1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 30 方浮式抓斗起重机控制系统设计 一、提要 浮式抓斗起重机主要运用于挖泥船上适用于中、小航道锚地的疏浚工防波堤、系船码头、河床的挖掘，除了挖取粘土、淤泥、卵石外，容重比大的抓斗能挖掘硬质土、珊瑚礁等。在国内抓斗挖泥船的生产只是小型的，但是 伴随着大型 疏浚工程的增多，大型疏浚装备快速发展，抓斗式挖泥船作为疏浚业的关键技术装备快速增加，大型抓斗式挖泥船市场需求量巨大。不过我国国内还没具备大型抓斗机的生产能力，现在只能靠进口或者引进二手抓斗来补充国内不断扩大的需求 1。 二、系统的设计简介 关于浮式抓斗起重机控制系统的设计方面，需要设计的有抓斗机的设计、
2、液压系统的设计与电控系统的设计。抓斗机的设计可以和陆式抓斗机的设计一样，本设计的抓斗机抓斗采用双颚板抓斗，抓斗主要由两个颚板、一个下横梁、两个支撑杆和一个横梁组成。其操作过程课分为四个步骤：抓斗下降，抓斗抓取货物，满抓斗上升，抓斗卸料 2。 电控系统选择 电控系统决定不采用传统的电气控制，原因是以下其缺点： 3 4 5 1、抓斗工作的协调主要靠司机的熟练程度、技术水平。司机在操作抓斗时要考虑支持、开闭机 构的协调，劳动强度大，容易疲劳，易产生误操作，甚至造成钢丝绳断裂、抓斗砸坏。 2、在抓斗起升时，刚起升的瞬间，起升开闭电动机受力不均匀，开闭电动机单独受力，易过载，造成电机损坏及钢丝绳断裂。
3、3、抓斗上升、下降报警到极限位置不易控制，所用限位开关很难长期使用。 4、为实现合适的抓斗工况，司机要经常点动操作或打倒车，电气元件和电动机经常处于大电流工作状态，降低了元件的使用寿命。 5、抓斗起重机每天需进行上千次的操作，由于绕线式电机调速是通过系统中的主要控制元件一一交流接触器来接入和切除电动机转子上串接的电阻， 切换 十分频繁，在大电流下，非常容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串 接的电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂，因而设备故障率高，维修量 大，小车、大车的运转也存在上述问题。 传统的抓斗起重机存在如上缺点，所以随着起重机械的不断发展，传统的控制技术己不能满足某些行业
4、对起重设备效率高、节能环保、故障率低等性能的要求。因此，利用现代控制技术来改造传统控制方式，已逐渐成为现今行业内生产厂家及各相关企业普遍关注的问题。针对上述传统电气控制方式存在的不足，运用先进的可编程控制技术（即 PLC）、变频器和位置 传感器技术，以程序控制取代继电器，使用变频器 PLC 是整个控制系统的核心，除了紧急停机按钮以外，所有的操作设备、检测设备和执行设备都是通过 PLC 互相联系起来的。为减小电气干扰的影响，除就近的联动操作台信号外； PLC 的所有输入输出均通过入口及出口继电器连接。紧急停机按钮是在发生紧急情况时人为干预的最后手段，即使在 PLC 功能已经失效的情况下也能够正常
5、起作用，该信号直接作用于各支路断路器使其跳闸。用切断电源的方式迫使整个浮吊立即停止工作的。联动操作台上其他所有的操作指令全部以接点方式输入 PLC；再由 PLC 去控制各 变频器以使各电动机正反转、加减速以及停止运行。操作指令与电动机的运转方向和速度之间有一一对应关系，通过 PLC 实现联锁关系。 6 可编程控制器 PLC 的主要功能有：控制功能；数据采集、存储与处理功能；输入输出接口处理功能；通信、联网功能；人机界面功能；编程、调试功能。 7 可编程控制器具有如下主要特点： 一、可靠性高 所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部之间电气上隔离； 各模块均采用
6、屏蔽，以防止辐射干扰； 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况， CPU 立即采效措施，防止故障扩大； 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统，靠性更进一步提高。 二、模块化组合灵活 可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。针对不同的工业现场信号，有相应的 1/0 模块与工业现场的器件或设备相。另外为了提高操作性能，它还有多种人一机对话的接口模块 ;为了组成工部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等。 三、功能强 PLC 应用微电子技术和微机技术，一般都具有逻辑、定时、计数等顺序控制。还可以具备模拟 1/0、基本算术运
7、算、通信能力等 。复杂型式的 PLC，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能 1/0、 PID 调节、过程监视、网络通、远程 FO、多处理和调速数据处理能力。 四、编程简单易学； PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图型式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 五、适应工业环境 PLC 的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是 PLC 产品的市场生存价值。 六、安装、维修简单 与计算机系统相比， PLC 安装不需要特殊机房和严格的屏蔽 。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个
