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1.1课题来源及研究的目的和意义
随着经济的不断发展，大型工业与民用建筑不断的出现，以至使得像大型H钢这样的钢材有着大量的市场需求。2005年推出的《钢铁新政》确立了一个重要的的产业政策是注重钢材的节约使用，发展循环经济，是实现钢铁工业可持续发展的必由之路。同时还明确指出H型钢材是绿色环保产品，要大力推广应用。因此可以说，H钢远期需求依然很大。在H钢的价格方面有利好因素，首先，板材价格持续上涨，自2005年以来，以冷轧为带动，中厚板，热卷以及螺纹等的价格都有不同程度的上涨。尤其宝钢调价以来，板材价格在此带动下持续高涨。钢市场逐步回暖也给H型钢市场形成了一个比较稳定的外部环境。其次，国外H型钢市场行情较好，为我国H型钢出口创造了一个有利环境，日本，美国及欧洲等地H型钢市场逐步回暖，价格均有不同程度的程度的回升，国内市场进口H型钢与国产H型钢价格差距已经消失，对国内市场不再构成威胁，反而有利于国内钢材的出口。大型H钢提升翻转机机构在在这个经济背景下产生。
H钢虽然可以用热轧的方法制造，但只能在端面高度为400~600mm范围内取得最佳经济效果，小于或大于这个范围，用其它焊接方法制造更为有利。同时，在焊接生产加工中，当H钢完成组对并进行一面的焊接后，需要将其翻转，以便焊接另一面。但由于H钢体积大、重量重，人工很难翻转，所以需要专用的设备，尤其是在大批量生产中，就更需要一种翻转提升机构来完成这一操作，以提高生产效率。大型H钢翻转提升机就是应用在这种场合下的设备。
1.2同类设备目前的发展着状况
对于翻转机构，现在已有很多的形式。如有框架式、头尾架式、链式、环式、推举式等。并已在实际生产中用于各种工件的翻转。目前国内还未对各种形式的翻转机制订出系列标准，但国内已有厂家生产头尾架式的翻转机，并成系列。
另外，配合焊接机器人使用的框架式、头尾架式翻转机，国内外均有生产。它们都是点位控制，控制点数以使用要求而定，但多为2点(每隔)、4点（每隔）、8点（每隔）控制，翻转速度以恒速的为多，但也有变速的。翻转机与机器人联机按程序动作，载重量多在20～3000之间。例如我国汽车、摩托车等制造行业使用的弧焊机器人加工中心，已成功地采用了国产头尾架式和框架式的焊接翻转机，由于是恒速翻转，点位控制，并辅以电磁制动和汽缸锥销强制定位，所以多采用交流电动机驱动、普通齿轮副减速，机械传动系统的制造精度比轨迹控制的低1到2级，造价便宜。提升机构主要有机械式和液压式两种，且各种提升设备已形成标准系列。
机械式提升机构通常是以省力的钢丝绳滑轮组作为执行构件的，所以可以有较大的提升范围，滑轮组一般使用定滑轮、定滑轮和动滑轮、双联滑轮组（四分支）、双联滑轮组（八分支）等几种形式。另外在机械式提升机构中，也有采用齿轮和齿条进行提升，但采用这种机构的设备一般只适用于小型货物、轻载情况下的提升作业。
液压式提升机构也是常用提升机构中的一种。它采用液压作为动力源，包括有使用液压马达，其执行提升的机构同机械式。由于液压缸的行程有限，对于较大行程的提升都设计有增加行程的装置，如X形的支架。因此，液压式提升机构多用于升降台、汽车翻斗等不需要很大行程，但却有较大载重的设备中。
考虑液压传动具有在同样的驱动功率下，液压装置的重量更轻、体积更小及耐冲击的特点。选用液压式提升机构作为H钢的提升装置。由于系统不需要较大的提升行程，所以使用液压缸直接推动翻转架进行提升即可，这样做，虽然要使用较多的液压缸，但可以简化提升机构，所有翻转架的液压缸都由一个泵源提供动力，即可保证液压缸的同步动作，也可以减少空间的使用。
我国研制的液压提升机，因具有体积小、结构紧凑、安装灵活、操作简单及良好的防爆性能与容积调速和恒扭矩输出特性等优点，广泛应用于工业生产中，并已在在各种金属、非金属矿山和现代工程施工、建筑等领域作非防爆提升设备也得一定程度的推广应用，并仍有较大市场前景。
随着技术的发展，在液压提升机的使用市场受到挑战的条件下，对液压提升机动性的动态品质与综合性能提出了更高的要求。现有液压提升机的液压系统为开环加简单的手动操作比例式减压阀控制方式，液压泵为直接反馈排量调节变量控制结构，这很难满足对液压提升机的高品质要求。在现有液压提升机基础上，如何调整液压系统结构、设计控制策略，实现自动控制程度更高、安全可靠性更好、运行效率更高、满足乘坐舒适性要求的高品质液压提升机成了目前液压提升机研究与生产厂家的当务之急。
