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                        高空作業平臺負載敏感液壓控制系統開發設計

                        添加時間:2019/02/27 來源:貴州大學 作者:張明磊
                        論文根據某隧道輪胎式拱架安裝機械手的作業特點和機械機構運動要求,對其上的作業平臺的負載敏感液壓控制系統進行設計并對液壓系統中的各個元件進行計算選型,然后利用 Amesim 軟件對作業平臺負載敏感液壓控制系統進行深入的分析研究。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          作業平臺是服務于高空作業、設備安裝、檢修等行業的一種高空作業的機械設備。

                          由于其應用于高空作業,因此它的液壓控制系統需要安全、可靠且應有良好的操縱性,其調平控制應有較好的調平控制精度。這對作業平臺液壓控制系統的設計提出了較高的要求。作業平臺負載敏感液壓控制系統的研究意義在于根據作業平臺的作業工況、負載變化等,設計并深入研究作業平臺的負載敏感液壓控制系統及工作斗電液比例自動調平控制系統,確保作業平臺作業過程中液壓系統工作良好、電液調平控制性能與精度滿足作業要求。

                          論文根據某隧道輪胎式拱架安裝機械手的作業特點和機械機構運動要求,對其上的作業平臺的負載敏感液壓控制系統進行設計并對液壓系統中的各個元件進行計算選型,然后利用 Amesim 軟件對作業平臺負載敏感液壓控制系統進行深入的分析研究,接著對作業平臺中工作斗的電液比例自動調平控制系統進行了建模分析并且對該調平控制系統進行了模糊 PID 控制器設計及仿真研究。文章主要取得了以下研究成果:

                          (1) 根據作業平臺作業工況、結構以及所做受力分析,設計了作業平臺的定量泵負載敏感液壓控制系統。并對作業平臺定量泵負載敏感液壓控制系統的各個元件進行選型計算,確定了所設計液壓控制系統經濟、合理、匹配。

                          (2) 對作業平臺負載敏感液壓系統的性能進行分析。利用 Amesim 軟件,模擬了作業平臺在上升下降整個工作過程中負載的變化情況。分析了作業平臺各個執行元件中壓力和流量的變化情況。研究了作業平臺各個執行元件在作業工況下能否承受,并在分析后對作業平臺液壓控制系統進行了相關改進。

                          (3) 求出了作業平臺電液比例調平控制系統的數學模型,并使用 Matlab 軟件對作業平臺電液比例調平控制系統進行了模糊 PID 控制設計,搭建了該系統的 PID 仿真模型與模糊 PID 仿真模型。然后在單位階躍信號作為輸入下,對設計的控制器進行了仿真研究,確定了所設計作模糊 PID 控制算法的準確、可靠。

                          關鍵詞:作業平臺;負載敏感;液壓系統;電液比例;調平控制

                        Abstract

                          The operating platform is a mechanical equipment for high-altitude operation served for high altitude operation, equipment installation, maintenance and other industries. As it is used for high altitude operation, so its hydraulic control system should be safety, reliability and good maneuverability and its leveling control should have a good leveling control precision. This requires higher standard when design hydraulic control system of the operating platform. The researchful significance of the load sensitive hydraulic control system is to design and study the operating platform’s load sensitive hydraulic control system and the working bucket’s electro-hydraulic proportional automatic leveling control system according to the operating conditions, load changes etc. So that it ensures that the hydraulic system works well and performance and precision of the electro-hydraulic leveling control system meet operation requirements when operation platform works.

                          According to a ubber-tyred manipulator which is used for installing arch centering in tunnel; it studied the operating characteristics and mechanical movements. Then it design the operating platform’s load sensitive hydraulic control system. Through some calculations it selected elements of the hydraulic control system. Next, the load sensitive hydraulic control system of the operating platform is deeply analyzed by using a software called Amesim. After the hydraulic system is analyzed, the mathematical model of electro-hydraulic proportional automatic leveling control system is derived. According to the mathematical model, a fuzzy PID controller is designed and it simulated simulation research for the leveling control system. The main achievements of this paper are as follows:

                          (1) According to the operation condition, structure and stress analysis of the operating platform, a quantitative pump load sensitive hydraulic control system for the operation platform is designed. It calculated and selected the hydraulic control system’s elements to ensure the hydraulic control system is economical, reasonable and matched.

                          (2) It analyzed the load sensitive hydraulic system’s performance of the operation platform. By using Amesim, it simulated the load change during the whole operation process. Then the change of pressure and flow in each executive element are analyzed. It studied whether the executive elements of the operation platform could bear under the working conditions, and made some improvements for the hydraulic control system after analysis.

