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液压起升绞车在起重机上的同步研究

所属栏目:机械论文 发布日期:2021-03-28 10:06 热度:

   随着海上起重机起重吨位越来越高,与其配合吊重的单个独立绞车很多时候已经不能满足起升要求,两个以上的绞车联合起升工作越来越普遍(为说明方便,本文后面的论述均以两个绞车同步作业为例);对于目前使用的海上起重机,克令吊以液压为主,因起升重量相对不大,一般单绞车就能满足起升需求;大型起重机则电驱居多,也出现比较多的多个绞车联动。对于电驱动的起升绞车,同步往往比较好做。以钢丝绳在卷筒上的位置同步,电动机的力矩纠偏来完成;但对于大型液压起重机所用的液压绞车则难度非常大,由于压力损耗等因素,液压马达无法有效的提供自身力矩(或者说不能比较准确地提供力矩值),若无有效监控,则会导致力的严重不均衡,严重的会导致起重机的钢结构左右受力不均,存在安全隐患;本文针对该现象,主要围绕变幅起升绞车的同步,对如何保护起重机钢结构为原则进行理论和实际分析,以期对设计及调试阶段考虑的全面性有一定的借鉴作用。

液压起升绞车在起重机上的同步研究

  1液压起升绞车组成

  什么是液压起升绞车?就是通过液压马达,将液压能转换为绞车机械能的能量转换装置,再通过缠绕在绞车上的钢丝绳及其他机械结构,达到吊起重物的目的。其相比于电驱绞车重量轻、占地少、零部件相对简洁,从工作原理上讲与锚机比较类似,只是起升绞车主要以起吊重物为主,不需要离合器等装置,对制动系数及排绳要求较高。目前比较流行的单个起升液压绞车安装组成如下:整个减速箱通过减速箱上的法兰面用螺栓固定,内藏于减速箱筒体内,成为卷筒组件;整个卷筒组件在通过减速箱上的另一组法兰面固定于卷筒墙架上;然后,在减速箱(此种形式的减速箱自带内藏制动器)输入端上安装液压马达(液压马达可以多个),通过液压动力站,驱动马达从而带动整个绞车工作,详见图1。

  2液压起升绞车不同步的危害

  以往的液压驱动马达均选择的是低速大扭矩马达,这种马达的好处是低速稳定性好,但由于配减速机构时速比采用高速马达低很多,所以速度控制精度不如采用高速马达。在以往传统的液压起重机中,有过两台变幅起升绞车采用了机械轴连接起来实现机械同步,在需要单台绞车动作时采用离合器脱开。这种方式同步误差很大,并且会产生累积误差,两台绞车的同步误差会越来越大,若用在抛锚作业等工况可能影响不大,但是用在起重机上的力左右偏差会增大,非常的致命。常见的现象是钩头一高一低,单钩受力,若重量传感器工作正常则可以通过软件来停止调整,工作起来就非常别扭;若同步作业在用于起重机变幅起升时,左右力不平衡,若不能及时发现,则会导致结构局部损坏,严重的可能会机毁人亡,所以必须引起重视。

