四卷筒式電差動(dòng)卸船機(jī)凸輪限位保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)邏輯運(yùn)算器分析

蔡有高 萬吉祥 李 祥 李 寒 李玉鋒

（華能（福建）海港有限公司，福建 福州350602）

四卷筒橋式卸船機(jī)是世界上廣泛應(yīng)用的散料卸船機(jī)械之一，技術(shù)趨于成熟、可靠，在實(shí)際作業(yè)過程中，受外界因素影響較小，維修工作量小。在船舶行業(yè)逐漸向大型化方向發(fā)展，在運(yùn)輸能力上提出更高層次的要求。因此，相關(guān)人員利用行星差動(dòng)結(jié)構(gòu)傳動(dòng)特點(diǎn)，制造了一種純機(jī)械的邏輯運(yùn)算器，確保在任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)保護(hù)，合理化地運(yùn)用電氣調(diào)速控制技術(shù)，提升卸船機(jī)操作性能。

1 關(guān)于差動(dòng)形式卸船機(jī)分析

傳統(tǒng)卸船機(jī)上的小車運(yùn)行、抓斗升降、抓斗開閉需要三套傳動(dòng)系統(tǒng)，通過技術(shù)改造之后，轉(zhuǎn)變?yōu)樗木硗矘蚴阶ザ贩绞剑ㄟ^使用行星差動(dòng)減速器、四只卷筒、起升開閉電機(jī)等，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)差動(dòng)形式的控制，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕重量。通過卸船機(jī)上的小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，衍生出更加新穎的四卷筒牽引方式。四卷筒機(jī)械形式差動(dòng)卸船機(jī)的核心技術(shù)是行星差動(dòng)減速器的運(yùn)用，基于卸船機(jī)械船能力不斷提升的前提下，行星差動(dòng)減速器制造難度加大?；诖吮尘跋拢姴顒?dòng)形式的卸船機(jī)誕生，在非行星減速箱驅(qū)動(dòng)支持下，形成的由四臺(tái)電機(jī)組成的四個(gè)卷筒，運(yùn)用電控方式，驅(qū)動(dòng)每個(gè)電機(jī)帶動(dòng)相對(duì)應(yīng)的減速器進(jìn)行的卷筒運(yùn)動(dòng)，其工作原理類似于機(jī)械差動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)。四卷筒機(jī)電差動(dòng)卸船機(jī)上，小車通過獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過將差動(dòng)減速箱上安裝凸輪限位裝置，實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，與小車運(yùn)行互不干擾[1]。相關(guān)研究人員，通過參考機(jī)械差動(dòng)卸船機(jī)起升、抓斗、開閉動(dòng)作的保護(hù)，為實(shí)現(xiàn)小車獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，安裝了凸輪限位保護(hù)裝置，加強(qiáng)對(duì)指令信號(hào)的保護(hù)，從而監(jiān)測(cè)卸船機(jī)起升、開閉動(dòng)作是否處于安全狀態(tài)下。

2 四卷筒差動(dòng)小車牽引機(jī)構(gòu)工作原理及電差動(dòng)四卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1 工作原理

四卷筒差動(dòng)小車牽引機(jī)構(gòu)由四個(gè)卷筒組成，兩個(gè)為起升卷筒、兩個(gè)為開閉卷筒，通過將起升鋼絲繩與前開閉鋼絲繩繞出卷筒，經(jīng)過塔架滑輪等裝置連接到抓斗；后起升鋼絲與后開閉鋼絲同樣從卷筒繞出，經(jīng)過后大梁改向滑輪連接抓斗的開閉段，確保最終實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的驅(qū)動(dòng)。具體的結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），四卷筒電差動(dòng)卸船機(jī)在具體運(yùn)行過程中，利用小車和四卷筒實(shí)現(xiàn)抓斗的起升和開閉，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)單，鋼絲繩用量和滑輪數(shù)量少，在抓斗和鋼絲繩更換上更加便捷，一定程度上減輕了小車移動(dòng)荷載。相關(guān)人員在具體設(shè)計(jì)四卷筒小車牽引機(jī)構(gòu)過程中，需要科學(xué)計(jì)算電機(jī)功率。小車在運(yùn)動(dòng)過程中，涉及到阻力限制，包括摩擦阻力L11、風(fēng)載荷L12、起升繩僵性以及滑輪的摩擦阻力L13、坡道載荷L14、加速載荷L15等，在具體的計(jì)算方式，以實(shí)例進(jìn)行分析，比如一臺(tái)10×105kg/h 卸船機(jī)來說，已知的前提條件為小車運(yùn)行質(zhì)量（T）2000kg、額定的載荷（L）為9000kg、抓斗和起升質(zhì)量（T）為8200kg、小車的運(yùn)行速度（V）為200m/min，載荷加速時(shí)間（t1）為6s、機(jī)構(gòu)效率（u）為0.95、電機(jī)過載因素（P0）為4[2]。因此，根據(jù)已知條件進(jìn)行計(jì)算，可得出小車的摩擦阻力，根據(jù)風(fēng)壓可計(jì)算出風(fēng)載荷因數(shù)，進(jìn)而確定小車最終的運(yùn)行功率。

