淺談抓斗過(guò)載保護(hù)在橋式抓斗卸船機(jī)的調(diào)試運(yùn)用

沈世超+黃雷+劉壽恩

摘 要：橋式抓斗卸船機(jī)具有自動(dòng)化程度高、作業(yè)效率快、運(yùn)用范圍廣等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外散貨港口的重要設(shè)備。抓斗系統(tǒng)包含鋼絲繩、卷筒、移動(dòng)小車等機(jī)械機(jī)構(gòu)，也包括變頻系統(tǒng)、稱重傳感單元及PLC等電氣機(jī)構(gòu)，它的穩(wěn)定可靠性對(duì)作業(yè)效率有著直接的影響。而在設(shè)備維護(hù)管理和生產(chǎn)作業(yè)中，抓斗過(guò)載保護(hù)更是有著重要作用。它既是抓斗鋼絲繩、卸扣、連接繩套等設(shè)備的安全保障，也直接關(guān)系到抓取和提升物料的快慢。因此，如何對(duì)橋式抓斗卸船機(jī)的抓斗過(guò)載保護(hù)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：橋式抓斗卸船機(jī)；抓斗過(guò)載保護(hù)；調(diào)試運(yùn)用；

Abstract： Bridge-type grab ship unloader is a type of high automation 、high efficiency and widely used machine， which is also a important equipment in the bulk ports both at home and abroad.Grab system contains the mechanical institutions ，like the steel wire rope、 drum、 moving car agency，it also contains the electrical institutions，like frequency conversion system 、weighing sensor unit and PLC. Its stability and reliability has a direct effect on working efficiency. Grab overload protection play a important role in the equipment maintenance and production operation.It is the security guarantee of grab steel wire rope、shackle、pear shaped rope slings and so on，which is directly related to the speed of material fetching and ascension. However，how to debug and applicate grab overload protection is quite important for the bridge-type grab ship unloader.

神華粵電珠海港煤炭碼頭有限責(zé)任公司有橋式抓斗卸船機(jī)4臺(tái)，額定作業(yè)效率為1800T/H，采用對(duì)雙顎瓣抓斗，系統(tǒng)為四卷筒差動(dòng)補(bǔ)償牽引小車形式。主要作業(yè)船型為7-15萬(wàn)噸散貨船型，作業(yè)煤種較為廣泛，既有神華內(nèi)部各煤種、又有國(guó)外進(jìn)口煤種，因含水率和密度變化較大，故對(duì)單斗作業(yè)量及格柵漏斗通過(guò)率都有不同的影響，也直接關(guān)系著抓斗過(guò)載保護(hù)的調(diào)試設(shè)定。

1抓斗系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1抓斗系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)抓斗為四索雙顎瓣抓斗，其中2根鋼絲繩控制抓斗起升，2根鋼絲繩控制抓斗開閉，在顎瓣兩側(cè)還配備有可拆卸的3級(jí)增容板，便于對(duì)斗容進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，抓斗自重18400kg。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由五臺(tái)安川提供的交流電機(jī)控制，由高速軸齒形聯(lián)軸節(jié)、圓盤制動(dòng)器、行星差動(dòng)減速箱、卷筒軸聯(lián)軸器、單層卷筒、滾動(dòng)軸承座及底架等主要部件組成。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星齒輪減速箱，帶動(dòng)四只獨(dú)立的卷筒，輸入兩組對(duì)應(yīng)的不同旋向的組合運(yùn)動(dòng)，使得抓斗起升、開閉及小車運(yùn)行，既可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，又可以復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn) “三合一”運(yùn)動(dòng)組合。

1.2小車起升、開閉鋼絲繩纏繞及工作原理圖

如圖1所示，抓斗系統(tǒng)4根？42.5鋼絲繩的端頭分別由鋼絲繩壓板固定在卷筒上，其中二根鋼絲繩指向海側(cè)，二根鋼絲繩指向陸側(cè)，它們的另外二端分別經(jīng)海、陸側(cè)端梁上的改向滑輪組，再經(jīng)由主小車的開閉、起升滑輪組，繞向抓斗頭部，與抓斗的起升繩繩套和開閉繩梨形繩套、快速接頭相連接，重量傳感器便安裝于后大梁的過(guò)渡滑輪支座下，為銷軸式傳感器。通過(guò)起升、開閉卷筒的旋轉(zhuǎn)配合，達(dá)到抓斗小車移動(dòng)及抓斗起升開閉的目的。

