在單梁起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,由于受大小車(chē)加減速的影響,載荷會(huì)出現(xiàn)令人討厭的搖擺現(xiàn)象。這種載荷搖擺現(xiàn)象限制了電動(dòng)葫蘆起重機(jī)工作效率的提高。 載荷的搖擺也對(duì)載荷本身,周?chē)浳?,以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全造成了隱患。 載荷搖擺是起重機(jī)搬運(yùn)物料時(shí)出現(xiàn)的固有現(xiàn)象。 自從人類(lèi)發(fā)明起重機(jī)以來(lái),防止和消除起重機(jī)載荷的搖擺一直是人們渴望解決的重大技術(shù)難題。 現(xiàn)代電氣控制技術(shù)的進(jìn)步,特別是應(yīng)用越來(lái)越普遍的先進(jìn)的可編程控制器(Programmable Logic Controller,PLC)及變頻調(diào)速控制技術(shù)的進(jìn)步,提供了解決起重機(jī)載荷搖擺問(wèn)題的一個(gè)歷史時(shí)機(jī)。
搖擺和振動(dòng)有著相同的物理特性。 防搖擺(或稱(chēng)減搖)同機(jī)械系統(tǒng)的減振在理論上有著相同之處。 機(jī)械系統(tǒng)的減振是個(gè)已經(jīng)研究了上百年的重要技術(shù)課題。 50~60年代,O.J.M. Smith(美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校University of California–Berkeley的終身教授),從控制理論著手,提出了一個(gè)非常簡(jiǎn)單,非常有效的Posicast(輸入延時(shí)比例疊加)控制方法,用于消除二階線(xiàn)性系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)(參考材料【1】和【2】)。 Posicast控制方法為解決機(jī)械系統(tǒng)的減振問(wèn)題提供了一個(gè)新的路徑。 美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)教授W. Seering, N.C. Singer, G. Cook 等在Posicast控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了輸入整形(Input Shaping)控制方法,并實(shí)際應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)的減振,如:導(dǎo)彈發(fā)射架的運(yùn)動(dòng)控制,航天飛船方位移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制,柔性機(jī)械手(機(jī)器人)的運(yùn)動(dòng)控制,計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的減振和減噪音等(參考材料【3】回顧了基于Posicast的基本思想進(jìn)一步提出的各種控制理論和應(yīng)用)。
Posicast控制方法可消除因需要機(jī)械機(jī)構(gòu)快速運(yùn)動(dòng)而引起的低頻低阻尼的振蕩。 此方法應(yīng)用于針對(duì)起重機(jī)載荷的防搖擺控制極為適用。 熟練的單梁起重機(jī)操作工人在長(zhǎng)期的實(shí)際操作中,摸索出了一套控制大小車(chē)速度,稱(chēng)作“跟鉤”的操作方法來(lái)消除載荷的搖擺。 操作工進(jìn)行“跟鉤”操作時(shí),給起重機(jī)的大小車(chē)運(yùn)行速度操作命令輸入了多個(gè)延時(shí)疊加的加速度脈沖序列。它同Posicast控制方法有著同工異曲的效用。 Posicast控制方法在理論上解釋了起重機(jī)操作工“跟鉤”操作方法的防搖擺工作原理。 有了明確有效的控制理論,依靠控制系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)度,電氣防搖擺控制系統(tǒng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最熟練的操作工所能達(dá)到的更好的防搖擺控制效果。
由于電動(dòng)葫蘆起重機(jī)類(lèi)型和起升穿繩方法的多樣性和復(fù)雜性,以及載荷搖擺的非線(xiàn)性特性等原因,開(kāi)發(fā)有效實(shí)用的起重機(jī)電氣防搖擺控制系統(tǒng)成為一個(gè)世界性的技術(shù)難題。 在近20年中,有許多起重機(jī)防搖擺控制理論研究的報(bào)道,但絕大多數(shù)還只是停留在發(fā)表學(xué)術(shù)論文的工作上。 在90年代,美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的W. Seering, W.E Singhose, 和N.C. Singer 利用Posicast控制方法,為美國(guó)能源部Oak Ridge, Sandia,和Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)裝置的遙控核起重機(jī),開(kāi)發(fā)研制了起重機(jī)電氣防搖擺控制系統(tǒng),并得到好評(píng)。 這是最早的起重機(jī)電氣防搖擺控制應(yīng)用實(shí)例。 1999年美國(guó)能源部發(fā)布的“創(chuàng)新技術(shù)報(bào)告” 向社會(huì)推薦使用起重機(jī)防搖擺控制技術(shù)(Swing-Reduced Crane Control,參考材料【4】)。 在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,先后開(kāi)發(fā)并推廣應(yīng)用起重機(jī)電氣防搖擺(又稱(chēng)電子防搖擺)控制系統(tǒng)的公司有 Innocrane (芬蘭,現(xiàn)已歸屬Konecranes),SmartCrane (美國(guó)),CePlus (德國(guó),現(xiàn)已歸屬siemens),ABB,SEOHO(韓國(guó)),等。 但從總體上看,電氣防搖擺控制技術(shù)還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用和推廣。
電氣防搖擺控制系統(tǒng),通過(guò)控制起重機(jī)大小車(chē)在加減速過(guò)程中的速度變化,大幅度地消除載荷的搖擺達(dá)95% 以上,具有技術(shù)先進(jìn),實(shí)用可靠,控制效果顯著等特點(diǎn),其防搖擺控制的技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
電氣防搖擺控制系統(tǒng)可大幅度地減少起重機(jī)載荷的搖擺,所帶來(lái)的好處有:
? 消除等待載荷停止搖擺的時(shí)間,提高起重機(jī)的使用工作效率;
? 提高起重機(jī)操作運(yùn)行的安全性,降低對(duì)貨物及人員傷害的風(fēng)險(xiǎn);
? 提高安全運(yùn)行速度,進(jìn)一步提高起重機(jī)的使用工作效率;
? 使起重機(jī)容易操作,減少對(duì)操作員工的培訓(xùn),減少操作員工的勞動(dòng)強(qiáng)度;
? 增加起重機(jī)的安全作業(yè)空間;
? 延長(zhǎng)起重機(jī)的使用壽命。
具有防搖擺控制功能的起重機(jī)可廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,包括:機(jī)械制造加工車(chē)間,裝配車(chē)間,垃圾處理廠,鋼廠,電廠,造船廠,建筑工地,鐵路,集裝箱碼頭,造紙業(yè),冶金業(yè)的各種生產(chǎn)車(chē)間等。
在實(shí)現(xiàn)電氣防搖擺控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的電氣防搖擺自動(dòng)定位控制技術(shù),可使起重機(jī)轉(zhuǎn)變成為一臺(tái)“起重機(jī)器人”,讓起重機(jī)像機(jī)器人一樣,把載荷按指定的線(xiàn)路,精確地定點(diǎn)定時(shí)運(yùn)送到任何指定位置,并且在運(yùn)送過(guò)程中以及到達(dá)指定位置后,使載荷幾乎不產(chǎn)生任何搖擺,為實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)高度自動(dòng)化克服了一項(xiàng)必要的、也是主要的技術(shù)難關(guān)。 起重機(jī)電氣防搖擺控制技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)和廣泛應(yīng)用,定能改變?nèi)藗円恢币詠?lái)對(duì)起重機(jī)載荷搖擺問(wèn)題的認(rèn)知,它將是人類(lèi)在物料搬運(yùn)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步史上的一個(gè)重要里程碑。