圖1 四卷筒差動(dòng)小車牽引機(jī)構(gòu)圖

2.2 電差動(dòng)四卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

基于電差動(dòng)四卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，性能優(yōu)勢(shì)顯著，逐漸代替了傳統(tǒng)的差動(dòng)減速器，為具體的項(xiàng)目運(yùn)行，有效控制了成本，通常情況下，電差動(dòng)卸船機(jī)的起升、開閉機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，在減速器限位輸出軸位置安裝1:1 的分動(dòng)箱，并安裝絕對(duì)值編碼器和凸輪限位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)對(duì)卷筒轉(zhuǎn)速和圈數(shù)信息的控制。

2.3 卸船差動(dòng)減速器結(jié)構(gòu)

當(dāng)出入軸轉(zhuǎn)速確定后，再次輸出軸的轉(zhuǎn)數(shù)為自由度減速器，具體特征表現(xiàn)為箱體上存在三根軸，待輸入的軸轉(zhuǎn)速確定后，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)自由度減速器，稱之為差動(dòng)減速器，可按照要求控制運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)分解和合成。差動(dòng)減速器的主要構(gòu)成為齒軸、齒輪、太陽輪、行星輪、箱體等，容易散熱和潤滑，在具體的工況中，易裝配、易拆卸，可有效提升設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量[3]。當(dāng)小車在電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過輸入小車的轉(zhuǎn)速，可有效帶動(dòng)行星輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)輸入軸進(jìn)行固定，提升電差動(dòng)卸船機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行效果。

3 電差動(dòng)卸船機(jī)凸輪限位保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)邏輯運(yùn)算器

3.1 差動(dòng)減速器凸輪限位檢測(cè)裝置

電差動(dòng)減速器電氣程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械差動(dòng)卸船機(jī)的起升、開閉機(jī)構(gòu)控制，加強(qiáng)對(duì)卸船機(jī)上小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的保護(hù)。相關(guān)研究人員，在具體試驗(yàn)過程中，加強(qiáng)對(duì)電差動(dòng)卸船機(jī)凸輪限位的保護(hù)測(cè)試，將凸輪限位系統(tǒng)以海陸側(cè)卷輸出方式，作為系統(tǒng)的輸入值，通過差動(dòng)行星減速器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械邏輯的運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)凸輪限位與減速器輸出軸的連接，并在電差動(dòng)卸船機(jī)凸輪限位保護(hù)過程中，有效控制運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向，更好監(jiān)測(cè)和保護(hù)海陸側(cè)卷筒的起升保護(hù)。相關(guān)研究人員為提升電差動(dòng)卸船機(jī)差動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，積極設(shè)計(jì)和研發(fā)鏈輪差動(dòng)減速器凸輪限位檢測(cè)裝置，并以鏈條形式，控制卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和旋轉(zhuǎn)的方向，通過在差動(dòng)減速器上配套安裝凸輪限位和絕對(duì)位置編碼器，可精確計(jì)算出圈數(shù)的變化，并實(shí)時(shí)將絕對(duì)編碼器采集到的信息數(shù)據(jù)傳遞給電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備硬件的保護(hù)。

