基于液压控制的密炼机料斗翻转特性影响因素研究

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。  

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

审核编辑：刘清