液壓起升絞車在起重機(jī)上的同步研究

濮俊萍

（埃特博朗咨詢（上海）有限公司，上海201102）

隨著海上起重機(jī)起重噸位越來越高，與其配合吊重的單個(gè)獨(dú)立絞車很多時(shí)候已經(jīng)不能滿足起升要求，兩個(gè)以上的絞車聯(lián)合起升工作越來越普遍（為說明方便，本文后面的論述均以兩個(gè)絞車同步作業(yè)為例）；對(duì)于目前使用的海上起重機(jī)，克令吊以液壓為主，因起升重量相對(duì)不大，一般單絞車就能滿足起升需求；大型起重機(jī)則電驅(qū)居多，也出現(xiàn)比較多的多個(gè)絞車聯(lián)動(dòng)。對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的起升絞車，同步往往比較好做。以鋼絲繩在卷筒上的位置同步，電動(dòng)機(jī)的力矩糾偏來完成；但對(duì)于大型液壓起重機(jī)所用的液壓絞車則難度非常大，由于壓力損耗等因素，液壓馬達(dá)無法有效的提供自身力矩（或者說不能比較準(zhǔn)確地提供力矩值），若無有效監(jiān)控，則會(huì)導(dǎo)致力的嚴(yán)重不均衡，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)左右受力不均，存在安全隱患；本文針對(duì)該現(xiàn)象，主要圍繞變幅起升絞車的同步，對(duì)如何保護(hù)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)為原則進(jìn)行理論和實(shí)際分析，以期對(duì)設(shè)計(jì)及調(diào)試階段考慮的全面性有一定的借鑒作用。

1 液壓起升絞車組成

什么是液壓起升絞車？就是通過液壓馬達(dá)，將液壓能轉(zhuǎn)換為絞車機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，再通過纏繞在絞車上的鋼絲繩及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)，達(dá)到吊起重物的目的。其相比于電驅(qū)絞車重量輕、占地少、零部件相對(duì)簡潔，從工作原理上講與錨機(jī)比較類似，只是起升絞車主要以起吊重物為主，不需要離合器等裝置，對(duì)制動(dòng)系數(shù)及排繩要求較高。目前比較流行的單個(gè)起升液壓絞車安裝組成如下: 整個(gè)減速箱通過減速箱上的法蘭面用螺栓固定，內(nèi)藏于減速箱筒體內(nèi)，成為卷筒組件；整個(gè)卷筒組件在通過減速箱上的另一組法蘭面固定于卷筒墻架上；然后，在減速箱（此種形式的減速箱自帶內(nèi)藏制動(dòng)器）輸入端上安裝液壓馬達(dá)（液壓馬達(dá)可以多個(gè)），通過液壓動(dòng)力站，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)從而帶動(dòng)整個(gè)絞車工作，詳見圖1。

圖1 單個(gè)液壓絞車示意圖

2 液壓起升絞車不同步的危害

以往的液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)均選擇的是低速大扭矩馬達(dá)，這種馬達(dá)的好處是低速穩(wěn)定性好，但由于配減速機(jī)構(gòu)時(shí)速比采用高速馬達(dá)低很多，所以速度控制精度不如采用高速馬達(dá)。在以往傳統(tǒng)的液壓起重機(jī)中，有過兩臺(tái)變幅起升絞車采用了機(jī)械軸連接起來實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步，在需要單臺(tái)絞車動(dòng)作時(shí)采用離合器脫開。這種方式同步誤差很大，并且會(huì)產(chǎn)生累積誤差，兩臺(tái)絞車的同步誤差會(huì)越來越大，若用在拋錨作業(yè)等工況可能影響不大，但是用在起重機(jī)上的力左右偏差會(huì)增大，非常的致命。常見的現(xiàn)象是鉤頭一高一低，單鉤受力，若重量傳感器工作正常則可以通過軟件來停止調(diào)整，工作起來就非常別扭；若同步作業(yè)在用于起重機(jī)變幅起升時(shí)，左右力不平衡，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部損壞，嚴(yán)重的可能會(huì)機(jī)毀人亡，所以必須引起重視。

3 液壓起升絞車同步的措施

為了進(jìn)一步提高同步精度，對(duì)起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全程保護(hù)監(jiān)測(cè)，本文在原有的設(shè)計(jì)理念上，從馬達(dá)、鋼絲繩纏繞、結(jié)構(gòu)余量及電控等幾個(gè)層面出發(fā)，有效解決同步問題：

3.1 采用高速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)各絞車，并在馬達(dá)上配置轉(zhuǎn)速計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速形成閉環(huán)速度控制。根據(jù)起升負(fù)載對(duì)于液壓馬達(dá)的影響，利用液壓馬達(dá)的特性方程進(jìn)行仿真建模[1]，并結(jié)合變幅重量傳感器檢測(cè)到的值對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩預(yù)估，實(shí)現(xiàn)前饋控制反饋給電控。在此基礎(chǔ)上，檢測(cè)兩卷筒實(shí)際位置差異，調(diào)節(jié)速度給定量，實(shí)現(xiàn)速度位置雙軸同步。

由于高速馬達(dá)相對(duì)于低速馬達(dá)其扭矩要小很多，但轉(zhuǎn)速可以比低速大扭矩馬達(dá)高很多，可以采用較大的速比來實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出。由于速比大了，這樣反映到卷筒上的速度控制精度就可以更高；作為初次嘗試，在正式運(yùn)用時(shí)，僅作為調(diào)試之初重量傳感器的標(biāo)重參考，由于后期液壓的壓力損耗，左右速度誤差會(huì)變大，故還不能正式參與以后的正常作業(yè)，但可以做在系統(tǒng)中，作為后期維護(hù)修正參考。

