【正文】 1 小型自動翻轉(zhuǎn)提升機設(shè)計 第 1章 緒 論 課題來源及研究的 目 的和意義 隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，大型工業(yè)與民用建筑不斷的出現(xiàn)，以至使得像大型 H 鋼這樣的鋼材有著大量的市場需求。 2021 年推出的《鋼鐵新政》確立了一個重要的的產(chǎn)業(yè)政策是注重鋼材的節(jié)約使用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，是實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。同時還明確指出 H 型鋼材是綠色環(huán)保產(chǎn)品，要大力推廣應用。因此可以說， H 鋼遠期需求依然很大。在 H 鋼的價格方面有利好因素，首先，板材價格持續(xù)上漲，自 2021年以來，以冷軋為 帶動，中厚板，熱卷以及螺紋等的價格都有不同程 度的上漲。尤其寶鋼調(diào)價以來，板材價格在此帶動下持續(xù)高漲。鋼市場逐步回暖也給 H 型鋼市場形成了一個比較穩(wěn)定的外部環(huán)境。其次，國外 H 型鋼市場行情較好，為我國 H 型鋼出口創(chuàng)造了一個有利環(huán)境，日本，美國及歐洲等地 H 型鋼市場逐步回暖 ，價格均有不同程度的程度的回升，國內(nèi)市場進口 H 型鋼與國產(chǎn) H 型鋼價格差距已經(jīng)消失，對國內(nèi)市場不再構(gòu)成威脅，反而有利于國內(nèi)鋼材的出口。大型 H 鋼提升翻轉(zhuǎn)機機構(gòu)在在這個經(jīng)濟背景下產(chǎn)生。 H 鋼雖然可以用熱軋的方法制造，但只能在端面高度為 400~600mm 范圍內(nèi)取得最佳經(jīng)濟效果，小于或大于這個范圍，用其它 焊接方法制造更為有利。同時，在焊接生產(chǎn)加工中，當 H 鋼完成組對并進行一面的焊接后，需要將其翻轉(zhuǎn)，以便焊接另一面。但由于 H 鋼體積大、重量重，人工很難翻轉(zhuǎn)，所以需要專用的設(shè)備，尤其是在大批量生產(chǎn)中，就更需要一種翻轉(zhuǎn)提升機構(gòu)來完成這一操作，以提高生產(chǎn)效率。大型 H 鋼翻轉(zhuǎn)提升機就是應用在這種場合下的設(shè)備。 同類設(shè)備目前的發(fā)展著狀況 對于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，現(xiàn)在已有很多的形式。如有框架式、頭尾架式、鏈式、環(huán)式、推舉式等。并已在實際生產(chǎn)中用于各種工件的翻轉(zhuǎn)。目前國內(nèi)還未對各種形式的翻轉(zhuǎn)機制訂出系列標準，但國內(nèi)已有廠家生產(chǎn)頭尾架 式的翻轉(zhuǎn)機，并成系列。 另外，配合焊接機器人使用的框架式、頭尾架式翻轉(zhuǎn)機，國內(nèi)外均有生產(chǎn)。它們都是點位控制，控制點數(shù)以使用要求而定，但多為 2 點 (每隔 180 )、 4 點（每隔 90 ）、8 點（每隔 45 ）控制，翻轉(zhuǎn)速度以恒速的為多，但也有變速的。翻轉(zhuǎn)機與機器人聯(lián)機按程序動作，載重量多在 20～ 3000kg 之間。例如我國汽車、摩 托車等制造行業(yè)使用的 2 弧焊機器人加工中心，已成功地采用了國產(chǎn)頭尾架式和框架式的焊接翻轉(zhuǎn)機，由于是恒速翻轉(zhuǎn)，點位控制，并輔以電磁制動和汽缸錐銷強制定位，所以多采用交流電動機驅(qū)動、普通齒輪副減速，機械傳動系統(tǒng)的制造精度比軌跡控制的低 1 到 2 級， 造價 便宜。提升機構(gòu)主要有機械式和液壓式兩種，且各種提升設(shè)備已形成標準系列。 機械式提升機構(gòu)通常是以省力的鋼絲繩滑輪組作為執(zhí)行構(gòu)件的，所以可以有較大的提升范圍，滑輪組一般使用定滑輪、定滑輪和動滑輪、雙聯(lián)滑輪組（四分支）、雙聯(lián)滑輪組（八分支）等幾種形式。另外在機械式提升機構(gòu)中，也 有采用齒輪和齒條進行提升，但采用這種機構(gòu)的設(shè)備一般只適用于小型貨物、輕載情況下的提升作業(yè)。 液壓式提升機構(gòu)也是常用提升機構(gòu)中的一種。它采用液壓作為動力源 ， 包括有使用液壓馬達，其執(zhí)行提升的機構(gòu)同機械式。