（机械电子工程专业论文）电控排缆绞车电液控制系统研究.pdf

渍嚣大学碛学往论文 r e s e a r c ho i le l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fw a r p i n gw i n c h a b s t r a c t i ni n d u s t r i a lp r o c e d u r e ，w i n c hi saf a m i l i a rh o i s ta n dt o w i n gm a c h i n e ，w h i c hi sw i d e l y u s e di nm a n ya r e a ss u c ha sp o r t ，f a c t o r y , b u i l d i n gs i t e ，o c e a na n dm i n e c o m m o nw i n c hf a c e s s e v e r a lp r o b l e m s 。t h ew i n c h as p e e dc a n tk e e ps t a b l ew h e ni t sl o a dc h a n g e s 。t h ew a r p i n g a n g l eo ft h ew i n c hm u s tb el i m i t e di n al o wv a l u e t h es a m ew i n c hc a l l ta d a p tf o rc a b l e sw i t h d i f f e r e n td i a m e t e r s ot h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wk i n go fw a r p i n gw i n c ha n dd e e p l y r e s e a r c h e do ni t se l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t h e s er e s e a r c h e sa r ee s s e n t i a le i t h e ri n t h e o r yo ri ne n g i n e e r , i nc h a p t e ro n e ，r o u n d l yd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o n so f w i n c ha n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e s e a p p l i c a t i o n s ，t h e nd e s c r i b e dt h ec l a s s i f i c a t i o na n ds t r u c t u r eo f w i n c h ，d i s c u s s e ds e v e r a lk i n do f w i n c h sw a r p i n gm a c h i n e 。f u r t h e r m o r e ，s u m m e du pt h ea p p l i c a t i o n so ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o nt e c h n o l o g yi nt h ec o n t r o lo ft h ew i n c h ss p e e d f i n a l l yp u tf o r w a r dt h eo b j e c to ft h e p a p e ra n d t h er e s e a r c hw o r kt ob ef i n i s h e d ， i nc h a p t e rt w o ，d e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo ft h en e ww a r p i n gw i n c h ，i n c l u d i n g t h em e c h a n i c a l ，h y d r a u l i ca n de l e c t r i c a l p a r t 。t h r o u 曲t h ei n t r o d u c t i o n ，s p e c i f i e dt h e r e s p o n s i b i l i t yo f t h i sp a p e r , c l a r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo f t h en e ww a r p i n gw i n c h 1 1 1c h a p t e rt h r e e ，s t a r t e d f r o mt h ea n a l y s i so nt h ec o n t r o lt a r g e to ft h ew a r p i n gm a c h i n e ， e s t a b l i s h e da n da n a l y z e dt h em o d e lo f t h ew a r p i n gm a c l f i n e