2抓斗系統(tǒng)的電氣及控制原理

神華珠海港采用的控制系統(tǒng)為日本安川整套控制系統(tǒng)，包含供配電柜、上位機(jī)、安川PLC等，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速輸出或恒加速度輸出等，也可對(duì)加減速的時(shí)間斜坡進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、差動(dòng)減速箱電氣控制及配合，實(shí)現(xiàn)起升運(yùn)動(dòng)、小車牽引運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

與之配套的操作手柄為德國(guó)品牌Spohn+Burkhardt，通過(guò)齒輪嚙合與同軸滑動(dòng)變阻器進(jìn)行匹配，同時(shí)以手柄上觸點(diǎn)判斷起升開閉方向，輸出的模擬量信號(hào)通過(guò)PLC控制變頻器，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩卷筒按照設(shè)定工況進(jìn)行工作，手柄的最大行程設(shè)定的速度即為最大速度。抓斗的起升和開閉位于同一操作手柄，基本行程為十字形布置，同時(shí)，也具有復(fù)合功能，即手柄可以以360度的圓面旋轉(zhuǎn)，同時(shí)輸出起升和開閉指令。按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，抓斗卸船機(jī)設(shè)計(jì)調(diào)試為恒加速度控制模式，即當(dāng)手柄指令輸出時(shí)，無(wú)論此時(shí)抓斗處于何種狀態(tài)，都以同一數(shù)值的加速度進(jìn)行加速或減速。在實(shí)際作業(yè)中，抓斗由靜止到最大速度150m/min用時(shí)為3.3s，加速度即為0.7576m/s2。

3抓斗過(guò)載保護(hù)的調(diào)試運(yùn)用

3.1銷軸式壓力傳感器的工作原理及校正測(cè)試方案

卸船機(jī)使用的銷軸式壓力傳感器采用德國(guó)Tecsis品牌，型號(hào)為F5308，工作量程為0.5噸到300噸，綜合誤差為≤±1%，輸出為4～20ma的模擬量，總計(jì)2個(gè)，分別安裝于后大梁的起升、開閉鋼絲繩的過(guò)渡滑輪支座下。在抓斗閉合時(shí)，四根鋼絲繩完全受力，滑輪中的銷軸傳感器示數(shù)總和即為抓斗（含鋼絲繩）及抓斗物料的重量。因此在實(shí)際使用中，如何確保在量程范圍內(nèi)的線性，是提升計(jì)量精度的關(guān)鍵，也是確保過(guò)載保護(hù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。在標(biāo)定計(jì)量過(guò)程中，根據(jù)線性方程y=kx+b.確定斜率k和偏移量b，再與4～20ma的模擬量相對(duì)應(yīng)即可。

首先，將抓斗完全放入卸船機(jī)漏斗格柵，再緩慢動(dòng)作開閉及起升卷筒，將4根鋼絲繩繼續(xù)下放，直到達(dá)到松弛狀態(tài)，這時(shí)，后大梁到移動(dòng)小車的鋼絲繩將不再受力，受力由大梁上的水平托輥承受，唯一受力為卷筒出繩處到后大梁卷筒處，滑輪此時(shí)受力總重約0.1t，遠(yuǎn)小于產(chǎn)品本身的±1%誤差，所以在實(shí)際操作中，可直接以0.1噸作為標(biāo)記，對(duì)應(yīng)輸出電流為4ma。值得注意的是，此時(shí)的狀態(tài)并非作業(yè)時(shí)的狀態(tài)，僅作為最終計(jì)算式的參考，不作為實(shí)際標(biāo)定調(diào)數(shù)。

然后將抓斗閉合提升，提升至最高處保持靜止，使得四根鋼絲繩受力，此時(shí)傳感器顯示總數(shù)應(yīng)為抓斗空斗重量18.6噸（含鋼絲繩及附件重量約0.2噸）。此時(shí)的數(shù)值進(jìn)行記錄，作為一次函數(shù)的起點(diǎn)。

將抓斗下方至碼頭面適當(dāng)高度，利用抓斗的吊取清倉(cāng)推耙機(jī)的吊點(diǎn)，將標(biāo)定集裝箱通過(guò)吊索具與抓斗連接，此時(shí)集裝箱中應(yīng)放上砝碼，集裝箱總重為最大抓取物料量時(shí)的抓斗重量，現(xiàn)場(chǎng)為32.9t（含吊索具重量約0.1噸）。記錄此時(shí)的數(shù)據(jù)，作為一次函數(shù)的終點(diǎn)。

