基于液压控制的密炼机料斗翻转特性影响因素研究

摘要：传统密炼机料斗翻转由蜗轮蜗杆驱动，粉尘污染极易导致电机负载增大而烧毁或限位开关失灵，存在料斗卡死现象。采用液压缸驱动料斗翻转既可解决该问题，又便于维修。鉴于此，提出了一种基于液压控制的密炼机料斗翻转PID控制系统，对其闭环控制方法进行了分析；基于AMESim搭建了料斗翻转角度控制系统仿真模型，对料斗翻转特性及其影响因素进行了仿真，获得了料斗转动惯量、旋转阻尼和PID微分项系数对料斗翻转启停振动的影响规律。研究结果表明，减小料斗转动惯量、增大旋转阻尼可有效消除料斗翻转振动；料斗旋转阻尼大于400 N·m/（r/min）可有效控制料斗翻转振动；选取微分项系数为0.1时，料斗翻转稳态误差基本消除。

关键词：密炼机；料斗翻转；PID；翻转角度；振动

中图分类号：TQ330.4  文獻标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0057-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.015

0    引言

传统密炼机料斗翻转力由蜗轮蜗杆提供，机器在密闭空间内长时间工作，极易产生粉尘污染，导致电机负载增大进而严重烧毁电机或出现限位开关失灵现象，影响橡胶熔炼安全、成本和进度。

基于此，对料斗翻转拟采用液压缸驱动代替蜗轮蜗杆传动；为提高料斗卸料率，需精确控制料斗翻转角度，故引入闭环控制技术[1]。结合相关机械翻转理论技术[2-3]和PID调节控制理论[4]，本文提出了一种基于角度控制的密炼机料斗翻转闭环控制系统，基于AMESim软件搭建了密炼机料斗翻转角度PID闭环控制系统，研究了基于翻转液压缸角度的PID闭环控制特性，重点分析了基于料斗翻转角度控制特性的影响因素，仿真了料斗转动惯量、翻转阻尼及PID控制器微分系数对翻转角度波动程度的影响，对密炼机料斗翻转装置研制及系统优化设计具有指导意义。

1    基于角度控制的密炼机料斗翻转液压系统

基于角度控制的密炼机料斗翻转机构示意图如图1所示，此时翻转液压缸活塞处于缩回状态，密炼机料斗已翻转卸料。设定密炼机料斗翻转角度为θ。

密炼机料斗翻转角度PID控制液压系统如图2所示[5-8]，使用角度传感器及其传输通道构成翻转角度闭环控制液压系统，设定密炼机料斗翻转角度目标值为θ0。

图2中电机带动定量泵工作，泵提供液压缸动作流量和压力，比例换向阀换至左位，液压缸活塞缩回，料斗逆时针旋转卸料；比例换向阀换至右位，液压缸活塞伸出，料斗顺时针旋转至待装料状态。

料斗翻转角度闭环控制逻辑图如图3所示。

密炼机料斗翻转角度闭环控制：密炼机翻转液压系统通过角度传感器实时输出料斗翻转角度θ，通过反馈通道到达求和运算器，与其目标角度值θ0比较输出角度误差eθ，eθ传输到PID控制器控制阀芯实时动作，直至料斗翻转角度逼近目标角度值。

2    基于角度控制的料斗翻转液压系统建模

基于AMESim软件的液压库搭建如图4所示的基于角度控制的密炼机料斗翻转闭环控制系统仿真模型，系统仿真参数如表1所示。

3    基于角度控制的翻转控制特性仿真分析

在基于角度控制的密炼机料斗翻转PID闭环控制系统仿真模型中，设置料斗理想目标角度值为132°，输入PID参数值：kp=10、ki=0.05、kd=0.01，时间间隔0.01 s，仿真3 s得到如图5所示的基于角度闭环控制的料斗翻转控制特性曲线，其中图5（a）为基于角度闭环控制的料斗翻转角度及液压缸位移变化曲线，图5（b）为基于角度闭环控制的料斗翻转角速度及液压缸速度变化曲线。

