基于数模混合控制的提梁机液压转向控制系统的研究.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第 4 1卷 第 l 9期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAULI CS Oc t ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 1 3 基于数模混合控制的提梁机液压转向控制系统的研究 王博，任德志 河南科技大学机 电工程学院，河南洛 阳4 7 1 0 0 3 摘要 为了减少提梁机液压转向控制系统对昂贵的M4系列换 向阀的需求数量，提高性价比，采用换向阀模拟控制加 高速开关阀数字控制的方式，通过先粗调后精调的模式来对轮组的转向速度和位置进行控制，并利用软件对转向机构进行 有限元分析。结果显示数模混合控制方案满足转向要求 ，论证了该控制方案的可行性。 关键词 提梁机 ；转向液压控制系统 ；数模混合控制；A M E S i m仿真 中图分类号T U 6 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 90 4 9- 4 Re s e a r c h o n Ga n t r y Cr a n e S t e e r i ng Sy s t e m Di g i t a l Ana l o g Hy br i d Co nt r o l Sc he me W ANG Bo．REN De z h i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， He n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g H e n a n 4 7 1 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e t h e d e ma n d q u a n t i t y o f g a n t r y c r a n e h y d r a u l i c s t e e rin g c o n t r o l s y s t e m f o r t h e e x p e n s i v e M4 s e ri e s v a l v e a n d i mp r o v e c o s t p e r f o r ma n c e ，t h e mo d e t h a t a n alo g c o n t r o l w i t h r e v e r s i n g v a l v e a n d d i g i t a l c o n t r o l w i t h h i g h s p e e d s w i t c h v a l v e w a s u s e d ．T h e me a n s t h a t r o u g h a d j u s t m e n t fi r s t a n d fi n e a d j u s t m e n t l a t e r w a s u s e d t o c o n t r o l t h e w h e e l t u r n i n g s p e e d a n d p o s i t i o n ， t h e n fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s w a s ma d e for t h e s t e e ri n g me c h a n i s m．T h e r e s u l t s s h o w t h e h y b rid c o n t r o l s c h e me c a n s a t i s f y t h e s t e e r i n g r e q u i r e me n t s ．