3.2 行星差動(dòng)傳動(dòng)原理

相關(guān)研究人員研發(fā)的一種電差動(dòng)卸船機(jī)為保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)邏輯運(yùn)算器，確保實(shí)現(xiàn)對(duì)限位系統(tǒng)輸入信號(hào)的保護(hù)，實(shí)時(shí)控制卸船機(jī)的抓斗起升、開閉動(dòng)作的變量值?；谶壿嬤\(yùn)算器本身是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過在卷筒中輸入卷筒的不同運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪限位系統(tǒng)的輸入。電差動(dòng)卸船機(jī)在具體運(yùn)行過程中，需要在行星減速器的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的保護(hù)。就行星差動(dòng)傳動(dòng)原理來看，行星傳動(dòng)裝置是由一系列的齒輪構(gòu)成的，在各個(gè)齒輪周轉(zhuǎn)過程中，存在兩種不同的運(yùn)行方式，一是行星齒輪輪系，二是行星差動(dòng)輪系。相關(guān)研究人員在實(shí)踐研究中發(fā)現(xiàn)，行星差動(dòng)具備兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)構(gòu)件，確保實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)動(dòng)。行星差動(dòng)傳動(dòng)是行星齒輪傳動(dòng)的特殊形式，在具體運(yùn)動(dòng)和功率傳輸過程中，行星差動(dòng)傳動(dòng)需要按照一定的要求對(duì)輸入的功率和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解傳遞。在具體工況下，通過、行星差動(dòng)傳動(dòng)，可有效解決調(diào)速和驅(qū)動(dòng)問題。

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)邏輯云計(jì)算器

相關(guān)研究人員，通過實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，從一個(gè)基本構(gòu)件輸入運(yùn)動(dòng)，行星差動(dòng)輪系可分解成兩個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)和輸出的方式，基于此，相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)和制造出具有差動(dòng)功能的齒輪箱，確保更加靈活地控制卸船機(jī)的起升、開閉運(yùn)動(dòng)，充分發(fā)揮出機(jī)械結(jié)構(gòu)邏輯運(yùn)算器的功能。卸船機(jī)核心工作機(jī)構(gòu)是起升、開閉和小型牽引機(jī)構(gòu)，主要控制了抓斗的起升、開閉和小車運(yùn)行狀態(tài)，常規(guī)的四卷筒橋式卸船機(jī)（如圖2 所示），小車牽引機(jī)構(gòu)采用四卷筒結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)差動(dòng)功能的運(yùn)用，具體（如圖3 所示），兩臺(tái)行星差動(dòng)減速機(jī)，通過控制電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抓斗起升/開閉及小車運(yùn)動(dòng)，通過齒輪之間的聯(lián)動(dòng)，更好高效、可靠地應(yīng)用在實(shí)際的工作場(chǎng)景中。

3.4 電差動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案

圖2 橋式卸船機(jī)

圖3 小車牽引差動(dòng)機(jī)構(gòu)纏繞

齒輪在傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比較大等優(yōu)勢(shì)作用，在功率分流作用下，可減輕單個(gè)齒輪的受力，降低了齒輪件的嚙合力，在差動(dòng)機(jī)構(gòu)中，會(huì)在沒和減速箱中配備兩個(gè)功能包，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減速功能，并在每個(gè)功能包中配備一個(gè)行星輪系，促進(jìn)減速機(jī)和齒輪之間的嚙合，更好完成物料抓斗，當(dāng)卸船機(jī)抓斗在起升、關(guān)閉時(shí)，通過、太陽輪完成內(nèi)齒圈的制動(dòng)；在小車運(yùn)行過程中，通過齒圈輸入實(shí)現(xiàn)太陽輪的制動(dòng)，在開閉機(jī)運(yùn)行期間，小車電機(jī)不開啟，則小車不會(huì)運(yùn)行，開啟電機(jī)，則小車開始運(yùn)行，可將開閉電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為n 開,前提條件為n開=n9，將開閉卷筒轉(zhuǎn)速設(shè)定為N開閉，已知條件為nH=N開閉, 轉(zhuǎn)速單位為r/min,將齒輪的齒數(shù)設(shè)定為Zi，通過運(yùn)算則得到太陽輪7 與行星架H 的傳動(dòng)比設(shè)定為：

4 結(jié)論

綜上所述，通過分析電差動(dòng)減速器凸輪限位檢測(cè)裝置、行星差動(dòng)傳動(dòng)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)邏輯云計(jì)算器、電差動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案等方面，相關(guān)研究人員，設(shè)計(jì)、制造出可以應(yīng)用于四卷筒機(jī)械形式的差動(dòng)卸船機(jī)，為行星差動(dòng)應(yīng)用，提供了可靠的機(jī)械保障，為電差動(dòng)形式的卸船機(jī)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。因此，相關(guān)研究人員，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)四卷筒橋式電差動(dòng)卸船機(jī)的研究和探討。