ss p e e dc o n t r o ls y s t e m ，t h e nc h o s e a na p p r o p r i a t ea l g o r i t h mt oc o n t r o li ts ot h a tt h ep r e c o n d i t i o nf o rt h ew a r p i n gw i n c ht os t e a d i l y i x l nw a se n s u r e d i nc h a p t e rf o u r , e s t a b l i s h e da n da n a l y z e dt h em o d e lo ft h ev a l v ec o n t r o l l e ds p e e ds y s t e m ， i n t r o d u c e dp i da n df u z z ya l g o r i t h m st oc o n t r o l l e dt h ew i n c h 8s p e e d ，a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss oa st oc h o o s et h eb e t t e ra l g o r i t h m t h e n ，s h o w e dt h ee x p e r i m e n t s y s t e mo ft h ew i n c h ，a n da n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v e db yt h er e s u l t s ，f u z z y a l g o r i t h mc a nc o n t r o lt h ew i n c h ss p e e da n dc o n q u e r e dt h ei n t e r f e r e n c e sc a u s e db yt h ec h a n g e o f t h ew i n c h sl o a da n di t sm o d e l 魏c h a p t e rf i v e ，d i s c u s s e do t h e ra l g o r i t h mi nt h ec o n t r o lo fw i n c h ss p e e d ，a n di n v e s t i g a t e dt h e a p p l i c a t i o no ft h ea d a p t i v ef u z z yc o n t r o l ，d e s i g n e dt h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e ra n d 赘嵌大学颈圭学经论文 a n a l y z e di t se f f e c t s i nc h a p t e rs i x ，s u m m a r i z e dt h et o t a la r t i c l ea n di n t r o d u c e ds o m et h e o r i e st 1 1 a tn e e dm o r e r e s e a r c h i n gi no r d e rt od i r e c tt h en e x tr e s e a r c h k e y w o r d s 】 w i n c h ，w a r p i n gw i n c h ，e l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l ，v a l v e c o n t r o l l e ds p e e ds y s t e m ，l o a d i n t e r f e r e n c e ，f u z z yc o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o l 浙江大学硕士学位论文 第一章概论 本章系统地讨论了绞车的各种应用及绞车在这些应用中所体现的一些特点，阐述了 绞车的分类和结构组成，讨论了绞车排缆机构的几种构成形式，然后探讨了电液比例技 术在绞车速度控制中的应用以及在绞车抗负载特性方面上的应用，最后提出了课题的研 究对象电控排缆绞车以及课题将要完成的研究工作。 1 1 绞车的应用及分类 1 1 1 绞车在工程中的应用 绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制 造技术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断 发展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运 用于矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域。 在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备被大量而广泛地运用着，例如矿用 提升绞车、调度绞车、耙矿绞车和凿井绞车等。提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品 与人员的调度，具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少的设备之 一。