液压提升机按传动系统有全液压传动的液压提升机和液压—机械传动两大类。
液压提升机由于采用液压传动，减小了产生电火花的元件，空载直接启动，完全由液压系统实现调速，电气控制设备简单，便于实现防爆，安全可靠性好，液压系统传递动力均匀平稳，而且通过液压变量泵能实现无级变速，起动换向平稳低速动转性能好，电控制提升机在启动和低速提升时电阻器消耗能量，在低速重载下放时靠制动间摩擦来实现调速。而液压提升机调节速时无电阻器消耗电能，且在下放重载时向电网反馈电能。液压提升机不象电控制提升机那样频繁启动电动机，与同功率的电控防爆提升机相比，结构简单，体积小，占用用室小、运输、安装费用低;安全保护设施齐全。
从控制理论角度来讲，提升机液压系统是典型的非线性、变载荷、变参数的系统，工作效率更高、安全可靠性更好、乘坐更为舒适性等技术要求又对液压提升机的平层位置精度、速度、加(减)速度的动态控制指标提出了更高的要求。到目前为止，防爆液压提升机控制系统主要是容积调速控制，即司机操作减压式比例控制阀向变量控制系统的比例油缸输入—逐渐变化的压力油，比例油缸位移控制伺服阀阀芯位移，伺服阀又通过差动油缸控制摆动缸体，改变变量泵的斜盘倾角大小，改变液压泵拾出流量的大小和方向，进而改变液压马达的速度大小和旋转方向，实现对提升箕斗或雄笼的升降。液压提升的电液比例控制和电液伺服控制方式正处于研究和研制阶段。
根据国家计委等三部委发布的“提升设备产品市场总需求表”获悉，矿用提升设备产品“九五”期间总需求量比“八五”期间增加38%,“十五”期间的总需求量也有增无减，其中大中型矿用提升设备全国每年平均需求量约为3250台。同时，据不完全统汁，目前我国约有Ø1.2—Ø2.5m井下提升设备近15000台，大部分为非防爆型。随着电控防爆技术的发展，、液压防爆提升机的井下市场的受到挑战。但因液压防爆提升机具有电控提升机无法比拟的优点，特别是随着液压伺服控制技术的发展，各种液压伺服控制策略如PID控制、自适应控制、变结构控制、模糊控制、神经网络控制在液压提升机中的应用，液压提升机的动态品质、综合性能必将得到大幅度的提高，液压防爆提升的优势将更加明显。
液压提升机的竞争优势除原有结构紧凑、安装灵活、操作简单及良好的防爆性能与容积调速恒扭矩输出特性外，各种液压伺服控制策略的应用必将使其具有新的技术优势，可以说液压提升机的技术优势主要在于液压伺服控制系统的优势，具体可归纳为大功率液压伺服控制系统与电气伺服控制系统相比，仍将保持体积小、重量轻、惯性小。一般电气元件的动作是基于电磁作用，已知的各种铁磁物质在很低的磁通下便饱和了，这意味着一定体积的电动机不可能获得更大的力矩。电磁铁每平方厘米能产生的最大力大致71.6N左右，即使昂贵的坡莫合金，每平方厘米面积的力也不超过215.7N、而采用作动筒的液压伺服系统在lcm2能产生力372.9—2059.4N的力是很普遍的，45000N/cm2及以上压力的液压系统也在发展之中，由此看出与电气元件同样大小的液压元件所产生的力要比电气元件大得多，采用液压马达时，其转动惯量约为相应功率电动机的转动惯量的1%左右，液压伺服控制系统的力矩惯性比，比电气伺服系统大十几倍到几十倍，对于一个自动控制系统，元件的质量及惯量的降低减轻了系统的重量和体积外更重要性的是由于惯性小，变化速度与反向控制容易，其快速性可以大大提高，这在大功率的液压提升机上将更明显。
静、动态控制精度对现代化的液压提升设备来说已是一项非常重要的指标，由于液压伺服系统特别是电液伺服系统可以允许较大的放大倍数，功率放大倍数可达106，因而可以获得较高的静态与动态精度，液压伺服系统的时间常数在0.1—10-3s，而电动系统一般在0.5—10-2s;液压伺服系统的压力放大倍数大，故系统受负载变化的影响相对小，对反操作的抑制能力强;液压伺服所表现的这种负载刚性大的另一个原因是液压油本身带来的油的体积的变化很小。电动机的输出力是由电磁力的电磁场作用造成的，它的刚性比液压的差，因而定位误差也大。更高动态品质、综合性能要求的液压提升机的发展正是利用了液压伺服控制的这些优势。
液压伺服系统解决散热问题方便，利用液体的流动把那些由于功率损耗而产生的热量，从发生的地方带到别处，只要在适当的地方装上冷却器便可解决散热问题。电气元件由于电阻损失和涡流损失等到产生的热量无法很快带走，故而限制了它的使用条件，或它的最小使用条件受到限制，因而液压元件的体积可以做得相当小。
