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(mén) 361021； 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門(mén) 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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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(xiàn)與過(guò)吊臂頂點(diǎn)垂直線(xiàn)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(xiě)，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(jiàn)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(jiàn)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(guò)程中最常見(jiàn)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(wú)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(kāi)始回轉(zhuǎn)與停止回轉(zhuǎn)的加速和減速過(guò)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，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(guò)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(shuō)明回轉(zhuǎn)操作開(kāi)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(guò)程中和停止操作后的吊重的擺動(dòng)；通過(guò)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(guò)程比變加速和減速過(guò)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(shuō)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(xiàn)

由圖5可見(jiàn)，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(shuō)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(xiě)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(jiàn)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(guò)程和勻減速過(guò)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(guò)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。