天車抓斗防擺控制方法的研究

摘 要：在港口、碼頭，起重機被廣泛地用于傳輸、調度重型原材料。然而，在起重機的工作過程中，由于天車的加減速，負載的提升以及外部干擾等原因，負載會產生來回的擺動。這種擺動不但很容易造成安全事故，而且嚴重阻礙了生產作業效率的提高。為了解決上述問題，橋起重機的自動控制問題引起了人們越來越廣泛的關注。然而在實際的橋式起重機系統中，由于環境及外部干擾等因素，擺角傳感器的測量精度受到很大影響，實際控制效果往往不好，安裝擺角傳感器更加不切實際。通過對天車速度的有效控制，來減小或消除負載的擺動。

關鍵詞：天車抓斗；防擺控制；方法

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0229-01

起重機加減速運行時，抓斗會來回擺動，為了工作安全和提高效率，抓斗的擺幅在整個工作過程中要控制在一定范圍內，到達目的地時抓斗應立即停擺。控制器不能實現起重機起制動運行的平滑調節，從而較難保證起制動的加速度，對工人的操作水平和經驗要求較高、勞動強度大、工作效率低。起重機控制的關鍵在于對電機的控制，實現起重機的停車位置與抓斗消擺的同步控制。

1 天車抓斗防擺控制方法

（1）抓斗擺動的數學模型。天車運行主過程、天車暫停過程以及點動過程，點動過程結束，應能實現控制目標。研究表明，點動時間、點動距離以及終端條件的限制使得并非在所有初始值點動天車都能滿足終端條件，點動過程開始前，抓斗的擺動狀態才能轉入點動加速階段，象天車抓斗這樣一個特殊的二階系統，這在一般的最優控制理論中很少提到。當天車沿正方向運行時，起重機加減速運行時，抓斗會擺動。為了工作安全和效率，抓斗的擺幅在整個工作過程中要控制在一定范圍內，到達目的地時抓斗應立即停擺.為此，我們首先分析抓斗的擺動情況，找出其規律。為了簡化分析，根據起重機工作的基本情況，滿足以下假設和要求：①纜繩的質量相對于抓斗及重物的質量可忽略不計，纜繩的剛度足夠大，其長度變化可以忽略；②抓斗與懸繩在運行過程中所受的空氣阻力不計；③要求抓斗的最大擺角θ≤10°，此時線性化誤差不超過0.5%。可以發現抓斗的擺動是隨時間作周期性變化，擺幅、擺速與起重機的水平加速度成正比。

（2）運動分析。本文提出的擺動優化方法是基于現場工作經驗的總結：對停車卸料工藝進行改進，使抓斗在擺動過程中卸料，從而提高勞動生產率。整個控制過程主要是控制天車運行加速度，以達到擺動可控的目的。因此，我們首先要進行小車的運動分析。其中，關鍵是確定天車運行速度，有控擺動控制系統的優化目標是提高生產率，也就是盡量縮短每個工作循環的周期。必須妥善解決兩個問題：①合理調整各階段的速度和加速度，使天車運行的整個時間最短；②合理的匹配起升速度與天車的運行速度之間的關系。

（3）防搖擺控制策略。當天車帶動抓斗加速到給定速度時，抓斗的擺動消除。此刻抓斗同時滿足擺角和擺速，取天車最大運行速度與抓斗在水平方向沒有相對位移且變化周期為單擺的擺動周期。天車與抓斗有相同的最大運行速度，同時區域的面積相同，此時天車與抓斗在水平方向沒有相對位移，如果之后天車以最大運行速度勻速前進，則抓斗不再產生擺動，達到了防搖擺控制效果的時間點均滿足這樣的條件。顯然，要達到需要足夠大的加速度或者足夠長的加速時間，但均未滿足，抓斗搖擺沒有消除，且在之后天車的勻速運行中，抓斗的搖擺將一直存在。上述問題實質上是天車加速結束后，天車水平位移大于抓斗水平位移所致。這個問題可以利用在加速段增加勻速運動過程的方式來減少其水平行走距離，通過調節勻速運動時間可以先讓天車加速到最大運行速度的一半，然后勻速運動一段時間，再加速到最大運行。天車與抓斗以相同的減速度作勻減速運動，天車與抓斗速度都降為零，此時為瞬停狀態。此后令天車以最大加速度開始反向加速過程，到達時天車與抓斗水平速度第一次達到相同，根據對稱關系可得區域，這個過程補償了拋料過程天車與抓斗的水平位移差，此時抓斗擺動被消除。拋料卸料的目的是通過減少卸料時間來提高卸貨效率，本文提出的拋料卸料方式在卸船機開始減速卸料過程時，即令鋼絲繩達到最大擺角。此時若給小車施加一個適當的減速度，可以使抓斗保持最大擺角不變，根據系統的動力學抓斗擺角的響應與天車加速度有關，在整個控制過程中小車的加速度變化規律已知可以對系統動力學進行逐段求解，得到抓斗擺角關于時間的響應。

2 天車抓斗的檢查與維護

每班工作前必須檢查抓斗開閉機構，顎板閉合的緊密性，并檢查顎板的固定情況，撐桿的鉸接情況及其潤滑狀況。（抓斗起升時的極限位置是：抓斗頂部距上升限位開關不得小于1m；抓斗下降時，抓斗下部距料箱或車霜不得小于0.1m。起升抓斗時，應使起升繩速度相等，以使鋼絲繩受力均勻。抓斗卸了料時，離料箱高度不得大于200mm。不允許用抓斗抓取整塊的物件。檢查抓斗懸掛處繩索的緊固情況。檢查抓斗開閉繩的導輪狀況。抓斗天車工作完閉后，抓斗應放到地面，不得懸空吊掛。為了防止鋼絲繩迅速磨損，對鋼絲繩必須經常檢查，看其斷絲和磨損是否已達到報廢標準。對鋼絲繩潤滑時，一定要用鋼絲繩潤滑脂仔細潤滑，將潤滑油脂加熱到60℃，使潤滑油能滲入鋼絲繩股之間。

3 結束語

本文分析了起重機抓斗防擺控制方法，如果只考慮起重機水平運行，對每個目標距離都有最優時間控制方法，但抓斗并不一定消擺。最優消擺的控制方法不一定使起重機到達目標和停車，所以，抓斗防擺控制方法研究應兼顧抓斗消擺和起重機定位的研究，控制方法的優劣在于是否易于實現、控制時間短。用本方法組成的起重機控制系統將能取代目前基于手動控制起重機控制系統。

參考文獻

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收稿日期：2018-11-7