抓斗卸船機(jī)起升重量保護(hù)裝置優(yōu)化技術(shù)

李凱亮

（寧波港股份有限公司北侖礦石碼頭分公司，浙江 寧波 315000）

傳統(tǒng)抓斗式卸船機(jī)都設(shè)有起升重量保護(hù)裝置，其傳感器安裝在后大梁滑輪處，實(shí)時(shí)檢測(cè)支持、開(kāi)閉兩根鋼絲繩所受負(fù)載數(shù)值是否超出安全設(shè)定值，從而保護(hù)卸船機(jī)及操作司機(jī)安全。但滑輪負(fù)載傳感器一般都采用偏心軸力臂式小型傳感器，雖然安裝方便、成本較低，但檢測(cè)波動(dòng)較大，精度不高，經(jīng)常誤報(bào)警或不報(bào)警，很難起到保護(hù)作用。

1 主要問(wèn)題

偏心軸力臂式傳感器安裝如圖1 所示，正常運(yùn)行時(shí)，后大梁滑輪受到鋼絲繩向左拉力，由于滑輪軸與支座軸有一定量的偏心距，在支座軸上會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩通過(guò)一個(gè)外伸力臂轉(zhuǎn)化到傳感器上的壓力，滑輪負(fù)載與傳感器負(fù)載關(guān)系為L(zhǎng)傳感器×L力臂=F滑輪×L偏心距，其中，L力臂=800 mm，L偏心距=25 mm。

可得滑輪與傳感器感器負(fù)載關(guān)系為：

由上式可知傳感器端受力大小僅為鋼絲繩滑輪3%左右。

圖1 起升保護(hù)裝置安裝及機(jī)構(gòu)圖（單位：mm）

雖然該檢測(cè)裝置將鋼絲繩滑輪大載荷通過(guò)力矩臂的方式轉(zhuǎn)化到小負(fù)載，但由于安裝精度、溫差變化、隨機(jī)振動(dòng)等對(duì)力臂及傳感器影響，負(fù)載也會(huì)隨之增加。如何提高傳感器檢測(cè)精度是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

2 方案選定

2.1 增加滑輪傳感器的數(shù)量

在前后大梁鋼絲繩滑輪都安裝傳感器，使前后大梁同時(shí)檢測(cè)。原來(lái)2 個(gè)傳感器只檢測(cè)2 根鋼絲繩的拉力，即抓斗一側(cè)的負(fù)載，當(dāng)抓斗內(nèi)物料分布均勻時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，平時(shí)作業(yè)時(shí)抓斗內(nèi)物料擺放不均勻，檢測(cè)誤差較大。4 個(gè)傳感器可以避免由于抓斗內(nèi)物料不均勻造成的前后滑輪組受力不同，檢測(cè)精度有所提高，但本質(zhì)上無(wú)法解決力臂式傳感器誤差的影響。

2.2 滑輪銷(xiāo)軸式傳感器

將原滑輪普通銷(xiāo)軸更換為內(nèi)置傳感器的銷(xiāo)軸，使傳感器直接檢測(cè)滑輪受力，檢測(cè)精度直接由傳感器精度而定，檢測(cè)精度較高[1]。但是該方案具有局限性，只能適用于獨(dú)立銷(xiāo)軸式滑輪，當(dāng)兩個(gè)滑輪公用一根銷(xiāo)軸的時(shí)，檢測(cè)精度將會(huì)受到影響，而且該傳感器安裝更換較為困難，升級(jí)改造成本較高。

2.3 鋼絲繩滾筒轉(zhuǎn)矩

本方案與前兩方案思路不同，通過(guò)檢測(cè)鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)矩，從而計(jì)算出鋼絲繩上的拉力。起升電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)鋼絲繩卷筒，通過(guò)電機(jī)的變頻器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩參數(shù)、減速箱減速比及傳動(dòng)效率、鋼絲繩卷筒直徑參數(shù)及矯正系數(shù)，計(jì)算出滾筒上鋼絲繩的拉力。該方案排除了遠(yuǎn)端鋼絲繩抖動(dòng)等問(wèn)題，精度較高，且成本較低，優(yōu)先考慮該方案。