调度绞车具有结构紧凑、占地面积小、安装及撤除操作方便、故障率低、常见故障 易处理、维护方便等优点。调度绞车除主要用作矿井井下及地面装载站调度编组矿车、 中间巷道中拖运矿车及其它辅助搬运工具外，在斜巷提升、井口装罐及作翻车机动力等 方面也得到了广泛的应用。耙矿绞车主要用于金属矿及其它矿场的坑内或露天场所，在 水平及倾斜度不大的工作面上作矿物扒运及充填工作。凿并绞车主要用于煤矿、金属矿 及非金属矿竖井井筒掘进时悬吊吊盘、水泵、水管、注浆管、风管等掘进设备。它亦可 代替建筑绞车，在地面建筑及搬运等场合作起重设备用。 绞车的另一个重要用途是港口机械，常见的有集装箱起重机、港口装卸门座起重机、 塔式起重机以及轻小型的电葫芦等起重机械，其主要执行机构都是各种形式和结构的绞 车。对于这种用途的绞车，要求具备较好的调速性能和很高的安全性能。 另外，绞车还被运用于各种线缆的存储、制造和运输，例如纺织机械中的用于存放 丝线的线盘和电缆制造中用于存放各种直径缆绳的缆盘。这种情况下，绞车不光要具有 一定的调速能力，而且还能够使不同直径的缆绳排列整齐，从而保证生产的顺利进行。 在船用甲板机械和海洋开发领域，绞车也具有悠久的使用历史和多种多样的用途。 浙江大学硕士学位论文 第一章概论 本章系统地讨论了绞车的各种应用及绞车在这些应用中所体现的一些特点，阐述了 绞车的分类和结构组成，讨论了绞车排缆机构的几种构成形式，然后探讨了电液比例技 术在绞车速度控制中的应用以及在绞车抗负载特性方面上的应用，最后提出了课题的研 究对象电控排缆绞车以及课题将要完成的研究工作。 1 1 绞车的应用及分类 1 1 1 绞车在工程中的应用 绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制 造技术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断 发展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运 用于矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域。 在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备被大量而广泛地运用着，例如矿用 提升绞车、调度绞车、耙矿绞车和凿井绞车等。提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品 与人员的调度，具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少的设备之 一。调度绞车具有结构紧凑、占地面积小、安装及撤除操作方便、故障率低、常见故障 易处理、维护方便等优点。调度绞车除主要用作矿井井下及地面装载站调度编组矿车、 中间巷道中拖运矿车及其它辅助搬运工具外，在斜巷提升、井口装罐及作翻车机动力等 方面也得到了广泛的应用。耙矿绞车主要用于金属矿及其它矿场的坑内或露天场所，在 水平及倾斜度不大的工作面上作矿物扒运及充填工作。凿并绞车主要用于煤矿、金属矿 及非金属矿竖井井筒掘进时悬吊吊盘、水泵、水管、注浆管、风管等掘进设备。它亦可 代替建筑绞车，在地面建筑及搬运等场合作起重设备用。 绞车的另一个重要用途是港口机械，常见的有集装箱起重机、港口装卸门座起重机、 塔式起重机以及轻小型的电葫芦等起重机械，其主要执行机构都是各种形式和结构的绞 车。对于这种用途的绞车，要求具备较好的调速性能和很高的安全性能。 另外，绞车还被运用于各种线缆的存储、制造和运输，例如纺织机械中的用于存放 丝线的线盘和电缆制造中用于存放各种直径缆绳的缆盘。这种情况下，绞车不光要具有 一定的调速能力，而且还能够使不同直径的缆绳排列整齐，从而保证生产的顺利进行。 在船用甲板机械和海洋开发领域，绞车也具有悠久的使用历史和多种多样的用途。 浙江大学硕士学位论文 船用甲板机械常见的有自动系泊绞车、舷绳梯绞车、起吊绞车和定位绞车等。 大型船舶停靠码头期间，需系带6 8 根以上缆绳，由于风向、风力大小的变化、水 流方向和速度的变化、潮汐使主甲板与码头相对高度的变化、高效装卸货物而引起的吃 水迅速变化等，使得各根系泊缆绳张力迅速改变。再加上各根缆绳与码头的夹角及初始 系带的长度不同，各缆绳张力差异将急剧加大。一旦某根缆绳因遇意外而被扭断，其它 各缆绳就易被各个击破，从而导致船体失控，发生船碰船、船碰码头，以至船碰桥等事 故。另外，如果各系泊缆绳过松，使船舶不能紧贴码头，又将引起船舶的前后游动从而 无法准确定位。这就需要及时地调整原先系泊好的缆索，以免造成崩断缆索或飘开船舶 的现象。自动系泊绞车能自动保持缆绳张力恒定，避免以上情况的发生，从而达到减轻 船员的劳动强度和增加系泊安全性的目的。 舷绳梯绞车是输送引航员登离船舶专用的舷梯机械升降设备，为各类大型船舶配套 的通用甲板机械。船用连接绞车( 俗称紧缆器) 作为内河顶推船队船舶间的主要系结设备， 己在国内外船舶上得到用。近年来用于内河航道疏浚工作的工程船舶越来越多，而定位 绞车是该类船舶重要的甲板机械之一，它利用绞车来完成锚的收放，进行船舶横移、前 移或后退，从而使挖掘机械能有序地完成疏浚工作。 救生钟铠装电缆绞车是为常压型救生钟救生系统专门设计的新型特种绞车，救生系 统由中央控制室、绞车、铠装电缆、救生钟组成。