I t i s d e mo n s t r a t e d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e c o n t r o l s c h e me ． Ke y wo r Ga n t r y c r a n e ；Hy d r a u l i c s t e e r i n g c o n t r o l s y s t e m ；Di g i t al a n alo g h y b rid c o n t r o l ；AME S i m s i mu l a t i o n 转 向系统是轮胎式提梁机 的重要 组成部分 ，轮组 的同步性控制是其关键技术 之一 。转 向时轮组 良好精 确 的同步性 ，可 以使提 梁机转 向更精确 、平稳 ，同时 可 以减少轮胎与地 面的摩擦 ，削弱 因不 同步而 引起 的 对提梁机行走机 构的力和力矩 的影 响 ，也保证 了轮胎 的使用寿命 。 1 提梁机工况的分析 D L T 9 0 0轮胎式提梁机采用 电控 式独立转 向系 统 ， 可实现 纵 向行走 ，横向行走及斜行以及小角度转 向。转向架与车架通过回转支撑连接 ，转向机构配有 一 个双作 用油缸 。转 向液压泵为一个并联 的油缸组供 油 ，通过电控制及电子反馈系统使每个轮组按设定的 角度进 行转 向⋯。提梁机 实物图如图 1 所 示 。 提梁机 “ 纵 行 ” 是 指整 车 沿着 主 梁 方 向 行 驶 ， “ 横行 ” 是指与主梁 的垂 直方 向 。 在纵 向行驶 时，提 梁机可 直接转换 成斜 行或 “ 八 ”字 形转 向状态 ，轮组纵行 时最大 可转 向 5 。 。 在横向行驶时，当提梁机行驶轨迹与道路出现较 大偏差时，此时提梁机通过控制两侧台车的速度，形 成速度差，进而使提梁机完成转向。 图 1 提梁机实物图 在 9 0 。 转 向时 ，重载 情况下 ，不得 在轮组纵 行和 横行状态问直接切换。如果 重载时需要将轮组 由纵行 切换到横行或由横行切换到纵行，应首先将每侧台车 的4个支撑油缸放下 ，直到轮胎不受力时为止 ，再切 换行走方 向。 对 提梁机 的工况 进行 分 析 ，得 出提 梁 机转 向系 统的最恶劣工况是在重载情况下纵行状态切换到斜 行或 “ 八 ” 字形 转 向状态 时 ，因为此 时提梁 机 负载 最大 ，转向推动缸负载也最大，同时提梁机既要行 走也要转向，因此对 同步性要求很高。在 9 0 。 转向 时 ，虽然转 向角度 最大 ，但 由于有支撑 油缸的作 用 ，转 向推动缸 的负载并不大。综上所述 ，对提梁 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 4 作者简介王博 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，研究方向为机械电子工程。Em a i l i e a n fl y _ 2 0 0 9 1 2 6 ． c o m。 5 0 机床与液压 第 4 l 卷 机液压转向控制系统的改进应首先满足纵行转向时 的负载和同步要求。 2 提梁机液压转向控制系统的分析 提梁机转向系统复杂，转向轮组共 3 2个 ，且轮 组在 不同角 度时的转矩 不同 ，在 “ 八” 字形转 向时 ， 各轮组的同步转角也不同 ，因此 各个转 向推动缸的负 载变化和速度要求也不同。为使不同推动缸在不同负 载情况下转 向速度和方 向可 以独立控制 ，提梁机液压 转向控制系统采用了力士乐公司的M 4系列片式高压 负荷传感多路阀，这款阀可近似理解为带有压力补偿 器的比例伺服阀 ，它可以保证在负载压力变化以及 泵源输出压力变化时能够准确地输出需要的流量。 2 ． 1 原液压转向控制系统的分析 原转向液压控制系统采用一个多路阀换向阀联控 制一个转向推动缸的模式，此模式可以准确地调节各 个轮组的速度和位置，进而保证轮组转向的同步性， 缺点是提梁机转 向系统共 需要 3 2个换 向阀联 ，成本 高 。 提梁机原转向系统中，3 2个轮组都是相同的控 制方式 ，因此可简化成两个推动缸及其控制部分 ，对 应的轮组为纵向前后分布，转向机构和液压控制原理 如 图2所示 。 P T a 转向机构 图 2 l1 E 一』 曰 嚯 r { 一 U l 螽 ．， L iI 、1 4 一1 ， 叠 J l 、卜 转 向推动 缸3 、4 --M4 制 阊 b 原转 向液压控制系统原理图 图 2 原转向机构图和液压控制系统原理图 当提梁机纵行左转 5 。 时 ，轮组 1 、轮组 2要满 足 同步关 系 ，则在理 想状态 下两个 轮组的同步转角变化 曲线如 图 3 所示 。 6- 0 5 0 。0 辩 3 ． 0 霎 ．