8、模块设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模块可以带电插拔，模块可更换，使用户可以在最短时间内查出故障并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模块进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。 七、运行速度快 随着微处理器的应用， PLC 的运行速度明显增快，更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。 八、总价格低 PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地 降低了价格。另外，采用 PLC 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。 液力耦合器。 液力传动发明于 20 世
9、纪初，最早用于船舶工业，作为船舶动力与螺旋桨之间的传动装置。当时已经出现了大功率、高转速的汽轮机，受“汽蚀”限制，螺旋桨转速不能很高，迫切要求在发动机与螺旋桨之间加装大功率减速装置。因当时齿轮制造水平有限，无法制造出适应船舶需要的减速机，于是德国人盖尔曼费丁格尔（ Fottinger）受离心泵和水轮机工作原理启发，于 1902 年首创了世界上第一台液力变矩器， 1905 年，该液力变矩器首先在船 舶中得到应用。 1920 年，英国人包易尔（ Bauer）在费丁格尔液力变矩器的基础上去掉了导轮，发明了世界上第一台液力偶合器 9。而今，在舰船动力装置中液力偶合器占有着重要的、不可取代的地位特别是在
10、轴系惯量大、航行工况多变的舰船如扫雷舰、大型护卫舰和驱逐舰的联合动力装置以及民用船舶的工程船、破冰船中，液力传动仍有着广阔的应用前景 10。 当今世界比较发达的国家均有液力传动工业，并涌现出一批世界知名的液元件生产企业，如德国的福伊特（ VOITH）公司、弗兰德（ FLENDER）公司，英国液力驱动公司，意大利的传斯 罗伊（ TRANFLUID）公司，日本的神钢公司、日立公司，美国的福克（ FALK）公司、双盘（ Twin Disc）公司等。俄罗斯、波兰和奥地利等国的液力传动工业也比较发达 9。迄今，德国福伊特（ VOITH）公司是国际上液力元件产量最多，在产品性能和质量方面享有盛誉的著名公司
11、。该公司生产的限矩型液力偶合器、调速型液力偶合器、液力偶合器传动装置和液力减速器四大类型液力偶合器产品，计有 21 个品种、 153 个规格，传递功率为 0.527000kW，最高输出转速达 12000r/min，年产量约 3 万台，累计出口 100 多万 台 12。 英国液力驱动公司的液力偶合器产量仅次于福伊特公司，该公司生产限矩型、调速型液力偶合器和液力偶合器传动装置三大类型产品，计有 15 个品种、 115 个规格，年产量为 8000台左右。传递功率为 0.1 11200kW，最高输出转速达 10000r/min。 13 日本日立公司的调速型液力偶合器有 4 个品种、 46 个规格，最大
12、功率达 8000kW。三菱公司的调速型偶合器有 3 个品种、 43 个规格，最大功率达 10000kW。原苏联在液力传动方面很重视理论研究，与西欧各国只重视实验研究明显不同，原苏联出版有较多的关于液力 偶合器理论计算方面的书籍和刊物 14。 当前，国际能源供应日益紧张，人们不得不把注意力放到如何提高能源利用率和节约能源上来。因此，可在应用中节约能源的调速型液力偶合器和液力传动装置得到了迅速的发展15。随着火力发电厂锅炉给水泵向高速、大功率方向发展，与其配套的调速型液力偶合器和液力传动装置也向高速、大功率方向发展。英国泰晤士电厂已成功地应用了 MST 调速型液力偶合器，转速 3600r/min，
13、功率达 11200kW。目前，德国福伊特（ VOITH）公司正在研制和生产大功率的多元调速装置。由于液力偶合器传动装置 结构复杂、技术密集、加工精度高、难度大、利润高，因而在西方各大公司竞争研制生产，竞争很激烈。 我国的液力传动事业开始于 20 世纪 50 年代，自行研制了内燃机车和 CA770 红旗高级轿车的液力传动系统，而后在煤炭行业、水泵行业相继出现了应用液力传动的范例。北京起重机运输机械研究所和天津工程机械研究所是原机械部液力偶合器和液力变矩器的行业技术归口单位，为我国液力传动的发展做出了重要贡献。改革开放之后，国家开始引进液力传动技术 16。大连液力机械厂、蚌埠液力机械厂和成都工程机
14、械厂等相继从英国、原西德、日本和美国引进了 液力偶合器和液力变矩器专有技术，从此，我国的液力传动工业进入了大发展阶段 9。沈阳水泵厂、大连液力机械厂、上海交通大学、上海 711 研究所等许多单位的液力传动工作者在大功率调速型液力偶合器的研究及应用方面也都做了大量工作 11。据中国液压气动密封件工业协会液力专业分会不完全统计，目前国内从事液力元件生产的企业近80 家，年生产液力变矩器约 5.5 万台、限矩型液力偶合器约 5.5 万台、调速型液力偶合器 2700台 9。 再来说说液力耦合器的工作原理：液力耦合器工作时，电动机带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转动，泵 轮叶片内的液压油在泵轮的带动下一同
