鐵路門式起重機(jī)電子減搖控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉慶漁

(北京鐵路局 北京裝卸管理部，北京 100045)

鐵路門式起重機(jī)電子減搖控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉慶漁

(北京鐵路局 北京裝卸管理部，北京 100045)

在闡述鐵路貨場(chǎng)門式起重機(jī)減搖控制現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從力學(xué)模型、作業(yè)流程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理及應(yīng)用效果 5 個(gè)方面分析門式起重機(jī)電子減搖控制技術(shù)，利用系統(tǒng)變頻器中的“減搖前饋模糊算法”，通過調(diào)整起重機(jī)大、小車的運(yùn)行狀態(tài)消除門式起重機(jī)吊重的搖擺現(xiàn)象，為門式起重機(jī)減搖控制提供參考。

門式起重機(jī)；減搖；力學(xué)模型

門式起重機(jī)作為鐵路貨物裝卸作業(yè)的主要設(shè)備，其裝卸能力、裝卸速度和運(yùn)行平穩(wěn)性直接決定貨場(chǎng)作業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率和安全系數(shù)。但是，現(xiàn)階段門式起重機(jī)在進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，受大、小車加速或減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的突變及外界干擾等方面的影響，吊具及貨物容易發(fā)生來回?cái)[動(dòng)現(xiàn)象，影響起重機(jī)裝卸作業(yè)效率，同時(shí)存在發(fā)生碰撞事故的隱患，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，難以滿足國(guó)內(nèi)物流業(yè)對(duì)貨物運(yùn)輸裝卸設(shè)備安全性能提出的更高要求。研究顯示，門式起重機(jī)吊具電子減搖控制技術(shù)對(duì)于降低其裝卸作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高風(fēng)險(xiǎn)管理水平具有重要作用[1]。因此，迫切需要進(jìn)一步研究鐵路門式起重機(jī)電子減搖控制技術(shù)。

1 鐵路貨場(chǎng)門式起重機(jī)減搖控制現(xiàn)狀

1.1 普通門式起重機(jī)

長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐表明，熟練的操作人員可以利用門式起重機(jī)所裝卸貨物的懸掛點(diǎn)變動(dòng)差異抵消起重機(jī)吊重的搖擺，使起重機(jī)吊重將要停落在落點(diǎn)時(shí)其搖擺能夠迅速停止。然而，截至目前只有具備熟練技巧和經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員才能順利完成該操作，而在特殊情況下，即使是有經(jīng)驗(yàn)的操作人員仍然需要多次調(diào)整落點(diǎn)才能最終消除門式起重機(jī)吊具的搖擺[2]，特別是引進(jìn)越來越高速運(yùn)行的新型裝卸設(shè)備后，該項(xiàng)操作將變得更加困難。

1.2 集裝箱門式起重機(jī)

目前鐵路貨場(chǎng)集裝箱門式起重機(jī)均要求安裝減搖裝置，普遍采用交叉鋼絲繩 8 繩減搖和力矩電機(jī) 4 繩減搖等機(jī)械式減搖系統(tǒng)。但是，由于機(jī)械式減搖系統(tǒng)

通常需要通過機(jī)械手段消耗門式起重機(jī)吊重的擺動(dòng)能量以實(shí)現(xiàn)消除起重機(jī)吊重?fù)u擺的目的，并沒有將起重機(jī)吊重減搖和大、小車運(yùn)行狀態(tài)結(jié)合起來考慮，因而是一種被動(dòng)式減搖方式。這種被動(dòng)式減搖方式不僅耗時(shí)，而且集裝箱門式起重機(jī)的減搖效果與司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，即使是操作熟練的工作人員也無法長(zhǎng)期處于最佳工作狀態(tài)。

2 門式起重機(jī)電子減搖控制技術(shù)

門式起重機(jī)電子減搖控制技術(shù)是一種主動(dòng)式減搖方式，將門式起重機(jī)吊運(yùn)貨物的減搖與其大、小車運(yùn)行狀態(tài)結(jié)合起來綜合考慮，不再單純依賴于司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)[3]，從而有效提高門式起重機(jī)裝卸作業(yè)效率和安全性?？紤]到門式起重機(jī)大、小車與吊重的防搖控制原理及控制方式相同，并且起重機(jī)大、小車的力學(xué)模型相互分離，不會(huì)產(chǎn)生干擾、耦合，因而可以分別控制和計(jì)算，以下在力學(xué)模型和系統(tǒng)流程部分僅以起重小車與吊重的防搖控制為例進(jìn)行研究。

2.1 力學(xué)模型

將門式起重機(jī)運(yùn)行小車、鋼絲繩及吊重(吊具與貨物)組成的系統(tǒng)近似看作一種偏擺系統(tǒng)[4]，以下簡(jiǎn)稱“起重小車-吊重偏擺系統(tǒng)”，其力學(xué)模型如圖 1所示。其中，M 和 m 分別為起重小車和吊重的質(zhì)量，L 為起升鋼絲繩長(zhǎng)度，x 為起重小車在水平方向上的位移，θ 為吊重偏離豎直方向的擺角，F(xiàn) 為起重小車運(yùn)行牽引力，f 為起重小車運(yùn)行靜阻力，g 為重力加速度 (取值 9.8 m/s2)。