该绞车要求适用于4 级母船工况，工 作环境一1 0 c - - + 4 0 c ，即可用于救生钟入水后的收放工作，同时也是铠装电缆输送动力 和传送信导的中转站。救生钟的水下工作状态、动作及水下环境均可通过铠装电缆和绞 车将信号传送到中央控制室中的监控器。 大型拖曳绞车是一种运用于海洋拖曳的船用绞车。它的拖曳卷筒有自动张力功能， 在长距离拖曳作业时，它可根据被拖物大小设置张力范围。当拖船与被拖物之间的张力 由于风浪等因素发生变化时，卷筒会自动收放缆绳，把张力控制在一定的范围内，从而 确保拖带的安全并改善船员工作条件。另外，这种绞车的起抛锚卷筒有的具有动力制动 系统，当拖船为平台作深海抛锚时，该系统能将抛锚速度控制在某一值内，阻止锚和锚 链以重力加速度下落而危及拖船安全。 另外，在海洋探测仪器的拖曳场合，减张力绞车是近年来发展起来的一种新型绞车。 通常，在用绞车对海洋探测仪器的缆绳进行收放时，缆绳将受到很大的张力，这种张力 是随着拖船航速、缆绳长度、海况等条件变化的。这种变化的张力对已经展开的缆阵不 会造成损害，但对普通绞车来说，缠绕在绞车卷筒上的缆绳不但有很大的径向压力，而 浙江大学硕士学位论文 且由于卷筒上各层缆绳的张力不同，有时会内层松外层紧，以致造成层间混乱和缆绳间 的相对滑动，轻则降低缆绳的使用寿命，重则造成缆绳的损坏。采用绞车减张力技术就 可以防止上述损害的发生。这种技术就是在绞车与缆绳入水口之间加一特殊设计的减张 力装置。在缆绳收放过程中，减张力装置通过对缆绳施加受控的摩擦力，来减小或增大 绞车卷筒上缆阵的张力( 即“装载张力”) ，使装载张力控制在一定的范围内从而有效地 保护缆绳。 可以说，绞车广泛地运用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样 的结构组成。为了更好地研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类展开 探讨。 1 1 2 绞车的分类 绞车的多种多样的用途，决定了绞车的种类和组成形式也是多种多样的。其分类如 图1 1 所示。 车。 绞车 单卷筒绞车 双卷筒绞车 三卷筒绞车 电动绞车 气动绞车 液压绞车 图1 1 绞车的分类 按照绞车卷筒的数量分，绞车可以分为三种：单卷筒绞车、双卷筒绞车和三卷筒绞 图1 2 单卷筒左式 图1 3 单卷筒右式 浙江大学硕士学位论文 且由于卷筒上各层缆绳的张力不同，有时会内层松外层紧，以致造成层间混乱和缆绳间 的相对滑动，轻则降低缆绳的使用寿命，重则造成缆绳的损坏。采用绞车减张力技术就 可以防止上述损害的发生。这种技术就是在绞车与缆绳入水口之间加一特殊设计的减张 力装置。在缆绳收放过程中，减张力装置通过对缆绳施加受控的摩擦力，来减小或增大 绞车卷筒上缆阵的张力( 即“装载张力”) ，使装载张力控制在一定的范围内从而有效地 保护缆绳。 可以说，绞车广泛地运用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样 的结构组成。为了更好地研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类展开 探讨。 1 1 2 绞车的分类 绞车的多种多样的用途，决定了绞车的种类和组成形式也是多种多样的。其分类如 图1 1 所示。 车。 绞车 单卷筒绞车 双卷筒绞车 三卷筒绞车 电动绞车 气动绞车 液压绞车 图1 1 绞车的分类 按照绞车卷筒的数量分，绞车可以分为三种：单卷筒绞车、双卷筒绞车和三卷筒绞 图1 2 单卷筒左式 图1 3 单卷筒右式 浙江大学硕士学位论文 单卷筒绞车是三种类型绞车中最常见的，它只有一个卷筒用来存放缆绳或者铰链， 一般用于对卷筒的容绳量要求不高的场合。根据卷筒和驱动装置的相对位置，单卷筒绞 车又可以分为：单卷筒左式绞车和单卷筒右式绞车。其结构简图如图1 2 、1 3 所示。 图1 _ 4 双卷筒左式 图1 5 双卷筒右式 图1 - 6 双卷筒瀑布式左式 图1 7 双卷筒瀑布式右式 1f 图1 - 8 双卷筒中央式 三卷筒绞车用于容绳量很大并且对绞车功率要求较高的场合，其缺点是结构复杂、 空间占用大。三卷筒绞车也有以下几种形式： 图1 - 9 三卷筒瀑布式左式 4 图1 1 0 三卷筒瀑布式右式 浙江大学硕士学位论文 图1 - 11 三卷筒瀑布式两侧驱动式 另外，按照绞车的驱动方式，通常又把绞车分为电动绞车、气动绞车和液压绞车三 种。 电动绞车一般由三相异步电动机驱动，然后通过电动机带动减速器、液力耦合器、 行星差速器等对绞车进行调速。其工作原理如下图所示： 图l - 1 2 电动绞车调速方式 气动绞车是由气马达通过减速器来驱动的，多见于油田矿井、矿山等对安全可靠性 要求较高并且工作环境恶劣的场合。目前我国油田井场的吊装仍主要是由电动绞车来完 成，由于电动绞车的安全可靠性不适应野外作业的恶劣环境，所以给油田井场的野外作 业带来很多困难，直接影响钻井的进度。特别是雨季，由于漏电，经常威胁着操作工人 的安全。为改善操作工人工作条件，用气动绞车取代电动绞车是较为合适的。另外，气 动绞车还可用在仓库、码头等有易燃、易爆气体的作业环境，具有广泛的开发前景。图 1 1 3 所示的是美国r a m w i n c h & h o i s t 公司生产的气动绞车。 图1 1 3 美国r a mw i n c h & h o i s t 气动绞车 浙江大学硕士学位论文 液压绞车是由液压马达提供功率直接或者间接而驱动的，它的调速是通过对马达的 调速来完成的。