15、圆周运动。在离心力的作用下，液压油被甩向泵轮叶片外缘处，并在外缘处冲向涡轮叶片，涡轮受到液压油冲击力而旋转；冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动，返回到泵轮内缘，然后又被泵轮再次甩向外缘。由于旋转运动的离心力作用，液体质点从泵轮半径较小的流道进口处被加速 ,并被抛向半径较大的流道口处，从而液体质点的动量矩 (mvR)增大，即泵轮从动力机吸收机械能并转化成液体能。在泵轮出口处液流以较高的速度和压强冲向涡轮叶片，并沿着表面与工作腔外环所构成的流道作向心运动。液流对涡轮叶片的冲击 降低了自身速度和压强，使液体质点的动量矩降低，释放的液体能推动涡轮 (及工作机 )旋转做功。 17 传动系统的选择
16、广泛应用的传动方式主要由机械传动、电气传动、气压传动和液压传动。各有各的优缺点。但是在本课题中选择液压传动是由于以下原因。 机械传动具有传动准确可靠、操作简单、机构直观易掌控，负载变化对传动比影响小及受环境影响小等优点。但是对自动控制的情况，单纯靠机械传动来完成就显得结构复杂而笨重，而且远距离操纵困难、操作力大、安装位置变化的自由度小的缺点，因此本课题不能选此传动方案。 电气传动利用交流电机来传动，简单而且价廉，但是交流电机一般难于进行无极变速，而直流电机虽可以实现无级变速，但直流电源价格昂贵。因此本课题不能选用此方案。 气压传动以压缩空气为传动介质，可通过调节气量很容易地实现无级变速，同时有
17、传递及变换信号方便。反应快。构造简单、价格低廉等优点。但是其致命的弱点是空气压缩性大，为减少泄露，提高效率，气动系统的压力一般只有 0.70.8MPa 左右。但由于本课题的起重重量是 30 方，气动传动完全不符合 18。 液压传动系统是用液体为介质来传递能量的，液压传动有 一下优点：单位功率的重量轻，力矩 -惯量比大。液压元件功率损耗所产生的热量可由油液带到散热器去散发，他的尺寸主要取决于最大工作压力。由于最大工作压力可以很高，所以液压元件的体积小、重量轻，而输出力或力矩却很大，使力矩 -惯量比大。负载的刚度大，精度高。由于液压固有频率高，允许液压控制系统特别是电液伺服系统有较大的开环放大系数
18、，因此可以获得较高的精度和响应速度。另外，由于液压系统中油液的压缩性很小，同时泄露也很小，故液压动力元件的速度刚度大，组成闭环系统时其位置刚度也大。液压控制系统快速性好，响应快。 三 、结束语 在国内不能进行国产化的设备是非常多的，其实这不只是由于我国缺乏这方面的人才，还是因为国内的教育没有这方面的专业。随着我国机械工业的飞速发展，相应的新工艺、新装备、新材料和新技术的不断涌现，市场竞争也越来越激烈。所以 30 方浮式抓斗起重机的开发设计是符合当前的社会需求，也是扩大起重机械行业的基石。在设计过程中要注意设计不能过于复杂，操作不能过于繁杂，要符合国家标准；要让能源利用效率提高支持国家的环保政策
19、，因此要做到低耗和环保；并且在设计过程中要多多借鉴国外的现有的先进技术，但是还是要把创新放在 首位，这才能体现出你的设计的实用性。 四、参考文献 1施平、黄海林 .关于加快发展我国疏浚设备制造业的战略思考 J.船舶工程， 2005（ 5），67 69. 2倪福生 .国内外疏浚设备发展综述 J.海河大学常州分校学报 ,2004,11 13. 3钱卫星 .挖泥船的分类及其发展综述 J.江苏船舶 ,2008(6),7 9. 4沈永科 .疏浚船舶的种类及作业方式浅析 J.丹东海工 ,2006(10),41 42. 5桂雪琴 .挖泥船发展呈现四大特点 J.中国船舶报， 2006,1. 6刘永峰，田 洪森
20、 .国内外工程起重机发展状况研究 J.施工技术， 2008（ 12） ,476 477. 7张玉莲 .液压和气压传动与控制 M.浙江：浙江大学出版社， 2006. 8张利平 .液压控制系统及设计 M.北京：化学工业出版社， 2006. 9周世昌 .液压系统设计图集 M.北京：机械工业出版社， 2003. 10李谷音 .港口起重机械 M（第二版） .北京：人民交通出版社， 2009. 11刘兴海 .旋转编码器的应用 J.新疆钢铁， 2006（ 1） ,31 34. 12毛双华 .PLC 控制技术在抓斗起重机 智能控制中的应用研究 J,26 33. 13海心，赵华 .机电传动控制 M.北京：高等教
21、育出版社， 2007. 14范永胜，王岷 .电气控制与 PLC 应用 M（第二版） .北京：中国电力出版社， 2007 15郑凤翼 .图解 PLC 控制系统梯形图和语句表 M.北京：人民邮电出版社， 2010. 16陈忠平，周少华，侯玉宝，李瑞敏 .三菱 FX/Q 系列 PLC 自学手册 M.北京：人民邮电出版社， 2009. 17Zadeh LA.Fuzzy SetsJ.information Control,1965,(8),23 26. 18Sakawa Y, Shido Y. Optimal Control of Container CranesJ.Atuomatica,1982,18(3),34 37.