由于液壓缸的行程有限，對于較大行程的提升都設(shè)計有增加行程的裝置，如 X 形的支架。因此，液壓式提升機構(gòu)多用于升降臺、汽車翻斗等不需要很大行程，但卻有較大載重的設(shè)備中。 考慮液壓傳動具有在同樣的驅(qū)動功率下，液壓裝置的重量更輕、體積更小及耐沖擊的特點。選用液壓式提升機構(gòu)作為 H 鋼的提升裝置。由于系統(tǒng)不需要較大的提升行程， 所以使用液壓缸直接推動翻轉(zhuǎn)架進行提升即可，這樣做，雖然要使用較多的液壓缸，但可以簡化提升機構(gòu)，所有翻轉(zhuǎn)架的液壓缸都由一個泵源提供動力，即可保證液壓缸的同步動作，也可以減少空間的使用。 我國研制的液壓提升機，因具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活、操作簡單及良好的防爆性能與容積調(diào)速和恒扭矩輸出特性等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，并已在在各種金屬、非金屬礦山和現(xiàn)代工程施工、建筑等領(lǐng)域作非防爆提升設(shè)備也得一定程度的推廣應用，并仍有較大市場前景。 隨著技術(shù)的發(fā)展，在液壓 提升機的使用市場受到挑戰(zhàn)的條件下，對液壓提升機 動性的動態(tài)品質(zhì)與綜合性能提出了更高的要求。現(xiàn)有液壓提升機的液壓系統(tǒng)為開環(huán)加簡單的手動操作比例式減壓閥控制方式，液壓泵為直接反饋排量調(diào)節(jié)變量控制結(jié)構(gòu) ， 這很難滿足對液壓提升機的高品質(zhì)要求。在現(xiàn)有液壓提升機基礎(chǔ)上，如何調(diào)整液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計控制策略，實現(xiàn)自動控制程度更高、安全可靠性更好、運行效率更高、滿足乘坐舒適性要求的高品質(zhì)液壓提升機成了目前液壓提升機研究與生產(chǎn)廠家的當務之急。 液壓提升機按傳動系統(tǒng)有全液壓傳動的液壓提升機和液壓 — 機械傳動兩大類。 液壓提升機由于采用液壓傳動，減小了產(chǎn)生電火花的元件，空載 直接啟動，完全由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)速，電氣控制設(shè)備簡單，便于實現(xiàn)防爆，安全可靠性好，液壓系統(tǒng)傳遞動力均勻平穩(wěn)，而且通過液壓變量泵能實現(xiàn)無級變速，起動換向平穩(wěn)低速動轉(zhuǎn)性 3 能好，電控制提升機在啟動和低速提升時電阻器消耗能量，在低速重載下放時靠制動間摩擦來實現(xiàn)調(diào)速。而液壓提升機調(diào)節(jié)速時無電阻器消耗電能，且在下放重載時向電網(wǎng)反饋電能。液壓提升機不象電控制提升機那樣頻繁啟動電動機，與同功率的電控防爆提升機相比，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，占用用室小、運輸、安裝費用低 。安全保護設(shè)施齊全。 從控制理論角度來講，提升機液壓系統(tǒng)是典 型的非線性、變載荷、變參數(shù)的系統(tǒng)，工作效率更高、安全可靠性更好、乘坐更為舒適性等技術(shù)要求又對液壓提升機的平層位置精度、速度、加 (減 )速度的動態(tài)控制指標提出了更高的要求。到目前為止，防爆液壓提升機控制系統(tǒng)主要是容積調(diào)速控制，即司機操作減壓式比例控制閥向變量控制系統(tǒng)的比例油缸輸入 — 逐漸變化的壓力油，比例油缸位移控制伺服閥閥芯位移，伺服閥又通過差動油缸控制擺動缸體，改變變量泵的斜盤傾角大小，改變液壓泵拾出流量的大小和方向，進而改變液壓馬達的速度大小和旋轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)對提升箕斗或雄籠的升降。液壓提升的電液比例控制和電 液伺服控制方式正處于研究和研制階段。 根據(jù)國家計委等三部委發(fā)布的“提升設(shè)備產(chǎn)品市場總需求表”獲悉，礦用提升設(shè)備產(chǎn)品“九五”期間總需求量比“八五”期間增加 38%,“十五”期間的總需求量也有增無減，其中大中型礦用提升設(shè)備全國每年平均需求量約為 3250 臺。同時，據(jù)不完全統(tǒng)汁，目前我國約有 — 井下提升設(shè)備近 15000 臺，大部分為非防爆型。