3.2 在鋼絲繩纏繞末端加重量傳感器（見圖2），以檢測(cè)結(jié)構(gòu)左右的受力是否一致，保護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

圖2 變幅纏繞示意圖

由于鋼絲繩的倍率比較多，再加上鋼結(jié)構(gòu)自身的焊接變形，對(duì)于大型起重機(jī)來講，本身可能就存在了左右的力差，所以我們?cè)谘b配時(shí)，要求滑輪必須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，這樣傳到根部的力監(jiān)測(cè)才能誤差較小。同時(shí)，為了結(jié)構(gòu)的安全，我們以變幅結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行邏輯公式判定。首先，我們通過Ansys 模型計(jì)算，得出左右結(jié)構(gòu)最大能允許的偏載百分比（比如說10%），這里的偏載必須完全按照相關(guān)規(guī)范，把所有的傾角、風(fēng)力、橫縱向加速度等[2]都考慮在內(nèi)，確保力是最大的，才能確保安全。下面我們給出這個(gè)判定的邏輯公式，以示明確。

條件給定假設(shè)：

（1）變幅1 受力：L1，變幅2 受力：L2；

（2）變幅絞車單繩靜載最大力為80T（通過計(jì)算獲得，須包含纏繞效率）；

（3）變幅重量傳感器選定的是Rang=90t 的量程；

（4）結(jié)構(gòu)左右允許的最大偏載百分比：10%。

結(jié)合以上條件，邏輯判定如下：

（1）選定的左右百分比報(bào)警為8%（8%＜10%，給出安全余量），10%為停止。

（2）我們可以有3 種判定邏輯：①ABS（L1-L2）/ Max（L1，L2）；②ABS（L1-L2）/ Min（L1，L2）；③ABS（L1-L2）/ Rang。出于保守考慮，可按ABS（L1-L2）/ Min（L1，L2）。

（3）變幅力大于40T 開始判定。由于重量傳感器量程范圍廣，當(dāng)單繩力比較小時(shí)，對(duì)其自身的感應(yīng)片觸點(diǎn)不是很能有效的反饋，導(dǎo)致讀數(shù)誤差大，誤報(bào)警發(fā)生頻率高，所以我們?cè)偌觽€(gè)變幅力大于40T 開始判定，提高精度。

（4）變幅安全力80T 是強(qiáng)制指標(biāo)，超過這個(gè)必須要報(bào)警，以保護(hù)結(jié)構(gòu)。

通過以上的邏輯判定，輸入到起重機(jī)吊重程序中，可全壽命監(jiān)控絞車的同步作業(yè)，及時(shí)調(diào)整作業(yè)，即使有故障，也可確保鋼結(jié)構(gòu)的安全。

通過加在卷筒末端的編碼器來控制圈數(shù)，以期達(dá)到鋼絲繩在卷筒上的繩長左右相當(dāng)。但由于卷筒左右制作誤差、鋼絲繩左右存在差異及左右安裝等因素，導(dǎo)致實(shí)際通過編碼器所數(shù)的圈數(shù)和實(shí)際反映不符（這個(gè)在很多項(xiàng)目中都有此現(xiàn)象）。這時(shí)，就需要電氣控制來糾偏，以免出現(xiàn)一邊鋼絲繩在卷筒的第一層，另一邊鋼絲繩則在卷筒第二層，導(dǎo)致速度不一致，這個(gè)就是位置同步，再配合上面的力的判定，確保整套系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

4 液壓起升絞車同步電氣控制硬件架構(gòu)

通過以上論述，我們對(duì)機(jī)械及原理上已經(jīng)完成構(gòu)架，在實(shí)踐中，需要對(duì)電氣控制硬件架構(gòu)（見圖3）也需要有個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，以便在有故障時(shí)工作人員快速找到問題所在。本文電氣控制系統(tǒng)以西門子PLC 為上位機(jī)為例，用于采集外部各種傳感器、限位信號(hào)、司機(jī)手柄給定信號(hào)等，通過邏輯運(yùn)算判斷輸出控制各液壓電磁閥[3]。選用易福門液壓控制器作為下位控制器，用于采集液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號(hào)，接受PLC 轉(zhuǎn)速指令，輸出200～600mA 電流信號(hào)控制液壓比例閥線圈調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。PLC 與液壓控制器采用CAN 總線通訊。配置絕對(duì)位置編碼器安裝于變幅鋼絲繩卷筒上，用以采集卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)位置信息，配置馬達(dá)轉(zhuǎn)速計(jì)用以采集馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號(hào)。

圖3 電控通訊簡圖

當(dāng)然，在處于調(diào)試時(shí)，變幅傳感器顯示的力矩值與馬達(dá)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)矩需要多次比對(duì)，給予標(biāo)定。在此基礎(chǔ)上，檢測(cè)兩卷筒實(shí)際位置差異，調(diào)節(jié)速度給定量，實(shí)現(xiàn)速度位置雙軸同步。

綜上所述，為了保護(hù)液壓起重機(jī)的使用安全，避免因多臺(tái)絞車不同步而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的損壞事故，同步糾偏在機(jī)械和電氣控制上均要特別注意，除了調(diào)試后期進(jìn)行糾偏外，在設(shè)計(jì)之初，也需要考慮對(duì)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度放一定余量（考慮一定百分比的左右偏載）以供給系統(tǒng)誤差。同時(shí)，對(duì)于圖紙上的安裝制作公差需要規(guī)定明確，以便調(diào)試時(shí)數(shù)據(jù)的給定。