由于 L、x、θ 3 個(gè)變量相互獨(dú)立，將其作為廣義坐標(biāo)，并設(shè)起升鋼絲繩的張力為 T，對(duì)小車建立運(yùn)動(dòng)微分方程為

“小車-吊重偏擺系統(tǒng)”的線性化模型為

由于門式起重機(jī)在進(jìn)行裝卸、運(yùn)行作業(yè)時(shí)為了減少起重機(jī)吊重的偏擺幅度以避免碰撞事故的發(fā)生，往往都是先由起升機(jī)構(gòu)將吊重上升到一定高度，然后再通過走行電機(jī)驅(qū)使小車運(yùn)行。因此，在整個(gè)起重小車運(yùn)行過程中，起升鋼絲繩長(zhǎng)度 L 的變化可以不作考慮，假定在整個(gè)運(yùn)行過程中 L 始終保持恒定不變，而且只考慮在操作點(diǎn) θ(0) = 0 附近只有很小的 θ 變化，可以得到

式中：t 為時(shí)間。

由此得出，門式起重機(jī)吊重的擺動(dòng)隨時(shí)間 t 作周期性變化，吊重偏離豎直方向的擺角 θ、偏擺角速度與起重小車運(yùn)行加速度成比例，在擺長(zhǎng) L 已知的情況下，只要計(jì)算出小車運(yùn)行加速度的大小與方向(不好確定時(shí)可以選用其他與有關(guān)的變量代替)，吊重的偏擺角度 θ、偏擺角速度 也就會(huì)隨之相應(yīng)確定。因此，可以通過以上信息建立反饋控制系統(tǒng)，對(duì)所獲取的反饋信息進(jìn)行處理，從而控制起重小車的運(yùn)行，調(diào)整起重小車運(yùn)行速度，最終實(shí)現(xiàn)控制門式起重機(jī)吊重的偏擺，達(dá)到起重機(jī)吊重減搖目的[5]。

2.2 作業(yè)流程

確定并且求解門式起重機(jī)起重小車吊重?cái)[動(dòng)的力學(xué)模型后，可以建立相應(yīng)的控制系統(tǒng)流程。其中，門式起重機(jī)電子減搖控制系統(tǒng)流程圖如圖 2 所示。

當(dāng)給門式起重機(jī)起重小車的運(yùn)行力學(xué)模型一個(gè)初

始驅(qū)動(dòng)力后，門式起重機(jī)電子減搖控制系統(tǒng)的部分功能會(huì)相應(yīng)輸出起重小車水平位移 x、起重小車速度、吊重偏擺角 θ和吊重偏擺角速度的值，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)自動(dòng)作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)輸出驅(qū)動(dòng)力控制起重小車運(yùn)行速度，同時(shí)將該輸出驅(qū)動(dòng)力反饋給力學(xué)模型，由此門式起重機(jī)電子減搖控制系統(tǒng)會(huì)得到新的并且將其作為新的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如此反復(fù)、循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)小車與吊重的減搖控制。

圖 2 電子減搖控制系統(tǒng)流程圖

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

門式起重機(jī)電子減搖控制系統(tǒng)實(shí)際是智能變頻電子減搖控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，由 4 個(gè)變頻器和 4 個(gè)異步電機(jī)組成，主要通過變頻器控制異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)配以門式起重機(jī)大、小車運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)，以達(dá)到在門式起重機(jī)吊重運(yùn)行過程中減搖的目的。

圖 3 變頻電機(jī)減搖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 技術(shù)原理

門式起重機(jī)電子減搖控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller，PLC) 作為系統(tǒng)整體控制核心，以變頻調(diào)速技術(shù)為依托，直接調(diào)用集成于變頻器中的減搖力學(xué)模型，同時(shí)根據(jù)操作人員的操作指令及起重機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算出能消除起重機(jī)吊重?fù)u擺的起重機(jī)大、小車運(yùn)行速度，再利用現(xiàn)場(chǎng)總線通知變頻器根據(jù)要求速度由電機(jī)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)大、小車運(yùn)行，通過同時(shí)調(diào)整起重機(jī)大、小車的運(yùn)行狀態(tài)，逐步消除門式起重機(jī)吊重的搖擺現(xiàn)象[6]，具體體現(xiàn)在以下 2 個(gè)方面。