隨著電控防爆技術(shù)的發(fā)展，、液壓防爆提升機的井下市場的受到挑戰(zhàn)。但因液壓防爆提升機具有電控提升機無法比擬的優(yōu)點，特別是隨著液壓伺服控制技術(shù)的發(fā)展，各種液壓伺服控制策略 如 PID 控制、自適應控制、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制在液壓提升機中的應用，液壓提升機的動態(tài)品質(zhì)、綜合性能必將得到大幅度的提高，液壓防爆提升的優(yōu)勢將更加明顯。 液壓提升機的競爭優(yōu)勢除原有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活、操作簡單及良好的防爆性能與容積調(diào)速恒扭矩輸出特性外，各種液壓伺服控制策略的應用必將使其具有新的技術(shù)優(yōu)勢，可以說液壓提升機的技術(shù)優(yōu)勢主要在于液壓伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，具體可歸納為大功率液壓伺服控制系統(tǒng)與電氣伺服 控制系統(tǒng)相比，仍將保持體積小、重量輕、慣性小 。一般電氣元件的動作是基于電磁作用，已知的各種鐵磁 物質(zhì)在很低的磁通下便飽和了，這意味著一定體積的電動機不可能獲得更大的力矩。電磁鐵每平方厘米能產(chǎn)生的最大力大致 左右，即使昂貴的坡莫合金，每平方厘米面積的力也不超過、而采用作動筒的液壓伺服系統(tǒng)在 lcm2 能產(chǎn)生力 — 的力是很普遍的， 45000N/cm2 及以上壓力的液壓系統(tǒng)也在發(fā)展之中，由此看出與電氣元件同樣大小的液壓元件所產(chǎn)生的力要比電氣元件大得多，采用液壓馬達時，其轉(zhuǎn)動慣量約為相 4 應功率電動機的轉(zhuǎn)動慣量的 1%左右，液壓伺服控制系統(tǒng)的力矩慣性比，比電氣伺服系統(tǒng)大十幾倍到幾 十倍，對于一個自動控制系統(tǒng)，元件的質(zhì)量及慣量的降低減輕了系統(tǒng)的重量和體積外更重要性的是由于慣性小，變化速度與反向控制容易，其快速性可以大大提高，這在大功率的液壓提升機上將更明顯。 靜、動態(tài)控制精度對現(xiàn)代化的液壓提升設(shè)備來說已是一項非常重要的指標，由于液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)可以允許較大的放大倍數(shù)，功率放大倍數(shù)可達 106，因而可以獲得較高的靜態(tài)與動態(tài)精度，液壓伺服系統(tǒng)的時間常數(shù)在 — 103s，而電動系統(tǒng)一般在 — 102s。液壓伺服系統(tǒng)的壓力放大倍數(shù)大，故系統(tǒng)受負載變化的影響相對小，對 反操作的抑制能力強 。液壓伺服所表現(xiàn)的這種負載剛性大的另一個原因是液壓油本身帶來的油的體積的變化很小。電動機的輸出力是由電磁力的電磁場作用造成的，它的剛性比液壓的差，因而定位誤差也大。更高動態(tài)品質(zhì)、綜合性能要求的液壓提升機的發(fā)展正是利用了液壓伺服控制的這些優(yōu)勢。 液壓伺服系統(tǒng)解決散熱問題方便，利用液體的流動把那些由于功率損耗而產(chǎn)生的熱量，從發(fā)生的地方帶到別處，只要在適當?shù)牡胤窖b上冷卻器便可解決散熱問題。電氣元件由于電阻損失和渦流損失等到產(chǎn)生的熱量無法很快帶走，故而限制了它的使用條件，或它的最小使用條 件 受到限制， 因而液壓元件的體積可以做得相當小。 此外，液壓油能兼起潤滑作用，從而使液壓統(tǒng)的使用壽命得到延長 。液壓伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，高低速之比可以達 400 以上，以及固有的枯滯性使其傳動平穩(wěn)，特別是低速有良好的穩(wěn)定性，當然液壓伺服系統(tǒng)也存在著如液壓油容易污染、流體流動復雜，理論上的描述不如電氣成熟，以及管路傳輸也不如電氣方便等缺點。 隨著對自動化生產(chǎn)和高生產(chǎn)效率的要求，對生產(chǎn)設(shè)備也提出新的要求，即需要解決液壓提升機的層位控制精度不高、提高安全可靠性等一系列問題，這是液壓提升機發(fā)展中大家密切注視和急待解 決的問題。