对起重机防摇技术的探讨
2009-3-25
摘 要：在起重机的启动和停止以及加速和减速过程中，很容易使吊具左右或前后摆动，在一定程度上影响了起重装卸效率和提高了司机的劳动强度，因此我们要通过采用先进的防摇技术，通过实现对起重机的准确定位来起重机效率。文章主要对当前使用比较广泛的起重机防摇技术进行了简要的探讨。
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关键词：起重机；防摇技术；电子防摇
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一、前言
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吊具的摇摆问题，一直是令起重行业设计和调试人员头痛的一个问题。起重机在装卸货物时，由于其速度的变化以及外界干扰因素的影响，使吊具前后、左右的来回摆动，在影响生产效率的同时造成一定的安全隐患，最终造成严重的经济损失。因此，研究一套起重机的吊具防摇系统，实现稳定吊具、平稳操作成为起重机制造商和研究机构一直关注的问题。
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一个好的防摇系统能起良好的减摇效果，大大提高了劳动生产率。近年来， 考虑到现代起重机增加吊重防摇控制系统的必要性，对防摇控制方法的理论研究较多，但这些理论方法只要以理论研究和仿真为主导，与实际可行的物理实现还存在一定距离，很多方面的应用还不是很理想。
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二、机械式防摇技术
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机械式防摇技术通过在小车架下安装防摇装置，包括减摇钢丝绳、卷筒和力矩限制器传动链及带单向轴承的卷筒和制动器，通过机械手段消耗摆动的能量以实现最终消除摇摆的目的，从而提高起重机的工作效率。
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要控制吊具的摇摆，首先就必须采用合理的钢丝绳缠绕方式，使车架上起升滑轮与吊具上牵引滑轮在同一平面内偏离成一定角度；利用单向轴承控制卷筒的旋转方向，通过实现放绳方向与传动轴相互锁合，保证卷筒只能向钢丝绳收绳方向旋转；在其重机作业过程中，通过对力矩限制器加以持续通电，始终给减摇钢丝绳一个张力，将其卷起，避免减摇钢丝绳的处于松散状态。当出现吊具摇摆情况
时，通过设定弹簧力来调整制动器给减摇钢丝绳的张力，从而保证在不同情况下阻止吊具的摇摆，起到减摇效果。
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吊具在下降过程中，制动器打开，单向轴承的内外圈相互锁住，由于吊具重力使每个力矩限制器受到一个反向力，该力就作为减摇钢丝绳张紧力对减摇产生一定作用；当吊具上升时，减摇钢丝绳上少了吊具自重而引起的张紧力，此时减摇钢丝绳被力矩限制器带动卷筒不断卷起，一定程度上减少了吊具的摇摆；另外，单向轴承的内外相互分离，旋转力没有作用在轴上，轴处于制动状态，制动器由于被锁住而不起作用，因此制动器就会对吊具摇摆产生一定的阻尼作用；当吊具停止升降时，单向轴承的内外圈相互离合，轴处于制动状态，制动器被锁住，从而减少吊具的摇摆。
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目前大多数机械式防摇装置都是基于这个原理，但是该防摇装置非常复杂，可靠性又不高，因此维修保养的工作量较大，而且防摇效果并不是十分理想；另外还可以通过增加悬挂系统刚性抑制摇摆，此类装置同样存在维修保养工作量大和防摇效果不理想的缺点，因此机械式防摇技术还有待于改进和提高。
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三、电子式防摇技术
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（一）传统控制理论分析
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当起重机启动运行过程中，小车与吊具通过柔性钢丝绳连接，通过电机带动在桥架轨道上运动，同时吊具也随着小车的运动而运动，相当于一个按照固定点移动的单摆运动。系统存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等因素，因此无法获得精确地数学模型。
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近年来，有关起重机防摇控制的研究是越来越多，众多国外学者都作了大量的研究，电子防摇技术成为了起重机防摇的主要研究对象，我国也从国外引进了电子式防摇技术。由于单摆运动本身就是非线性时变运动，且其固定点不断加速、减速，这就使系统变得非常复杂，难以获得精确的数学模型。当前采用的电子防摇技术是利用各种传感器和检测元件对一些信息进行信息搜集和检测，再将检测到的信息传送至控制系统的微机，通过处理后将最佳的控制参数提供给小车调速系统来控制小车的运行，以达
到对吊具及载荷的摆动幅度的控制。这类防摇技术可以实现对吊具摆动的控制，但是由于需要经常变化绳的长度，再加上小车电动机在运行过程中会产生一定的摩擦，因此实际应用中又出现调整小车运行速度太频繁，司机不舒服的现象，导致某些装备了电子防摇系统的集装箱起重机后来又被拆除。而为了提高性能，传统得控制理论变得非常复杂，从很大程度上增加了控制设备初始投资和维修费用，而且降低了系统的可靠性。
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为了解决以上问题，提高电子防摇技术，学者们做了大量研究。通过大量的研究，研制出了一个比较先进的装置。在小车架下安装一激光、红外发射器或摄像头，以作为发射装置，另外相应得再安装一个接受装置，在吊具上架安装反射器，当吊具出现摆动的情况，接受装置会检测到吊具前后摆动的角度和角速度，从而能够准确得控制好小车的运行方向和速度，使摆动角度限制在一定的范围内，最终实现了防摇的目的。
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（二）电子防摇技术的发展方向
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由于于起重机系统的数学模型具有非线性特性和不确定性，常规的控制方法（如传统的机械防摇技术、目前的电子防摇系统的控制方式）往往难以奏效，因此只有不依赖数学模型且能适应不确定性的智能控制方法才适合应用到这类控制中来。模糊控制作为能控制主要分支，通过模仿起重机司机的实际操作经验建立模糊控制规则库，控制好小车的速度及加速度，可以克服由于过程本身的不确定性、不精确性及噪声带来的困难，当前模糊控制技术在起重机防摇的试验或仿真方面取得了一定成果，并且取得了比较满意的控制效果。
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与电子式防摇技术相比，模糊控制能够实现更为理想的控制效果，但是单纯的模糊控制很难实现“隶属度函数的自动实现”和“模糊规则的自动提取”，而神经网络不但能很好地解决这两大难题，而且能够增强系统的适应能力。模糊神经网络控制器，即FNN，是一个四层的神经网络，其中第一层为为输入层，第二层为模糊化层，第三层为规则层，第四层为输出层。基于模糊神经网络控制器的电子防摇系统是在原来的系统中增加数字式旋转编码器和可编程智能化传感器。数字式旋转编码器与传动轴相连，用于对小车位置和吊具高度的检测，可编程智能化传感
器检测吊具摆角，因此该系统硬件非常简单，不需要对原小车控制系统做很大的调整。
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将神经网络模糊控制技术用于防摇系统，系统能够适应不同的工作路径、载荷、吊具高度（即绳长）、大小车加速度等，又会对一些外界干扰（如风力和断电等情况）表现出较强的鲁棒性。要使系统获得更加可靠的控制性能，防摇控制系统正常运行前要由操作人员进行若干周期的装卸作业，以获得训练样本来训练该控制器，最终使其投入正常运行。另外由于是采用模糊神经网络，要根据实际对象的工作特点和控制要求对网络训练前各权初值进行有效确定，在加快网络训练速度的同时为网络训练奠定了良好的基础。