此外，液压油能兼起润滑作用，从而使液压统的使用寿命得到延长;液压伺服系统调速范围宽，高低速之比可以达400以上，以及固有的枯滞性使其传动平稳，特别是低速有良好的稳定性，当然液压伺服系统也存在着如液压油容易污染、流体流动复杂，理论上的描述不如电气成熟，以及管路传输也不如电气方便等缺点。
随着对自动化生产和高生产效率的要求，对生产设备也提出新的要求，即需要解决液压提升机的层位控制精度不高、提高安全可靠性等一系列问题，这是液压提升机发展中大家密切注视和急待解决的问题。调整液压系统结构、设计控制策略，实现自动控制程度更高、安全可靠性更好、运行效率更高、满足乘坐舒适性要求的高品质液压提升机是近几年液压提升机的主要发展趋势。
液压提升机提升绳系与电控式提升机的完全一样，主机则为全液压驱动与制动结构，液压驱动系统为泵控马达容积调速系统，制动系统则为阀控缸节流系统。由于两液压系统在动态特性上的固有差异，加之现役液压提升机的控制手段相对落后，致使其综合性能、品质不高。因此，除在降低振动噪声、减少泄漏污染等方面继续加以研究外，在技术上主要应解决提高平层精度的问题。
平层精度包括液压提升机停稳后提升容器在停靠处与平层间的位置误差(规定误差值为士50mm)和卷筒制动时刻至提升容器停稳所经历的时间即平层时间两方面，这是影响液压提升机运行效率的主要因素。平层精度与液压驱动系统的速度伺服控制方法、提升机减速过程中的激励加速度函数、提升绳系的振荡特性、提升容器所要停靠的平层在井筒中的位置(它决着提升钢绳的长度)和负载大小密切相关。
提升机的减速停车过程设计主要为时间设计法和行程设计法两种。在现有液压提升机的减速运行过程中，司机根据深度指示器的指示，手动操作减压式比例阀发出减速停车信号，其减速停车的过程是一种粗糙的距离控制法。这种控制法往往不够精确而要靠司机一次或多次微动操作才能使提升容器达到规定误差范围，严重影响着运行效率的提高。
对提升绳系的动力学与振荡特性的研究。控制变量的伺服变量机构——位置直接反馈比例排量调节系统使泵的拾出流量能限随输入信号——减压式比例阀阀芯位移作连续比例变化，但液压泵的容积效率随系统工作压力、油液粘度等的变化而变化，加之液压油的可压缩性、管道的弹性、液压元件的泄漏等因素的影响，从而使输人液压马达的流量得不到精确的控制，又由于液压驱动系统没有马达输出速度检侧与反馈闭环。因此，提高液压提升机的平层精度就必须改变其现有控制方式。
提高液压驱动与制动动作的协同性是保证液压提升机可靠、安全有序工作的关键，在液压提升机加速起动、减速停车的瞬间，司机操作减压式比例阀向液压驱动系统与制动系统同时发出控制信号，驱动系统液压马达输出转速与输出扭矩逐渐动态地建立，同时液压制动系统松闸或抱闸制动，两者协同配合实现负载的升降。
液压驱动系统为泵控马达系统，制动系统为阀控制缸系统，相比之下，前者的响应速度慢很多，虽然液压制动系统中设置有节流阀以调节制动、松闸时间，但因负载、系统油温等因素的影响，液压驱动系统扭矩、转速(同步建立)建立或降低时间均是个变量，从而引起所谓的“上坡起动负载瞬时下滑”与停车时系统压力冲击现象。因此，设置液压驱动系统输出速度的闭环反馈与控制，对确保液压驱动与制动的协同配合，提高系统的动态品质致关重要。
综上所述 ，液压提升机的液压系统是典型的变负载、大惯量、非线性、时变高阶系统，要提高其综合性能与动态品质，关键是合理设计对应于一个提升循环中的液压驱动系统马达的输出速度曲线，尤其是控制加速起动与减速停车过程中的加速度方程:这就必须改变液压提升机的控制策略，采用闭环与多种控制策略来提高系统的速度刚度与负载扰动下的响应速度。
液压提升机具有液压传动系统与电控提升机的众多优点，仍将有较大的市场前景，有我们多年来设计、制造与使用维护所积累的经验，对提高液压提升机的动态品质与综合性能是完全可能的;而其中的关键是改变现有液压提升机的简单手动操作比例式减压阀操作与控制方式，而实现以数字PID控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制或它们的复合控制为算法的计算机控制系统，这也是近几年液压提升机的发展趋势。目前，液压提升机的计算机控制策略正在理论与试验研究之中。
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