調(diào)整液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計控制策略，實現(xiàn)自動控制程度更高、安全可靠性更好、運行效率更高、滿足乘坐舒適性要求的高品質(zhì)液壓提升機是近幾年液壓提升機的主要發(fā)展趨勢。 液壓提升機提升繩系與電控式提升機的完全一樣，主機則為全液壓驅(qū)動與制動結(jié)構(gòu)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)為泵控馬達容積調(diào)速系統(tǒng)，制動系統(tǒng)則為閥控缸節(jié)流系統(tǒng)。由于兩液壓系統(tǒng)在動態(tài)特性上的固有差異，加之現(xiàn)役液壓提升機的控制手段相對落后，致使其綜合性能、品質(zhì)不高。因此，除在降低振動噪聲、減少泄漏污染等方面繼續(xù)加以研究外，在技術(shù)上主要應解決提高平層精度的問題。 平層精度包括液壓提升機停穩(wěn)后提升容器在?？刻幣c平層間的位置誤差 (規(guī)定誤差值為士 50mm)和卷筒制動時刻至提升容器停穩(wěn)所經(jīng)歷的時間即平層時間兩方面，這 5 是影響液壓提升機運行效率的主要因素。平層精度與液壓驅(qū)動系統(tǒng)的速度伺服控制方法、提升機減速過程中的激勵加速度函數(shù)、提升繩系的振蕩特性、提升容器所要?？康钠綄釉诰仓械奈恢?(它決著提升鋼繩的長度 )和負載大小密切相關(guān)。 提升機的減速停車過程設(shè)計主要為時間設(shè)計法和行程設(shè)計法兩種。在現(xiàn)有液壓提升機的減速運行過程中，司機根據(jù)深度指示器的指示，手動操作減壓式比例閥發(fā)出減速停車 信號，其減速停車的過程是一種粗糙的距離控制法。這種控制法往往不夠精確而要靠司機一次或多次微動操作才能使提升容器達到規(guī)定誤差范圍，嚴重影響著運行效率的提高。 對提升繩系的動力學與振蕩特性的研究?？刂谱兞康乃欧兞繖C構(gòu) —— 位置直接反饋比例排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)使泵的拾出流量能限隨輸入信號 —— 減壓式比例閥閥芯位移作連續(xù)比例變化，但液壓泵的容積效率隨系統(tǒng)工作壓力、油液粘度等的變化而變化，加之液壓油的可壓縮性、管道的彈性、液壓元件的泄漏等因素的影響，從而使輸人液壓馬達的流量得不到精確的控制，又由于液壓驅(qū)動系統(tǒng)沒有馬達輸出速度檢 側(cè)與反饋閉環(huán)。因此，提高液壓提升機的平層精度就必須改變其現(xiàn)有控制方式。 提高液壓驅(qū)動與制動動作的協(xié)同性是保證液壓提升機可靠、安全有序工作的關(guān)鍵，在液壓提升機加速起動、減速停車的瞬間，司機操作減壓式比例閥向液壓驅(qū)動系統(tǒng)與制動系統(tǒng)同時發(fā)出控制信號，驅(qū)動系統(tǒng)液壓馬達輸出轉(zhuǎn)速與輸出扭矩逐漸動態(tài)地建立，同時液壓制動系統(tǒng)松閘或抱閘制動，兩者協(xié)同配合實現(xiàn)負載的升降。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)為泵控馬達系統(tǒng)，制動系統(tǒng)為閥控制缸系統(tǒng)，相比之下，前者的響應速度慢很多，雖然液壓制動系統(tǒng)中設(shè)置有節(jié)流閥以調(diào)節(jié)制動、松閘時間，但因負載、系統(tǒng)油溫等 因素的影響，液壓驅(qū)動系統(tǒng)扭矩、轉(zhuǎn)速 (同步建立 )建立或降低時間均是個變量，從而引起所謂的“上坡起動負載瞬時下滑”與停車時系統(tǒng)壓力沖擊現(xiàn)象。因此，設(shè)置液壓驅(qū)動系統(tǒng)輸出速度的閉環(huán)反饋與控制，對確保液壓驅(qū)動與制動的協(xié)同配合，提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)致關(guān)重要。 綜上所述 ，液壓提升機的液壓系統(tǒng)是典型的變負載、大慣量、非線性、時變高階系統(tǒng)，要提高其綜合性能與動態(tài)品質(zhì)，關(guān)鍵是合理設(shè)計對應于一個提升循環(huán)中的液壓驅(qū)動系統(tǒng)馬達的輸出速度曲線，尤其是控制加速起動與減速停車過程中的加速度方程 :這就必須改變液壓提升機的控制策略，采用閉環(huán)與 多種控制策略來提高系統(tǒng)的速度剛度與負載擾動下的響應速度。