随着液压技术的发展，国内外的液压绞车逐渐形成了两种类型：泵控调 速液压绞车和阀控调速液压绞车。 泵控调速液压绞车的调速是依靠调节变量泵的流量来实现的，通常称之为容积调速。 根据结构形式它可以分为两类：一类是变量泵控制低速大扭矩马达，直接拖动绞车卷筒： 另一类是变量泵控制高速轴向柱塞马达，再经减速器拖动绞车卷筒。容积调速方式的最 大优点是节约能源，因为它的节流损失非常小。而它的缺点是调速部分的液压元件体积 大、制造困难、价格高，而且由于变量泵的变排量机构时间常数较大而使得容积调速系 统的频率响应较低。【4 3 】 5 0 】 5 3 】 阀控调速液压绞车的驱动系统一般是由定量泵和比例阀构成的，通过调节比例阀的 流量来调节绞车的速度，通常称之为阀控调速。这种调速方式的优点是调速方便、系统 频响高、技术成熟、价格低，缺点是由于存在不可避免的节流损失而使得系统能耗高。 由于采用液压技术，液压绞车相比于电动绞车和气动绞车来说，具有结构紧凑、功 率重量比高、驱动力矩大、起动平稳、调速方便、使用安全可靠等一系列优点，近年来 得到了迅速发展并获得了广泛地运用。 1 1 3 绞车在工程应用中的特点 通过对绞车应用场合的探讨和绞车结构的分析，可以得知，在工程应用中绞车会具 有如下一些特点： 负载时变 绞车运用于海洋拖曳、电梯轿厢提升、矿山调度等场合时，由于外界环境因素的影 响，例如海浪、海流、货物重量等的不断变化，它的负载也在不断变化。这就对绞车的 稳定运行造成了很大干扰，尤其是海洋绞车或水下绞车，由于工况比较复杂，受到的干 扰更大。如果不采取有效的控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有时甚至无法正 常工作。 驱动力矩范围大 这也是由绞车的工作环境决定的，其驱动力范围从几公斤到上百吨不等。 调速方便，高低速运行稳定 由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续地调整收放速度。在高速 运行的时候，不能出现飞车的情况：在低速运行的时候，不能出现爬行现象，而且要保 持一定的输出力矩。 6 浙江大学硕士学位论文 液压绞车是由液压马达提供功率直接或者间接而驱动的，它的调速是通过对马达的 调速来完成的。随着液压技术的发展，国内外的液压绞车逐渐形成了两种类型：泵控调 速液压绞车和阀控调速液压绞车。 泵控调速液压绞车的调速是依靠调节变量泵的流量来实现的，通常称之为容积调速。 根据结构形式它可以分为两类：一类是变量泵控制低速大扭矩马达，直接拖动绞车卷筒： 另一类是变量泵控制高速轴向柱塞马达，再经减速器拖动绞车卷筒。容积调速方式的最 大优点是节约能源，因为它的节流损失非常小。而它的缺点是调速部分的液压元件体积 大、制造困难、价格高，而且由于变量泵的变排量机构时间常数较大而使得容积调速系 统的频率响应较低。【4 3 】 5 0 】 5 3 】 阀控调速液压绞车的驱动系统一般是由定量泵和比例阀构成的，通过调节比例阀的 流量来调节绞车的速度，通常称之为阀控调速。这种调速方式的优点是调速方便、系统 频响高、技术成熟、价格低，缺点是由于存在不可避免的节流损失而使得系统能耗高。 由于采用液压技术，液压绞车相比于电动绞车和气动绞车来说，具有结构紧凑、功 率重量比高、驱动力矩大、起动平稳、调速方便、使用安全可靠等一系列优点，近年来 得到了迅速发展并获得了广泛地运用。 1 1 3 绞车在工程应用中的特点 通过对绞车应用场合的探讨和绞车结构的分析，可以得知，在工程应用中绞车会具 有如下一些特点： 负载时变 绞车运用于海洋拖曳、电梯轿厢提升、矿山调度等场合时，由于外界环境因素的影 响，例如海浪、海流、货物重量等的不断变化，它的负载也在不断变化。这就对绞车的 稳定运行造成了很大干扰，尤其是海洋绞车或水下绞车，由于工况比较复杂，受到的干 扰更大。如果不采取有效的控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有时甚至无法正 常工作。 驱动力矩范围大 这也是由绞车的工作环境决定的，其驱动力范围从几公斤到上百吨不等。 调速方便，高低速运行稳定 由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续地调整收放速度。在高速 运行的时候，不能出现飞车的情况：在低速运行的时候，不能出现爬行现象，而且要保 持一定的输出力矩。 6 塑婆奎堂堡主堂焦望塞 自动排缆 当绞车的缆绳层数为双层或者多层时，如果不采取一定的排缆措施，就会出现乱卷 的现象，轻则缩短缆绳的寿命，重则影响绞车的正常工作。所以，现在的双层或多层绞 车大多数都配有排缆机构来保证缆绳的整齐排列。 对安全可靠性要求较高 由于绞车一旦出现事故，就有可能对人的生命或财产造成很大的伤害，加上绞车的 工作环境大多比较恶劣，所以就要求绞车具有很高的可靠性。因此在设计绞车时设计人 员应考虑到绞车的最大负载能力、绞车的防爆性、元件的可靠性等因素。 具有较好的可操作性 随着对绞车使用要求的不断提高以及自动化技术的发展，绞车的自动化程度也在不 断提高。一些先进的电子控制技术、通讯技术的运用，使得现在的绞车能够具有很好的 人机接口和远程通信能力，极大地提高了绞车的操作性能。 1 2 绞车排缆机构的概要 绞车的排缆机构是保证绞车正常运转的关键部件，在绞车的工作中起着非常重要的 作用。通过排缆机构的周期往返运动，绞车能够使缆绳整齐密实地缠绕在卷筒之上，从 而避免了双层或多层缠绕时缆绳乱卷、互相挤压等现象的出现，保证绞车能够顺利地进 行收放工作。