由图5可知，基于翻转角度闭环控制的料斗翻转系统，料斗翻转角度逼近目标值的响应时间约1.6 s，滞后0.2 s，实际料斗翻转角度为132.4°，料斗翻转过程中液压缸活塞缩回速度可达0.44 m/s，滞后位置控制系统0.04 m/s，料斗翻转速度约为11.14 r/min，滞后位置控制系统0.9 r/min，料斗翻转启动和结束时冲击振动严重。

4    翻转特性影响因素研究

通过减小料斗转动惯量消除翻转启停冲击，设置料斗转动惯量分别为20、40、60、80 kg·m2进行基于角度控制的料斗翻转仿真，得到如图6所示的料斗转动惯量对料斗翻转角度的影响。

由图6可知，减小料斗转动惯量对减小料斗翻转角度具有明显的效果。

在实际中可设计料斗形状使其装料重心与旋转铰接点尽可能小，进而减小料斗转动惯量，降低料斗翻转振动。

通过增加阻尼消除翻转启停冲击，设置料斗旋转阻尼为100、400、700、1 000 N·m/（r/min）进行仿真，得到如图7所示的料斗翻转阻尼对翻转角度的影响。

由图7可知，当料斗翻转阻尼为400 N·m/（r/min）以上时，料斗翻转停止波动基本消除。

设置PID控制器微分项系数分别为0.01、0.1、1、5进行仿真，得到如图8所示的PID微分项系数对翻转角度的影响。

由图8可知，增大PID微分项系数，料斗翻转停止冲击逐渐消除，当微分项系数为0.1时，料斗翻转波动得到有效控制。

5    结论

传统密炼机料斗机械翻转驱动力由电机带动蜗轮蜗杆传动装置提供，机器长时间工作会因粉尘污染导致负载增大，进而造成蜗轮蜗杆传动卡死，烧坏电机。针对此不足，采用液压控制油缸提供料斗翻转驱动力，设计了一种密炼机料斗液压翻转角度PID闭环控制系统，对料斗翻转角度、翻转速度、液压缸位移及液压缸速度变化情况进行了仿真，重点研究了基于角度控制料斗翻转特性的影响因素及其规律，对液压控制式密炼机料斗翻转装置研制具有理论指导意义，主要得出以下结论：

（1）减小料斗转动惯量、增大料斗旋转阻尼，料斗翻转振动得到有效控制；

（2）PID微分项系数选取0.1，料斗翻转角度曲线稳态误差较小。

[参考文献]

[1] 石磊，高春生，郭津津，等.翻转机构节能型液压系统设计与分析[J].机床与液压，2017，45（14）：90-92.

[2] 王明迪，刘国栋，王正，等.基于PID控制的舱压调节系统设计[J].液压与气动，2019（10）：104-108.

[3] 于保军，于文函，李健，等.一种驾驶室翻转液压缸试验台的控制系统设计[J].液压与气动，2018（5）：98-101.

[4] 陆志.全自动液压翻转机构优化实例分析[J].液压与气动，2013（12）：132-135.

[5] 何刘宇，李运华，卢绍伟，等.模块举升车液压控制系统设计与研究[J].机床与液压，2017，45（15）：101-105.

[6] 朱鹏程，吴庆和，陈吉安，等.基于PLC与PID自整定算法的高精度调平系统设计[J].机床与液压，2019，47（17）：133-136.

[7] 谢海波，杜泽锋，卢俊廷，等.基于优化函数的PID参数整定技术在液压振动台上的应用[J].液压与气动，2019（2）：24-30.

[8] 毛尾，纪朱珂，韦海利，等.电液比例伺服系统模糊PID复合控制应用研究[J].液压与气动，2019（1）：95-99.

收稿日期：2023-03-02

作者简介：李楚（1992—），女，江苏徐州人，硕士，助教，主要从事机械设计与液压传动科研教学工作。