                          (3) The electro-hydraulic proportional leveling control system’s mathematical model of the operating platform is derived. Then it designed a fuzzy PID controller by using the software called MATLAB. The PID simulation model and the fuzzy PID simulation model of the system are built and under the input of unit step signal, the controller designed is simulated. Through the simulation results it determined that the fuzzy PID controller is accurate and reliable.

                          Keywords: Operating platform; Load sensing; Hydraulic system; Electro-hydraulic proportional control; Leveling control

                          隨著社會的發展,作業平臺在隧道、鐵路、橋梁、工業安裝、消防救援、港口建設等領域的應用越來越廣泛[1],F今流行的高空作業平臺是一種可移動性高空作業機械設備,其主要服務于高空作業、檢修、設備安裝等行業[2]。在以往作業平臺的液壓系統使用的大都是電液比例控制,不具有負載反饋功能。但在作業平臺的實際工作過程中,外界的負載是不斷地發生變化的,操作時液壓系統分配的流量也不穩定。所以為適應作業平臺工作過程中的負載和速度變化,提高作業平臺的操作性能,現在作業平臺的液壓系統越來越多的使用了負載敏感和壓力補償技術。近幾年作業平臺的發展越來越迅速,負載敏感和壓力補償技術的使用也越來越廣泛。隨著我國經濟建設快速發展和基礎設施建設的推進,相關行業對于作業平臺的需求量還在繼續上升,同時隨著液壓技術的發展,作業平臺的性能也會越來越趨于智能化、信息化。

                          某隧道輪胎式拱架安裝機械手結構包括底盤、上部平臺、作業平臺、機械臂等,行走機構在作業平臺底盤下方,而大多數部件都位于底盤之上。

                          整車作業裝置含有一個作業平臺,兩個機械臂,機械臂輔助作業平臺里的人進行相關作業。相比一般的工程作業車輛,本文設計的作業平臺要求機械臂進行配合作業,作業平臺的控制也更加重要。因此,如何設計作業平臺的液壓系統和作業平臺工作斗的的調平控制就成為了研究的技術難點。

                          國外的作業平臺起步于 20 世紀 50 年代,約在 1950 年,英國制造商制造出了第一批用于路燈維護的高空作業車,1960 年,美國加州的一些農場,開始用高空作業車在果園中整理枝條、收獲果實,至此揭開了作業平臺的發展歷史。1966 年,美國Selme 公司開發的作業平臺在加州租賃協會(CRA)主辦的一次機械展覽會上首次進行了展出,從這之后該款作業平臺開始了小批量生產[2]。

                          進入 20 世紀 70 年代,美、英、、法、日、瑞典、德芬蘭等國家,開始進行生產各種型號的作業平臺,并且將生產的作業平臺開始廣泛用于建筑、機場、園林、碼頭、電訊、市政、車站、倉庫、安裝、裝修、設備、消防等部門。1977 年,日本的前田建設和清水建設公司,不在使用傳統的腳手架,而使用高空作業平臺作為垂直運輸和作業機具,建設了一座 5600平米的鋼結構倉庫,與使用傳統的腳手架施工方法相比,使用作業平臺安全可靠、綜合施工成本低、工期短,解決了日本建筑業工人老齡化,熟練工不足等問題[3]。此次建筑施工開創了無腳手架施工的先河,促進了工程技術的發展[1]。

                          現今,作業平臺的現狀和發展趨勢是,根據用戶需要采用計算機或機、電、液一體化相關先進技術進行設計,這樣能大大提高作業平臺的操縱性能。國外的高空作業機械生產廠家主要集中在北美、歐洲、日本等發達國家,但三個地區的高空機械產品不盡相同,各有特點。其中,歐洲是高空作業平臺的主要產地,在意大利已知的就有二十多家作業平臺生產企業[2],英國、法國、德國、芬蘭、丹麥等國也有多家高空作業平臺生產企業。從總體上看,歐洲的高空機械產品結構型式齊全,其產品按臂架結構可分為伸縮臂、折疊臂、混合臂等型式,歐洲產品中以上各種臂架型式都有采用,其中的混合臂產品非常多,而美國和日本產品卻很少見。在作業高度上,歐洲產品規格較全,作業高度最低 10m 左右,最大高度有超過 100m。北美產品最大高度一般不超過 70m,主要生產廠家有美國的捷爾杰、歐歷盛、吉尼等公司,日本產品最大作業高度一般不超過 60m[2]。