再下放標(biāo)定集裝箱至碼頭面上，依次將內(nèi)部砝碼取出，現(xiàn)場(chǎng)砝碼共6塊，為鋼結(jié)構(gòu)包含混泥土塊形式，每塊重約5噸。每取出一塊，重復(fù)空斗時(shí)的操作，進(jìn)行測(cè)量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，此項(xiàng)操作應(yīng)重復(fù)進(jìn)行5次。在每移出一塊砝碼再標(biāo)定的過(guò)程中，必須調(diào)整砝碼分布，確保集裝箱在的吊裝過(guò)程中保持平衡，四根鋼絲繩才能受力均衡。

測(cè)試完成后，根據(jù)記錄的8組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析（其中一組為對(duì)比參考）?？衫胑xcel表中的趨勢(shì)線算法或者Origin等軟件，進(jìn)行多點(diǎn)擬合一元一次方程。其中，計(jì)算公式如下：

設(shè)直線為y=kx+b，已知的7個(gè)點(diǎn)為（xi，yi），i=1...7。

記x'=（x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7）/7， y'=（y1+y2+y3+y4+y5+y6+y7）/7為平均數(shù)，則多點(diǎn)擬合的一元一次方程結(jié)果為：

k=∑（|xi-x'|）（|yi-y'|）/∑（|xi-x'|）^2；

y'=kx'+b。

最后根據(jù)得出的方程，對(duì)實(shí)際重量和4～20ma的模擬量電流進(jìn)行保存標(biāo)定即可。

3.2抓斗過(guò)載保護(hù)的設(shè)定及程序優(yōu)化

3.2.1過(guò)載保護(hù)的分析

在作業(yè)過(guò)程中，由于煤種及含水量等不同，以及操作人員水平的差異，每一抓斗的重量有著較大的不同，過(guò)載保護(hù)的最大意義在于對(duì)鋼絲繩以及連接梨形繩套、快速卸扣的保護(hù)，避免抓斗移動(dòng)和提升過(guò)程中，沖擊載荷導(dǎo)致鋼絲繩斷裂和連接件損壞，發(fā)生各種安全事故。

通過(guò)變頻器控制及手柄操作的速度配合原理可知，抓斗提升為勻加速度過(guò)程，所以在過(guò)載保護(hù)的設(shè)計(jì)中，滿足最大極端工況下即可。即最大抓取量下，采用手柄可達(dá)到的恒加速度，從靜止抓取到最大速度，再勻速上升的過(guò)程中，相關(guān)設(shè)備均在安全范圍內(nèi)。計(jì)算過(guò)程如下：

靜止?fàn)顟B(tài)下，最大抓取量下的總重量：G=32.8+18.4+0.2=51.4噸

其中，抓斗自重18.4噸，鋼絲繩卸扣重量0.2噸，最大抓取量32.8噸。

滿足勻加速度下的所需出力：F=G×A=51.4t×0.7576m/s2=38.9噸。

四根起升開閉鋼絲繩的總拉力：T=G+F=51.4+38.9=90.3噸。

平均單根鋼絲繩所受最大拉力：T單=90.3/4=22.58噸=221.3KN。（g取9.8m/s2）

3.2.2鋼絲繩的強(qiáng)度校核

現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼絲繩為抗拉強(qiáng)度為1770MPa的鋼絲繩芯鋼絲繩，型號(hào)為IWRC 6×WS（36）左/右旋，直徑42.5mm。鋼絲繩的最小破斷力為1230KN。按照鋼絲繩使用安全系數(shù)推薦標(biāo)準(zhǔn)（抓斗吊機(jī)上的控制鋼繩建議采用為4-5），對(duì)鋼絲繩進(jìn)行校核。

現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼絲繩為抗拉強(qiáng)度為1770MPa的鋼絲繩芯鋼絲繩，型號(hào)為IWRC 6×WS（36）左/右旋，直徑42.5mm，最小破斷力為1230KN。因此，平均單根鋼絲繩的實(shí)際安全系數(shù)N=1230/221.3=5.56>5。由此可知，在最大載重量下，按照設(shè)計(jì)加速度，鋼絲繩強(qiáng)度滿足使用需求。

