結合相關機械翻轉理論技術[2-3]和PID調節控制理論[4]，本文提出了一種基于角度控制的密煉機料斗翻轉閉環控制系統，基于AMESim軟件搭建了密煉機料斗翻轉角度PID閉環控制系統，研究了基于翻轉液壓缸角度的PID閉環控制特性，重點分析了基于料斗翻轉角度控制特性的影響因素，仿真了料斗轉動慣量、翻轉阻尼及PID控制器微分系數對翻轉角度波動程度的影響，對密煉機料斗翻轉裝置研制及系統優化設計具有指導意義。

1? ? 基于角度控制的密煉機料斗翻轉液壓系統

基于角度控制的密煉機料斗翻轉機構示意圖如圖1所示，此時翻轉液壓缸活塞處于縮回狀態，密煉機料斗已翻轉卸料。設定密煉機料斗翻轉角度為θ。

密煉機料斗翻轉角度PID控制液壓系統如圖2所示[5-8]，使用角度傳感器及其傳輸通道構成翻轉角度閉環控制液壓系統，設定密煉機料斗翻轉角度目標值為θ0。

圖2中電機帶動定量泵工作，泵提供液壓缸動作流量和壓力，比例換向閥換至左位，液壓缸活塞縮回，料斗逆時針旋轉卸料；比例換向閥換至右位，液壓缸活塞伸出，料斗順時針旋轉至待裝料狀態。

料斗翻轉角度閉環控制邏輯圖如圖3所示。

密煉機料斗翻轉角度閉環控制：密煉機翻轉液壓系統通過角度傳感器實時輸出料斗翻轉角度θ，通過反饋通道到達求和運算器，與其目標角度值θ0比較輸出角度誤差eθ，eθ傳輸到PID控制器控制閥芯實時動作，直至料斗翻轉角度逼近目標角度值。

2? ? 基于角度控制的料斗翻轉液壓系統建模

基于AMESim軟件的液壓庫搭建如圖4所示的基于角度控制的密煉機料斗翻轉閉環控制系統仿真模型，系統仿真參數如表1所示。

3? ? 基于角度控制的翻轉控制特性仿真分析

在基于角度控制的密煉機料斗翻轉PID閉環控制系統仿真模型中，設置料斗理想目標角度值為132°，輸入PID參數值：kp=10、ki=0.05、kd=0.01，時間間隔0.01 s，仿真3 s得到如圖5所示的基于角度閉環控制的料斗翻轉控制特性曲線，其中圖5（a）為基于角度閉環控制的料斗翻轉角度及液壓缸位移變化曲線，圖5（b）為基于角度閉環控制的料斗翻轉角速度及液壓缸速度變化曲線。

由圖5可知，基于翻轉角度閉環控制的料斗翻轉系統，料斗翻轉角度逼近目標值的響應時間約1.6 s，滯后0.2 s，實際料斗翻轉角度為132.4°，料斗翻轉過程中液壓缸活塞縮回速度可達0.44 m/s，滯后位置控制系統0.04 m/s，料斗翻轉速度約為11.14 r/min，滯后位置控制系統0.9 r/min，料斗翻轉啟動和結束時沖擊振動嚴重。

4? ? 翻轉特性影響因素研究

通過減小料斗轉動慣量消除翻轉啟停沖擊，設置料斗轉動慣量分別為20、40、60、80 kg·m2進行基于角度控制的料斗翻轉仿真，得到如圖6所示的料斗轉動慣量對料斗翻轉角度的影響。

由圖6可知，減小料斗轉動慣量對減小料斗翻轉角度具有明顯的效果。

在實際中可設計料斗形狀使其裝料重心與旋轉鉸接點盡可能小，進而減小料斗轉動慣量，降低料斗翻轉振動。

通過增加阻尼消除翻轉啟停沖擊，設置料斗旋轉阻尼為100、400、700、1 000 N·m/（r/min）進行仿真，得到如圖7所示的料斗翻轉阻尼對翻轉角度的影響。

由圖7可知，當料斗翻轉阻尼為400 N·m/（r/min）以上時，料斗翻轉停止波動基本消除。

設置PID控制器微分項系數分別為0.01、0.1、1、5進行仿真，得到如圖8所示的PID微分項系數對翻轉角度的影響。

由圖8可知，增大PID微分項系數，料斗翻轉停止沖擊逐漸消除，當微分項系數為0.1時，料斗翻轉波動得到有效控制。

5? ? 結論

傳統密煉機料斗機械翻轉驅動力由電機帶動蝸輪蝸桿傳動裝置提供，機器長時間工作會因粉塵污染導致負載增大，進而造成蝸輪蝸桿傳動卡死，燒壞電機。針對此不足，采用液壓控制油缸提供料斗翻轉驅動力，設計了一種密煉機料斗液壓翻轉角度PID閉環控制系統，對料斗翻轉角度、翻轉速度、液壓缸位移及液壓缸速度變化情況進行了仿真，重點研究了基于角度控制料斗翻轉特性的影響因素及其規律，對液壓控制式密煉機料斗翻轉裝置研制具有理論指導意義，主要得出以下結論：

（1）減小料斗轉動慣量、增大料斗旋轉阻尼，料斗翻轉振動得到有效控制；

（2）PID微分項系數選取0.1，料斗翻轉角度曲線穩態誤差較小。

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收稿日期：2023-03-02

作者簡介：李楚（1992—），女，江蘇徐州人，碩士，助教，主要從事機械設計與液壓傳動科研教學工作。