（1）由于門式起重機(jī)電子減搖控制系統(tǒng)采用變頻器調(diào)節(jié)輸出力矩，因而其輸出力矩可以在0%～100% 的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，并配以調(diào)節(jié)門式起重機(jī)大、小車運(yùn)行速度，同時(shí)通過“減搖前饋模糊算法”控制方法調(diào)節(jié)輸出減搖力矩及門式起重機(jī)大、小車的運(yùn)行加速度，力求達(dá)到更好的減搖效果[7]。①采用變頻方式進(jìn)行減搖控制，避免力矩電機(jī)控制系統(tǒng)中的諧波干擾、輸出力矩調(diào)節(jié)范圍偏小，以及輸出電壓波形不正弦等問題；②采用異步電機(jī)代替力矩電機(jī)，避免力矩電機(jī)輸出力矩過小的問題。

（2）門式起重機(jī)電子減搖控制系統(tǒng)通過 PLC 采集司機(jī)對(duì)吊車的操作信息、貨物的重量信息和貨物的重心高度等信息，同時(shí)加入加速度傳感器和陀螺儀以采集門式起重機(jī)吊鉤的實(shí)時(shí)狀態(tài)[8]。變頻器中的減搖力學(xué)模型將這些信息匯總后通過 PLC 配以“減搖前饋模糊算法”分別調(diào)節(jié) 4 個(gè)力矩電機(jī)的力矩輸出及門式起重機(jī)大、小車的運(yùn)行變頻器輸出，并且根據(jù)門式起重機(jī)吊重的搖擺程度調(diào)節(jié)起重機(jī)大、小車驅(qū)動(dòng)力的大小和減搖力矩的大小，以達(dá)到更好的減搖效果。

2.5 應(yīng)用效果

目前，北京鐵路局已經(jīng)對(duì)既有 11 臺(tái) 36 t 通用門式起重機(jī)進(jìn)行變頻、電子減搖控制改造。以吊運(yùn) 20英尺集裝箱為例，當(dāng)門式起重機(jī)不帶電子減搖控制系統(tǒng)，起重機(jī)大、小車分別全速運(yùn)行制動(dòng)時(shí)，20英尺集裝箱的擺幅達(dá)到 400～500 mm，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊具擺動(dòng)完全靜止需要耗時(shí)約 90 s，而在給門式起重機(jī)加裝電子減搖控制系統(tǒng)后，相同條件下，起重機(jī)吊具的擺幅不超過 50 mm，并且能夠在 10 s 內(nèi)完全靜止，減少起重機(jī)吊具搖擺幅度達(dá) 90% 以上，單項(xiàng)生產(chǎn)效率提高88%。門式起重機(jī)大車全速制動(dòng)時(shí)，加裝電子減搖控

制系統(tǒng)前后的吊重?cái)[輻效果分別如圖 4、圖 5 所示。

圖 4 加裝電子減搖控制系統(tǒng)前

圖 5 加裝電子減搖控制系統(tǒng)后

3 結(jié)束語

門式起重機(jī)電子減搖控制技術(shù)主要是模仿起重機(jī)司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)，利用系統(tǒng)變頻器中的“減搖前饋模糊算法”，通過調(diào)整門式起重機(jī)大、小車的運(yùn)行狀態(tài)以盡可能減少門式起重機(jī)吊重的偏擺角度。門式起重機(jī)大、小車剛開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以采用中等驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，考慮到門式起重機(jī)在工作過程中可能受繩長(zhǎng)、空氣阻力及其他隨機(jī)因素變化的影響，再配以變頻器控制減搖電機(jī)加大對(duì)門式起重機(jī)吊具搖擺的控制力度，使起重機(jī)吊重略靠后于大、小車；當(dāng)起重機(jī)吊重接近目標(biāo)時(shí)，減少驅(qū)動(dòng)力，使起重機(jī)吊重位于大、小車稍前方；當(dāng)?shù)踔仉x目標(biāo)很近時(shí)，再增大驅(qū)動(dòng)力，使起重機(jī)吊重正好懸于目標(biāo)之上，從而實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)吊運(yùn)貨物的平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)消除門式起重機(jī)制動(dòng)沖擊，減少電氣維護(hù)，降低電能消耗，減小起動(dòng)電流，以及保證門式起重機(jī)裝卸作業(yè)的安全性具有重大意義。

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（責(zé)任編輯 金艷萍）

Research and Application on Electric Anti-rolling Control Technology for Railway Gantry Crane

LIU Qing-yu
(Beijing Loading and Unloading Management Department, Beijing Railway Administration, Beijing 100045, China)

This paper summarizes present situation of anti-rolling control technology for railway gantry crane, and analyses electric anti-rolling control technology from five perspectives of mechanical model, operation procedure, system structure, and technology principle and application effect, and avoids swing phenomenon of gantry crane through applying fuzzy algorithm of anti-rolling for system frequency transformer and adjusting operation status of gantry crane so as to provide

for anti-rolling control of gantry crane.

Gantry Crane; Anti-rolling Control Technology; Mechanical Model

1004-2024(2016)09-0049-05

U294.26

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.09.11

2016-09-02

劉慶漁(1964—)，男，天津人，大學(xué)本科。

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題(2016X007-E)