臺(tái)塑480/80 t 鑄造起重機(jī)結(jié)構(gòu)型式和性能特點(diǎn)

周繼紅

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

臺(tái)塑河靜鋼鐵公司（全文簡(jiǎn)稱臺(tái)塑）在越南河靜省上馬了300 t 轉(zhuǎn)爐設(shè)備以及配套的連鑄機(jī)設(shè)備。用戶要求提供與此煉鋼設(shè)備配套的為轉(zhuǎn)爐兌鐵水和吊運(yùn)鋼水包用的480 t 鑄造起重機(jī)，同時(shí)要求該批起重機(jī)采用CMAA （Crane Manufacture's Association of America，Inc.美國(guó)起重機(jī)制造商協(xié)會(huì)）作為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

針對(duì)用戶的要求在起重機(jī)使用何種結(jié)構(gòu)型式的問題上，通過分析比較四梁六軌與四梁四軌橋架；上下雙層主小車與整體主小車；行星三減速器、行星大減速器、高速軸同步獨(dú)立大減速器和低速軸同步整體結(jié)構(gòu)減速器的優(yōu)缺點(diǎn)，最后確定采用上下雙層主小車、主起升三減速器（中央行星減速器）的結(jié)構(gòu)組合。在電氣控制方面，采用當(dāng)時(shí)起重機(jī)設(shè)計(jì)上最為先進(jìn)的能量回饋式全變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 主要技術(shù)參數(shù)

跨度：21.7 m；額定起質(zhì)量（主起升）：480 t 副起升80 t；起升高度（主起升）：31 m 副起升38 m；起升速度（主起升、副起升）：1.0～10 m/min；大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：9～90 m/min；主小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：4.0～40 m/min；副小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)：4.0～40 m/min；工作級(jí)別：CMAAF 級(jí)；大車軌道：CR100；大車最大輪壓：630 kN；電源：三相三線+PE 線AC6 000 V50 Hz；操作方式：司機(jī)室控制。

2 結(jié)構(gòu)型式和性能特點(diǎn)

該鑄造起重機(jī)主要由橋架、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、480 t主小車、80 t 副小車以及電控設(shè)備等組成，該起重機(jī)總體布置圖見圖1。其主要特征：四梁六軌橋架、上下部雙層主小車和主起升三減速器（中央行星減速器）的結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn)，具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、分組性好、結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)點(diǎn)[1]。

圖1 鑄造起重機(jī)總圖

2.1 橋架

起重機(jī)橋架為四梁六軌結(jié)構(gòu)型式，其主要由兩根外主梁、兩根內(nèi)主梁和鉸接端梁等部件組成，其結(jié)構(gòu)型式見下頁(yè)圖2。外主梁采用寬翼緣偏軌箱形結(jié)構(gòu)，中間部分布置成電氣室，其內(nèi)安裝電控和空調(diào)裝置，內(nèi)主梁采用寬翼緣雙偏軌箱形結(jié)構(gòu)。主梁的設(shè)計(jì)計(jì)算嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，保證在垂直、水平和扭轉(zhuǎn)載荷作用下，具有很好的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。為減小小車輪壓對(duì)受力腹板的局部擠壓應(yīng)力，在各個(gè)小車軌道的下方采用“T”型鋼，避免了此處受力較大的角焊縫，并相應(yīng)的降低了應(yīng)力值。內(nèi)外主梁在端部采用鉸接結(jié)構(gòu)，內(nèi)主梁之間用拉桿進(jìn)行連接，解決了剛性橋架的超靜定問題[2]。

此種橋架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1）由四根主梁同時(shí)承受主小車載荷，使主梁的截面尺寸和自重大大減少，由于采用“T”型鋼結(jié)構(gòu)使得原有的對(duì)接焊縫下移，降低了此處焊縫所承受的應(yīng)力，同時(shí)降低了制造、運(yùn)輸成本和整體結(jié)構(gòu)安裝的難度。

2）采用鉸接式端梁使車輪之間的距離拉大，改善了廠房受力情況，為用戶廠房建設(shè)降低了制造成本，同時(shí)鉸接結(jié)構(gòu)解除了橋架結(jié)構(gòu)中的多余約束，延長(zhǎng)了鋼結(jié)構(gòu)壽命，保證了設(shè)備的安全使用。

圖2 橋架總圖

2.2 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、制動(dòng)器、萬向聯(lián)軸器、車輪組等部件組成。減速器是專為大噸位起重機(jī)而設(shè)計(jì)的，高速軸為單輸入而低速軸為雙出軸，這樣整車驅(qū)動(dòng)輪的數(shù)量增加為8 個(gè)，不會(huì)發(fā)生起動(dòng)打滑的現(xiàn)象。起重機(jī)一側(cè)軌道使用窄踏面車輪，另一側(cè)使用寬踏面車輪，靠單側(cè)輪緣導(dǎo)向解決車輪啃軌問題。窄踏面的大車車輪輪緣處設(shè)置石墨干式連續(xù)輪緣潤(rùn)滑器，改善車輪與軌道間的磨損情況，延長(zhǎng)車輪的使用壽命。