                          歐洲的高空作業平臺由于生產歷史長,技術水平高,因此當前歐洲產品在世界上銷售范圍最為廣泛,主要銷往東南亞、中東、南美洲等地從以上幾點可以看出,歐洲是生產、制造高空作業車技術水平最高、市場占有量最廣的地區。但歐洲地區基本上不生產和使用高空絕緣車。三個地區中的高空作業平臺生產廠家主要有北美的 Terex Utilities(特雷克斯)和 Altec(阿爾泰勒)、意大利的Multitel Pagliero SpA 和 Oil&steel、芬蘭的 Bronto(博浪濤)與 Palfinger(帕爾菲格)、德國的 Ruthmann(胡特曼)、日本的 Tadano LTD(多田野)和 Aichi corporation(愛知)等等[2]。

                          高空作業平臺負載敏感液壓控制系統:

                        隧道輪胎式拱架安裝機械手
                        隧道輪胎式拱架安裝機械手

                        隧道輪胎式拱架安裝機械手實物圖
                        隧道輪胎式拱架安裝機械手實物圖

                        ZCT1180KS-SNS-29 型單軸電壓輸出型傾角傳感器
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                        三通流量閥參數設置
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                        梭閥 Amesim 模型參數
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                        四聯比例多路閥體 Amesim 模型封裝
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                        回轉液壓馬達負載轉矩參數設置
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                        目 錄

                          摘 要
                          Abstract
                          第 1 章 緒論
                            1.1 課題研究的背景及意義
                            1.2 作業平臺發展概況
                              1.2.1 國外作業平臺發展概況
                              1.2.2 國內作業平臺發展概況
                            1.3 負載敏感液壓控制系統國內外研究現狀
                            1.4 本文主要研究內容
                          第 2 章 作業平臺負載敏感液壓控制系統設計
                            2.1 作業平臺設計基本方案
                            2.2 作業平臺液壓系統設計
                              2.2.1 定量泵負載敏感液壓系統原理分析
                              2.2.2 作業平臺液壓系統設計
                            2.3 液壓系統元件計算選型
                              2.3.1 初選系統工作壓力
                              2.3.2 計算液壓缸的主要結構尺寸和液壓馬達的排量
                              2.3.3 計算選取選取液壓泵
                              2.3.4 液壓閥的選擇
                              2.3.5 液壓管道尺寸、油箱容積的確定
                            2.4 本章小結
                          第 3 章 作業平臺液壓控制系統仿真分析
                            3.1 液壓系統計算機仿真簡介
                            3.2 各個元件 Amesim 模型建立
                              3.2.1 四聯電磁比例換向多路閥 Amesim 模型
                              3.2.2 回轉液壓馬達 Amesim 模型
                              3.2.3 液壓缸 Amesim 模型
                              3.2.4 液壓泵 Amesim 模型
                              3.2.5 作業平臺液壓控制系統 Amesim 模型
                            3.3 作業平臺液壓系統模型仿真分析
                              3.3.1 回轉液壓馬達仿真分析
                              3.3.2 俯仰液壓缸仿真分析
                              3.3.3 伸縮液壓缸仿真分析
                              3.3.4 調平壓缸仿真分析
                            3.4 本章小結
                          第 4 章 作業平臺電液比例調平控制系統建模研究
                            4.1 作業平臺工作斗的調平機構分類
                            4.2 作業平臺電液伺服調平控制原理分析
                            4.3 各個傳遞環節的建模分析
                              4.3.1 水平傳感器的建模分析
                              4.3.2 比例放大器的建模分析
                              4.3.3 電磁比例換向閥的建模分析
                            4.4 本章小結
                          第 5 章 作業平臺模糊 PID 調平控制研究
                            5.1 調平控制系統的 PID 控制方案設計
                              5.1.1 PID 控制原理
                              5.1.2 調平控制系統 PID 控制方案設計
                              5.1.3 調平控制系統 PID 控制仿真分析
                            5.2 調平控制系統模糊 PID 控制方案設計
                              5.2.1 模糊控制原理
                              5.2.2 調平控制系統模糊 PID 控制方案設計
                              5.2.3 調平控制系統模糊 PID 控制器仿真分析
                            5.3 本章小結
                          第 6 章 總結與展望
                            6.1 總結
                            6.2 創新點
                            6.3 展望
                          致 謝
                          參考文獻
                          附 錄
                          附 錄 A:作者在攻讀碩士學位期間發表的論文及專利清單
                          附 錄 B:作者在攻讀碩士學位期間參與的科研項目清單

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