  3液压起升绞车同步的措施

  为了进一步提高同步精度,对起重机整体结构进行全程保护监测,本文在原有的设计理念上,从马达、钢丝绳缠绕、结构余量及电控等几个层面出发,有效解决同步问题:3.1采用高速马达驱动各绞车,并在马达上配置转速计实时监测和控制马达转速形成闭环速度控制。根据起升负载对于液压马达的影响,利用液压马达的特性方程进行仿真建模[1],并结合变幅重量传感器检测到的值对马达转矩预估,实现前馈控制反馈给电控。在此基础上,检测两卷筒实际位置差异,调节速度给定量,实现速度位置双轴同步。由于高速马达相对于低速马达其扭矩要小很多,但转速可以比低速大扭矩马达高很多,可以采用较大的速比来实现大扭矩输出。由于速比大了,这样反映到卷筒上的速度控制精度就可以更高;作为初次尝试,在正式运用时,仅作为调试之初重量传感器的标重参考,由于后期液压的压力损耗,左右速度误差会变大,故还不能正式参与以后的正常作业,但可以做在系统中,作为后期维护修正参考。3.2在钢丝绳缠绕末端加重量传感器(见图2),以检测结构左右的受力是否一致,保护结构安全。由于钢丝绳的倍率比较多,再加上钢结构自身的焊接变形,对于大型起重机来讲,本身可能就存在了左右的力差,所以我们在装配时,要求滑轮必须转动灵活,这样传到根部的力监测才能误差较小。同时,为了结构的安全,我们以变幅结构为例,进行逻辑公式判定。首先,我们通过Ansys模型计算,得出左右结构最大能允许的偏载百分比(比如说10%),这里的偏载必须完全按照相关规范,把所有的倾角、风力、横纵向加速度等[2]都考虑在内,确保力是最大的,才能确保安全。下面我们给出这个判定的逻辑公式,以示明确。条件给定假设:(1)变幅1受力:L1,变幅2受力:L2;(2)变幅绞车单绳静载最大力为80T(通过计算获得,须包含缠绕效率);(3)变幅重量传感器选定的是Rang=90t的量程;(4)结构左右允许的最大偏载百分比:10%。结合以上条件,逻辑判定如下:(1)选定的左右百分比报警为8%(8%<10%,给出安全余量),10%为停止。(2)我们可以有3种判定逻辑:①ABS(L1-L2)/Max(L1,L2);②ABS(L1-L2)/Min(L1,L2);③ABS(L1-L2)/Rang。出于保守考虑,可按ABS(L1-L2)/Min(L1,L2)。(3)变幅力大于40T开始判定。由于重量传感器量程范围广,当单绳力比较小时,对其自身的感应片触点不是很能有效的反馈,导致读数误差大,误报警发生频率高,所以我们再加个变幅力大于40T开始判定,提高精度。(4)变幅安全力80T是强制指标,超过这个必须要报警,以保护结构。通过以上的逻辑判定,输入到起重机吊重程序中,可全寿命监控绞车的同步作业,及时调整作业,即使有故障,也可确保钢结构的安全。通过加在卷筒末端的编码器来控制圈数,以期达到钢丝绳在卷筒上的绳长左右相当。但由于卷筒左右制作误差、钢丝绳左右存在差异及左右安装等因素,导致实际通过编码器所数的圈数和实际反映不符(这个在很多项目中都有此现象)。这时,就需要电气控制来纠偏,以免出现一边钢丝绳在卷筒的第一层,另一边钢丝绳则在卷筒第二层,导致速度不一致,这个就是位置同步,再配合上面的力的判定,确保整套系统的安全平稳运行。

  4液压起升绞车同步电气控制硬件架构

  通过以上论述,我们对机械及原理上已经完成构架,在实践中,需要对电气控制硬件架构(见图3)也需要有个基本的认识,以便在有故障时工作人员快速找到问题所在。本文电气控制系统以西门子PLC为上位机为例,用于采集外部各种传感器、限位信号、司机手柄给定信号等,通过逻辑运算判断输出控制各液压电磁阀[3]。选用易福门液压控制器作为下位控制器,用于采集液压马达转速信号,接受PLC转速指令,输出200~600mA电流信号控制液压比例阀线圈调节液压马达转速。PLC与液压控制器采用CAN总线通讯。配置绝对位置编码器安装于变幅钢丝绳卷筒上,用以采集卷筒转动圈数位置信息,配置马达转速计用以采集马达转速信号。当然,在处于调试时,变幅传感器显示的力矩值与马达转换的转矩需要多次比对,给予标定。在此基础上,检测两卷筒实际位置差异,调节速度给定量,实现速度位置双轴同步。综上所述,为了保护液压起重机的使用安全,避免因多台绞车不同步而导致结构或机构的损坏事故,同步纠偏在机械和电气控制上均要特别注意,除了调试后期进行纠偏外,在设计之初,也需要考虑对钢结构强度放一定余量(考虑一定百分比的左右偏载)以供给系统误差。同时,对于图纸上的安装制作公差需要规定明确,以便调试时数据的给定。

  参考文献

  [1]宋志安,曹连民,黄靖,周荃著.MATLAB/simulink与液压控制系统仿真(第2版)[M].北京:国防工业出版社,2012.

  [2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局&中国国家标准化管理会[S].GB/T3811-2008起重机设计规范.

  [3]廖常初.PLC编程及应用(第四版)[M].北京:机械工业出版社,2018.

  作者:濮俊萍

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