3 滾筒上鋼絲繩拉力計(jì)算方法

直接檢測(cè)鋼絲繩滾筒轉(zhuǎn)矩難度較大，通過(guò)變頻器監(jiān)控電機(jī)參數(shù)，結(jié)合差動(dòng)減速箱傳動(dòng)比及傳動(dòng)效率，間接得出滾筒轉(zhuǎn)矩，結(jié)合砝碼設(shè)置矯正系數(shù)，最終得到鋼絲繩拉力，如圖2 所示。

圖2 鋼絲繩拉力計(jì)算流程

本項(xiàng)目以西門(mén)子電控系統(tǒng)的抓斗卸船機(jī)為例，首先建立PLC 與變頻器力矩信號(hào)通訊。在變頻器中，選擇電機(jī)力矩?cái)?shù)值參數(shù)并記錄通訊字節(jié)位置，在對(duì)應(yīng)PLC 讀取變頻器狀態(tài)字對(duì)應(yīng)位置建立數(shù)據(jù)單元，即完成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸接口。

根據(jù)抓斗卸船機(jī)減速箱及滾筒機(jī)械圖紙，可得到起升機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)比、滾筒半徑。減速器主參數(shù)、齒輪分級(jí)參數(shù)分別如表1、表2 所示。鋼絲繩卷筒直徑如圖3 所示。

根據(jù)F鋼絲繩=T滾筒×r滾筒×φ修正系數(shù)=T電機(jī)×i傳動(dòng)比×η傳動(dòng)效率×r滾筒×φ修正系數(shù)，即可得F鋼絲繩=T電機(jī)×K系數(shù)，求得到關(guān)鍵系數(shù)K值，即可在程序?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)目的。

表1 減速器主參數(shù)

表2 齒輪分級(jí)參數(shù)

圖3 鋼絲繩卷筒直徑（單位：mm）

4 PLC 保護(hù)程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

在程序中設(shè)定好支持、開(kāi)閉機(jī)構(gòu)電機(jī)力矩?cái)?shù)據(jù)地址，將力矩信號(hào)與得到的關(guān)鍵系數(shù)K相乘，可得到對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)海陸側(cè)鋼絲繩拉力總和，支持、開(kāi)閉機(jī)構(gòu)拉力的和值即為起升重量負(fù)載值[2]。由于電機(jī)起升加速段轉(zhuǎn)矩較大，需要進(jìn)行區(qū)分。正常額定負(fù)載狀態(tài)下，加速段時(shí)間為2.7 s，加速度1 m/s2，轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2 倍，設(shè)置加速段時(shí)間內(nèi)超過(guò)3 倍負(fù)載并持續(xù)1 s 時(shí)判斷為超載或掛倉(cāng)；勻速后在抓斗閉斗上升至漏斗上方前10 m 持續(xù)監(jiān)測(cè)，由于該階段抓斗不進(jìn)行拋物線(xiàn)甩斗動(dòng)作，檢測(cè)精度較高；當(dāng)負(fù)載超過(guò)1.1 倍并持續(xù)3 s 即為過(guò)載報(bào)警。小車(chē)水平移動(dòng)及開(kāi)閉斗階段不進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際使用過(guò)程中，司機(jī)反映報(bào)警情況比之前較為合理，特別是一些有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)，可以通過(guò)目測(cè)估計(jì)抓斗是否超載，與報(bào)警情況相符。本項(xiàng)目還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了起升重量檢測(cè)階段，把檢測(cè)范圍分段控制在加速階段及勻速直線(xiàn)上升階段，通過(guò)計(jì)算標(biāo)定了各自的報(bào)警上限，過(guò)濾了其他檢測(cè)誤差較大報(bào)警較晚區(qū)域，報(bào)警更加優(yōu)先合理。本項(xiàng)目主要采用現(xiàn)有軟件進(jìn)行擴(kuò)展編程，不需要采購(gòu)增加硬件設(shè)備，其他電控系統(tǒng)卸船機(jī)也可借鑒。