3.2.3過(guò)載保護(hù)程序的設(shè)計(jì)

在實(shí)際操作過(guò)程中，當(dāng)抓斗打開后開始下降時(shí)，提升卷筒動(dòng)作，這個(gè)過(guò)程是由2根起升鋼絲繩受力，當(dāng)打開的抓斗放至煤炭表面上后，開閉卷筒動(dòng)作，抓斗逐漸閉合，抓取物料，這時(shí)開閉鋼絲繩受力也逐漸加大，直至抓斗完全閉合，完全開始起升后，最終達(dá)到4根鋼絲繩受力的理想狀態(tài)。

由于全程是動(dòng)態(tài)過(guò)程，除了煤種、含水率等、抓取位置等多種客觀因素外，還有操作人員水平、視線問(wèn)題等主觀因素。所以抓取過(guò)程中，鋼絲繩受力始終處于不規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。鋼絲繩的最大沖擊是在最大抓取量下，將手柄打至最大速度的極限位置，全速提升抓斗。這時(shí)的最大沖擊時(shí)間約出現(xiàn)在操作手柄指令輸出后的1秒左右，此時(shí)的受力數(shù)值和理論計(jì)算值接近，所以，設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)的程序?yàn)椋翰僮髦噶钶敵龊蟮牡?秒，兩個(gè)傳感器之和（即總測(cè)量值）受力不超過(guò)最大靜止載荷的176%，即T/G=90.3t/51.4t=176%。

在提升階段，由于達(dá)到最大速度150m/min用時(shí)為3.3s，為實(shí)現(xiàn)3.3秒時(shí)勻速提升，變頻控制系統(tǒng)已經(jīng)提前控制轉(zhuǎn)矩，拉力T也隨之減小，考慮在1～3秒起升的過(guò)程中，力矩變化較為復(fù)雜，因此，只需設(shè)定在即將到達(dá)最大速度時(shí)，即操作指令輸出后的第3秒，兩個(gè)傳感器之和（即總測(cè)量值）受力不超過(guò)最大靜止載荷的150%。

在穩(wěn)定提升過(guò)程與到達(dá)適合高度位后的減速過(guò)程時(shí)，變頻控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩較為穩(wěn)定，即使出現(xiàn)停止手柄指令輸出的情況，拉力T變化也不會(huì)太大，即滿足操作指令輸出后的第5秒，兩個(gè)傳感器之和（即總測(cè)量值）受力不超過(guò)最大靜止載荷的125%。

這樣，即可在鋼絲繩的正常載荷與安全系數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)抓斗作業(yè)的過(guò)載起到有效地保護(hù)作用，一旦兩個(gè)傳感器之和（即總測(cè)量值）超過(guò)設(shè)計(jì)程序的范圍，聯(lián)鎖抓斗起升的控制條件，禁止起升，同時(shí)報(bào)出過(guò)載故障。為了更好保護(hù)鋼絲繩及連接鏈條，快速卸扣等部件，在程序中還應(yīng)加入斷繩保護(hù)設(shè)定，即起升過(guò)程作業(yè)時(shí)，每個(gè)傳感器數(shù)值不能突變?yōu)?。

4過(guò)載保護(hù)的運(yùn)用及探索

在過(guò)載保護(hù)的調(diào)試運(yùn)用當(dāng)中，還應(yīng)該充分考慮作業(yè)過(guò)程中的機(jī)械震動(dòng)對(duì)傳感器精度造成的影響，尤其是下料漏斗震動(dòng)放料器的諧振影響。同時(shí)，因?yàn)閭鞲衅骶O(shè)立在大臂后梁滑輪銷軸處，抓取物料后，小車往后大梁移動(dòng)時(shí)，雖然大梁通過(guò)小車承受了部分滿載抓斗的重量，但是后大梁的銷軸傳感器同樣受到加速度的影響，會(huì)存在報(bào)出過(guò)載故障的情況，因此，在設(shè)定完成后，還需要反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)小車移動(dòng)速度或過(guò)載報(bào)警倍率進(jìn)行優(yōu)化。

此種過(guò)載保護(hù)同樣適用于橋吊、門機(jī)及其他各項(xiàng)鋼絲繩起重機(jī)械中，能夠?qū)υO(shè)備起到更加全面的保護(hù)作用。

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