o 1 0 O ． 0 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 6 ． 0 时间， s 图 3 轮组 1 、轮组 2同步转角变化曲线图 2 ． 2 基 于数模 混合 控 制 的液 压 转 向控 制 系统 的 分 析 对原液压转向控制系统进行改进 ，通过一个多路 阀换向阀联加两个或多个高速开关阀的模式控制两个 或多个转向推动缸。以一个多路阀换向阀联加两个高 速开关阀控制两个推动缸为例，以数模混合控制的结 构 ，通过先粗调后精调 的模式达到控制 目的。首先 利 用 多路 阀换 向阀联 调节 供给两个 推动 液压 缸 的油 量 ， 再通过两个高速开关阀的开关动作调节分配到两个推 动缸的流量，进而达到控制两个推动缸同步的 目的， 完成粗调 的任务 ；当轮组基本达 到所要转 向的角度范 围时，利用多路阀与转角编码器的闭环控制，通过高 速开关阀分别精调各个轮组，使之精确达到 同步位 置 。 基于数模混合控制的的液压转向控制系统原理图 如 图4所示 。 P T 2 日 曰 j 3 墓 4 卫]口口 ．至 ] I ． 、 瞥 f l l 5 L w 尹 1 、2 一转向推动缸 3 、4 --高速开关阀 5 一M4 控 制 阀 图4 基于数模混合控制的液压转向控制系统原理图 数模混合控制系统控制流程如图5所示。 第 1 9期 王博 等基于数模混合控制的提梁机液压转向控制系统的研究 5 1 图5 转向液压控制系统控制流程图 利用 A ME S i m软件进行建模仿真 ，控制流程 中偏差允 许 角 k取 为 0 ． 1 。 ，高 速 开关 阀 的参 数 为 流量 2 0 L ／ m i n ，频率为 1 0 0 H z 。则数模混合控制液 压转向系统在提梁机转向5 。 时的仿真结果如图 6所 示 。 6 O 5 O ‘ 0 癣 3 ． 0 襄 z ．o 1 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 6 ． 0 时 间， s 图 6 轮组 1 、轮组 2同步转角变化仿真曲线图 通过仿真得出高速开关阀的频率是影响轮组 转向稳定性 的重要 因素，当设置频率为 5或 1 O H z 时，可以明显看到轮组转向时的跳动现象 ，随着高速 开关阀频率的提高，转向越来越平滑、精确。 对 图 3和图 6进行 比较分析 图 3是轮组 的理想 同步 曲线 ，图 6是仿真 曲线 ，开始 的滞后是 由于液压 锁的开启引起的，但不影响控制性能；数模混合控制 方案 的控制效果 接近于理想 同步 曲线 ，满足粗 调的要 求。粗调完成后再对各个轮组分别进行精调，可以满 足提梁机精确的同步要求。 3 数模混合控制系统对转 向机构强度的影响分析 3 ． 1 转向机构受力计算 轮胎在有负载的情况下，如果侧向受到力的作 用 ，轮胎接 地部分会发生 弹性变形 ，当力达到轮胎 的 侧向最大静摩擦力时，轮胎会发生侧向滑动。 当轮胎受到侧 向力作用没有滚动时，轮胎的变 形顶视 图和正 视 图如 图 7所示 。有 理论认 为 ，一般 可将轮胎的变形近似看为矩形或椭 圆，文 中简化为 矩形 。 一 j 一1 、 、 、 ＼ ＼ ＼ ＼ 、 轮 胎接 地部 分 弹性 变形轮 胎 接地 部分 弹性 变 形 a 变形顶视图 b 变形正视图 图7 轮胎弹性变形示意图 设轮胎在负载为 时的侧 向刚度为 ，接地部 分弹性变形的位移量为 S ，则轮胎侧向反作用力为 F K ’s 由侧 向反作用力产生的绕轮胎中心的翻转力矩 为 Tf - o F R 其中R为轮胎转动中心距接地点的距离。 当轮胎受到侧向力作用 ，并且滚动时，轮胎的变 形顶视图如图8所示。 {。 ▲ J 1 F F } ▲ l 轮 胎接 地 部分 弹性 变形 a 变形顶视图 b 等效力顶视图 图 8 滚动时的轮胎弹性变形示意图 设此时轮胎的接地长度为L ，轮胎侧向的弹性变 形为 s ，纵向单位长度的侧向刚度为 k ，则轮胎侧 向反作用力为 F J o k 。 s x d x 由侧向力产生的绕转向中心轴的回正力矩为 r l k。 5 ‘ x d x 、由侧向反作用力产生的绕轮胎中心的翻转力矩 为 TdF e。R 轮组悬挂机构还受到 支撑 力 F 加速力 F i 以及 驱动转矩 。 的作用 ，由上述对轮胎的分析可以得出 驱动轮 的转 向机构受力 图如 图 9所示 。