【5 2 】 在人们对绞车排缆机构的不断研究和使用实践过程中，逐渐形成了以下几种类型的 排缆机构：凸轮排缆机构、丝杠排缆机构、液压缸排缆机构。 4 9 d i 图l - 1 4 凸轮排缆机构 凸轮排缆机构的构造如图1 - 1 4 所示，主要由梅花凸轮、排缆杆和复位弹簧构成。凸 7 塑婆奎堂堡主堂焦望塞 自动排缆 当绞车的缆绳层数为双层或者多层时，如果不采取一定的排缆措施，就会出现乱卷 的现象，轻则缩短缆绳的寿命，重则影响绞车的正常工作。所以，现在的双层或多层绞 车大多数都配有排缆机构来保证缆绳的整齐排列。 对安全可靠性要求较高 由于绞车一旦出现事故，就有可能对人的生命或财产造成很大的伤害，加上绞车的 工作环境大多比较恶劣，所以就要求绞车具有很高的可靠性。因此在设计绞车时设计人 员应考虑到绞车的最大负载能力、绞车的防爆性、元件的可靠性等因素。 具有较好的可操作性 随着对绞车使用要求的不断提高以及自动化技术的发展，绞车的自动化程度也在不 断提高。一些先进的电子控制技术、通讯技术的运用，使得现在的绞车能够具有很好的 人机接口和远程通信能力，极大地提高了绞车的操作性能。 1 2 绞车排缆机构的概要 绞车的排缆机构是保证绞车正常运转的关键部件，在绞车的工作中起着非常重要的 作用。通过排缆机构的周期往返运动，绞车能够使缆绳整齐密实地缠绕在卷筒之上，从 而避免了双层或多层缠绕时缆绳乱卷、互相挤压等现象的出现，保证绞车能够顺利地进 行收放工作。【5 2 】 在人们对绞车排缆机构的不断研究和使用实践过程中，逐渐形成了以下几种类型的 排缆机构：凸轮排缆机构、丝杠排缆机构、液压缸排缆机构。 4 9 d i 图l - 1 4 凸轮排缆机构 凸轮排缆机构的构造如图1 - 1 4 所示，主要由梅花凸轮、排缆杆和复位弹簧构成。凸 7 浙江大学硕士学位论文 轮撵缆稳掏瀚原理莛通过蠢彩梅花酗轮静转动，摇动簿缆释往复运动，使缆绳有规律选 排列在卷筒上。 凸轮稚缆机构有着结构简单、紧凑、造价低廉等优点，只要凸轮设计合理就能宓现 周期排缆的鼹的。但凸轮轮廓与从动传之间一般是点线接触，凸轮积从动孛都容易爨擐。 受速度的限制，它尤其不能用于受力较大的场合。 缝桎搀缆誊尼橡分壤丝毂搭缆援构j 嚣双丝程撵缆裁拇。擎丝柱捺缆凝擒薮l 丝枉、赘 缆 架和行程开关构成，如图1 1 5 所示。 圈1 1 5 单丝杠排缆机构 熊籽昃髂蓬反囊戆转动，驱动帮丝母稳逐懿霉绞架终往返运动，蔼逶过行程舜美来 改变燃杆的转向，从而实现周期性排缆目的。 在双丝秘捺缆过程中，双丝枉也只作转动，两月牙形的螺母作水平运动以实现摊缆 目的。 丝枉排缆的传动比标准，排缆相对均匀、密实。但丝杠加工困难，若螺距过小，缆 密度系数则藤，轴悫强力积经肉压力过大，会使工掌耱发生变形。整螺鼯避大，接缆佳 复频繁，会影响换向机构工作的可靠性和寿命，特别是机械斌的响应较慢，较易出现马 鞍形。 液压缸排缆机构的构成如图1 1 6 所示。 窀静工俸原理楚簿缆粱农双出秆液压缒豹活塞捺动下进行双向运动，其换向由行程 限位开关触发的信号完成，根据卷筒的转动速度通过电控比例系统米调节液蔗缸的速度， 从而保证缆绳的整齐排列。采用液毯缸排缆方式按照液压比例来控制排缆速度，同机械 调速棚比，霹实现无级调速，控制糖度熹，邋用积应用范围大，传动乎稳曼缝保迁瓣缆 质量。在实际生产中，只要设定预给参变数，就可编程与微机结合，为生产和管理提供 了方蠖葶瑟 ；| ； 委。毽该簿缆极携结梅较复杂，鑫臻空鬻大，不遥会一些安装空阀小戆王律 邵劈。一 8 浙江大学硕士学位论文 图1 1 6 液压缸排缆机构 1 3电液比例控制技术在绞车上的应用 1 3 1 电液比例控制技术简介 电液比例控制技术，是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、 制造和维护费用高等缺点，而它提供的快速性在一般工业设备中又往往用不着的情况， 在近3 0 年迅速发展起来介于普通通断控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支。 在工程应用上，电液比例控制技术具有以下一些特点：【1 8 】【1 9 】 可明显地简化液压系统，r 实现复杂程序控制 利用电信号便于实现远距离控制或遥控 利用反馈可提高控制精度或实现特定的控制目标 随着现代科学技术的飞速发展，电液比例控制技术已经不再是仅仅充当一种传动方 式，而更多地是作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间 的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段和环节。 1 3 2 电液比例控制技术在绞车速度控制方面的应用 随着微电子控制技术和电液比例技术的不断发展，为了在绞车的调速、驱动能力和 安全防爆等方面取得良好的性能，液压绞车在设计制造时大多选用电液比例控制系统来 驱动。 根据绞车使用场合的不同以及对绞车性能要求的高低，绞车速度的电液比例控制系 统在结构设计和控制策略的选择上，有多种多样的方案。【l 】【2 】【3 】【4 】 ( 1 ) 在结构上，绞车速度的电液比例控制系统有泵控马达和阀控马达两种方式，每 q 浙江大学硕士学位论文 图1 1 6 液压缸排缆机构 1 3电液比例控制技术在绞车上的应用 1 3 1 电液比例控制技术简介 电液比例控制技术，是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、 制造和维护费用高等缺点，而它提供的快速性在一般工业设备中又往往用不着的情况， 在近3 0 年迅速发展起来介于普通通断控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支。 在工程应用上，电液比例控制技术具有以下一些特点：【1 8 】【1 9 】 可明显地简化液压系统，r 实现复杂程序控制 利用电信号便于实现远距离控制或遥控 利用反馈可提高控制精度或实现特定的控制目标 随着现代科学技术的飞速发展，电液比例控制技术已经不再是仅仅充当一种传动方 式，而更多地是作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间 的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段和环节。 1 3 2 电液比例控制技术在绞车速度控制方面的应用 随着微电子控制技术和电液比例技术的不断发展，为了在绞车的调速、驱动能力和 安全防爆等方面取得良好的性能，液压绞车在设计制造时大多选用电液比例控制系统来 驱动。 根据绞车使用场合的不同以及对绞车性能要求的高低，绞车速度的电液比例控制系 统在结构设计和控制策略的选择上，有多种多样的方案。【l 】【2 】【3 】【4 】 ( 1 ) 在结构上，绞车速度的电液比例控制系统有泵控马达和阀控马达两种方式，每 q 浙江大学硕士学位论文 图1 1 6 液压缸排缆机构 1 3电液比例控制技术在绞车上的应用 1 3 1 电液比例控制技术简介 电液比例控制技术，是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、 制造和维护费用高等缺点，而它提供的快速性在一般工业设备中又往往用不着的情况， 在近3 0 年迅速发展起来介于普通通断控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支。 在工程应用上，电液比例控制技术具有以下一些特点：【1 8 】【1 9 】 可明显地简化液压系统，r 实现复杂程序控制 利用电信号便于实现远距离控制或遥控 利用反馈可提高控制精度或实现特定的控制目标 随着现代科学技术的飞速发展，电液比例控制技术已经不再是仅仅充当一种传动方 式，而更多地是作为一种控制手段，充当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间 的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少的重要技术手段和环节。 1 3 2 电液比例控制技术在绞车速度控制方面的应用 随着微电子控制技术和电液比例技术的不断发展，为了在绞车的调速、驱动能力和 安全防爆等方面取得良好的性能，液压绞车在设计制造时大多选用电液比例控制系统来 驱动。 根据绞车使用场合的不同以及对绞车性能要求的高低，绞车速度的电液比例控制系 统在结构设计和控制策略的选择上，有多种多样的方案。【l 】【2 】【3 】【4 】 ( 1 ) 在结构上，绞车速度的电液比例控制系统有泵控马达和阀控马达两种方式，每 q 浙江大学硕士学位论文 种方式又可采用开环控制或者闭环控制。 在开环控制情况下，阀控马达方式是利用油路节流口前后的压差与通过流量的关系 进行速度控制的，所以因负载变动等原因而使压差变化时，马达速度也会发生变动而造 成误差，同样油温的变化也会造成速度波动，增加速度控制的静态误差。泵控马达方式 是利用泵和马达的排量与流量和速度的关系进行速度控制的，所以泵泄漏会引起误差， 因此要求泵容积效率很高且不变动。 在闭环控制情况下，阀控马达方式是利用机械液压式或电气力、压力、流 量、速度式反馈形成油路节流i z l 的流量闭环调节，从而保证在负载变动、油温变化及泵 泄漏等情况下，流过节流口的流量基本不变，即绞车的速度基本不变。机械液压式 反馈控制在工作可靠性、装置易维修性、成本等方面虽然有很大优势，但存在系统参数 调整范围窄、难于获得高精度的缺点。采用电气液压式反馈控制，系统设计时的参 数调整及运算等工作灵活性强，易于实现高精度和快速响应，但同时它存在电气噪声、 温漂等的影响。闭环泵控马达方式是通过主油路节流口压差的压力反馈、负载流量的电 反馈或马达速度的速度反馈等闭环方式来控制马达的速度，使之克服负载、液压参数等 变化带来的干扰而保持稳定。 绞车速度的阀控马达方式中，通常选用的比例元件是比例流量阀和比例方向阀两种。 比例流量阀通过阀内部的压力补偿和阀芯位移反馈等措施来保证流量的稳定，从而使得 马达的速度也保持稳定，不受负载变化的干扰。在对绞车速度精度要求较高、负载干扰 较大的场合，也需要采取外部流量反馈或速度反馈来保证绞车的速度稳定。比例方向阀 根据输入电信号的大小和正负，使阀芯产生一定大小和方向的开度，从而使得绞车卷筒 马达获得不同大小和方向的流量。采用比例方向阀控制绞车的速度，虽然比例方向阀内 部也采用了压力补偿和阀芯位移反馈，但由于阀结构原理的不同，阀的流量仍然会受到 阀口压差的影响而变化。因此，比例方向阀控制绞车的速度一般都采用速度闭环来保证 速度的稳定。 绞车速度的泵控马达方式中，一般有两种形式：一是改变原动机转速，另一个是通 过流量适应或功率适应方式通过机械变量机构改变泵的排量。 改变泵排量方式的容积调速技术比较成熟，从机械反馈式到液压反馈式及电气反馈 式，性能不断提高。与节流调速技术相比，传统容积调速液压元件体积大、制造困难、 价格高，而且变量泵的时间常数较大的变排量机构使得容积调速系统频响低。但这种调 速方式较大的优势是由于没有节流损失，因而节约能源。 1 0 浙江太学硕士学位论文 改变原韵视转速的容积调速技术是近年来变频调速技术在液压领域中酌应用。这种 形式的容积调速系统克服了上述传统荥控调速方式的缺点，能得到优良的控制性能，而 且节约能源。但其成本较贵，在绞车速度控制中的威用不多。 ( 2 ) 在控制策赂上，键慰绞车速度电滚跑捌控剑系统具蠢静j 线性、辩交、负载于 扰大等特点，在研究和应用上采用了p i d 控制及优化控制、自适应控制、静棒控制、模 凝控捌、专家控翱、糖经隧络控寿l 等多耱控秘策略。 p i d 控制及优化控制是四十年代后发展起来的，是经典控制理论的代表。它们在绞 车遴凌控潮中饺蔫 ! 葶最广泛棼最成熟。在当今现代控篱l 及智髓控镧投广泛磅究或使瑙对， p i d 与优化控制又与之紧密结合，发展成新的具有自适应与耨棒特性的控制策略。如p i d 控制与模糊控制结含，克服了它的阖有缺点( 无自适应能力) ；最优控制与遗能算法相结 合，形成了遗能算法优化控制策略，使快速蠢效、全局优化的优化爨法褥到发展。 基这 两种控制亦商其局限，如它只适应较简单的对象，如果被控对象变化较大，控制器要重 薮调熬；对黪线性、翼孪交、糕会及参数不确定戆较笈杂系统簸无能梵力。 自适应控制最早是由美豳m i t 掇出的所谓参数优化模型参考自适应控制。如众所周 螽，液压马达速度撩裁孛使震或研究褥较戎熬或较多懿有整校歪控制专模燮参考耋逶应 控制两大类。自适应控制系统的最大特点是被控对象能自动适应工作环境及自身参数在 一定范围内的交仡( 邵不确定性) ，便系统始终保持在优纯状态下工作。鲁遗瘟控制壤论 的发展是控制理论的一大进步，它改变了控制系统只能在事先确定的各参数状态下工作 ( 否则就不能实现优化) 的阚限性。当前各种自适艨控制在液压马达速度控制系统中有 一定的应用，但由予其塞身瓣缺点，嚣姥使用摄共不广泛。其主要瓣局；基悭如在线计算 工作最大，需要知道数学模型或一些先验知识，要满足李雅酱诺夫域波波失稳定性条件 等等。懿终耱统熬鸯逶瘟控镧器在娥毽菲线缝、胃交缝橡及大漳嚣慰蒙对夯魄较嚣滚。 当前进一步研究的方向是减少计算工作量及对数学模型的依赖性，使能满足比较复杂的 滚毯舄这速澄控翻系统在线控翻的需器。 镪棒控制是解决系统抗干扰、抗摄动的粥一种方法，它亦是当前控制界研究的热点 之一。在流体控制界鲁棒控制研究得较多豹怒两类：一类是变结构控制( v s c ) ，另一类 是磊乙控刳。v s c 的突出优点是湮动模态对系统摄动髑步 部予扰的誉变挂( 蹇全鲁掺糕 。 鼠，鲁棒控制理论很好地解决了常规频域理论不适子m i m o 系统设计及l q g ( 线性二次 高斯) 理论不适于模型摄动情况这两个难题。这两类控制方法有一魑共阿缺点，即依赖 数学模型较多；解决不确定性闻题能力不强；有的诗冀工掺爨较大，不利予魏快速嗡应 l 】 浙江大学硕士学位论文 的绞车速度控制系统的在线控制；对非线性复杂系统问题的解决困难等。 模糊控制的研究工作首先由z a d e h 建立的模糊集合论开始的，到了现在，模糊控制 ( f c ) 广泛地应用于工业的各个领域，尤其是家用电器的自动化方面。f c 之所以如此广 泛被使用，因它具有一般智能控制诸重要的优点外，还因f c 结构和算法简单，且是解决 不确定性系统控制的一种很有效的途径。在流体控制中，f c 应用得也较广泛。 专家控制( e c ) 是智能控制的一个重要分支，亦是用得很为普遍的一种控制系统。 自从8 0 年代初人工智能专家系统方兴末艾之时，自动控制领域的学者开始把专家系统的 思想和方法引入控制领域，形成了这种新颖的控制系统专家控制系统。专家控制系 统的局限性是：遇到连“专家”都不熟悉的信息时，就无能为力。所以如何根据深层知 识，寻找更多的信息，即一旦由规则库找不到需要的信息时，可由深层知识进行搜索， 以获得有用的信息，这是目前研究的方向。当前专家们将e c 与现代控制理论相结合， 形成新的智能控制系统。如用辩识，概念，再辩识的方法，形成自适应结构等，都 是研究方向。 近年来在流体控制界，对神经网络( n n ) 的研究与应用已做了大量的工作，一直处 于研究热点地位。n n 的基本思想是从仿生学的角度对人脑的神经系统进行模拟，使机器 具有人脑那样的感知、学习和推理等智能。n n 有很多优点，对我们来说最感兴趣的是它 不用知道数学模型，而能逼近任意复杂的非线性关系，在解决高度非线性和严重不确定 性系统的控制方面有巨大的潜力。这些优点与功能正是液压伺服系统所迫切需要的。 1 3 3 电液比例控制技术在绞车抗负载特性方面的研究 大量研究和实验表明，采用电液比例控制的绞车速度以及绞车排缆丝杠的速度都易 受负载或油源压力干扰的影响而不稳定。在绞车设计制造的实践过程中，为了提高速度 的抗干扰能力，绞车电液比例控制系统通常在结构设计和控制策略选择时采用以下几种 抗干扰方法。 3 8 1 4 0 】【5 5 】【5 6 】 结构设计上的抗干扰措施有： ( 1 ) 比例方向阀叠加压力补偿器 传统作法是在比例方向阀上叠加压力补偿器( 定差方向减压阀) ，使比例方向阀节流 阀口的压降保持恒定。但由于压力补偿器的流量一压力特性较差，尤其是当阀口压降发 生突变时会产生很大的瞬时流量超调，使液压执行机构产生速度冲击，其动态抗干扰性 较差。 ( 2 ) 采用速度压力适应复合控制 1 2 浙江大学硕士学位论文 的绞车速度控制系统的在线控制；对非线性复杂系统问题的解决困难等。 模糊控制的研究工作首先由z a d e h 建立的模糊集合论开始的