2.3 主小車

2.3.1 小車架

主小車由一個(gè)上部小車和兩個(gè)下部小車組成。上、下部小車通過四個(gè)球鉸連接成一體，其結(jié)構(gòu)型式見圖3。上部小車上設(shè)有起升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分和卷筒裝置，下部小車上設(shè)有上滑輪裝置以及主小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。上部小車架的跨度雖然大，但是僅承擔(dān)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)器、卷筒等零部件的自身質(zhì)量，以及卷筒上鋼絲繩的載荷。因此，上部小車架跨度大受力小，變形也就小了很多。下部小車架上安裝了兩套上滑輪裝置，除了承擔(dān)了上部小車架的全部力以外，還承擔(dān)了上滑輪裝置的全部力，受力很大，但是下部小車跨度小、剛性大，產(chǎn)生變形很小，所以不會(huì)對(duì)主起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。這種組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是受力合理、自身質(zhì)量輕、制造、檢修容易。為了便于運(yùn)輸，上部小車架加工完成后，分成三段并用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，運(yùn)輸時(shí)拆解開以降低運(yùn)輸成本[2-3]。

2.3.2 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、帶制動(dòng)盤聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器、卷筒和上滑輪裝置等主要部件組成。其工作原理是由2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)行星齒輪減速器的2個(gè)高速軸，在行星齒輪減速器的2 個(gè)低速軸上通過萬向聯(lián)軸器帶動(dòng)2 個(gè)減速器。2 個(gè)減速器分別通過卷筒聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)2 個(gè)卷筒，在每個(gè)卷筒上安裝有一套安全制動(dòng)器裝置。在每一套電動(dòng)機(jī)的高速軸上設(shè)置2 套工作制動(dòng)器，每一個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩足以制動(dòng)住整個(gè)起升機(jī)構(gòu)的額定載荷。主起升采用三減速器行星結(jié)構(gòu)，其中1 臺(tái)電機(jī)故障情況下，另1 臺(tái)電機(jī)能以額定速度的1/2 長(zhǎng)期滿負(fù)荷工作。

圖3 主小車總圖

2.4 副小車

副小車為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，由小車架、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和80 t 副起升機(jī)構(gòu)等部件組成，結(jié)構(gòu)型式見圖4。

圖4 副小車總圖

3 電氣控制部分

1）在大型鑄造起重機(jī)上采用先進(jìn)的全變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)，其傳動(dòng)控制采用IGBT 整流回饋（ISU）+逆變器+電動(dòng)機(jī)的方式，其特點(diǎn)是將制動(dòng)的能量由原來的電阻器消耗變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)二次利用，全車無電阻器消耗電能，符合節(jié)能環(huán)保原則。

2）變頻器的全數(shù)字式參數(shù)設(shè)定保證了裝置參數(shù)設(shè)定的唯一性和裝置間參數(shù)設(shè)定的一致性，雙電機(jī)雙裝置硬軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過DDCS 通訊主從控制，實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)輸出力矩均衡，對(duì)機(jī)械設(shè)備的同步性、機(jī)械特性有重大的改善。各種功能軟件包的靈活調(diào)用，多種保護(hù)功能，都給使用者提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方便性和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性。

3）起重機(jī)的人機(jī)工程方面采用了管理、控制、設(shè)備三層相結(jié)合的方式。最上層管理層為綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，內(nèi)裝基于中文操作平臺(tái)的起重機(jī)監(jiān)控軟件。通過TCP/IP 與PLC 間的通訊獲取所需信息，完成運(yùn)行狀態(tài)的圖形顯示、故障顯示、報(bào)警、記錄、報(bào)表管理等。中間層即控制層為ABB 公司AC800M 系列PLC，它是該系統(tǒng)的控制核心，主要由CPU 單元、開關(guān)量輸入輸出模塊、通訊模塊等組成。開關(guān)量輸入模塊接受司機(jī)室的控制命令及各機(jī)構(gòu)監(jiān)控信號(hào)，開關(guān)量輸出模塊是將PLC 程序?qū)斎胄盘?hào)處理結(jié)果生成控制命令去控制各機(jī)構(gòu)制動(dòng)器及接觸器的動(dòng)作等。PLC 通過Modbus/Profibus DP 總線方式與各機(jī)構(gòu)的所有變頻器相連，實(shí)現(xiàn)PLC與變頻裝置間的通訊，PLC 將獲取變頻器的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。同時(shí)PLC 通過Modbus/Profibus-DP總線下載速度給定及其他參數(shù)設(shè)定值，激活不同的功能軟件包，完成數(shù)據(jù)組的切換等。下層設(shè)備層為變頻器調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，所有的變頻器通過各自的通訊板掛在Profibus DP/Modbus 網(wǎng)上，接受PLC 統(tǒng)一的控制與管理，但是對(duì)于調(diào)速性能的保證則完全取決于變頻器本身的性能特性及多電機(jī)傳動(dòng)時(shí)裝置間的合理配置，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。

4）全車通訊控制方面采用先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)、Modbus/Profibus DP 網(wǎng)以及DDCS 等通訊方式。

5）在電氣室布置方面，安裝了溫濕度傳感器，對(duì)電氣室的多塵環(huán)境及溫度、濕度作了充分應(yīng)對(duì)控制。

6）在電氣室設(shè)有觸摸式的工業(yè)計(jì)算機(jī)隨時(shí)記錄、保存整個(gè)起重機(jī)設(shè)備的信息，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔、打印等作業(yè)，對(duì)于起重機(jī)的維護(hù)、運(yùn)行狀態(tài)以及故障分析提供可靠數(shù)據(jù)。設(shè)在司機(jī)室的觸摸式的HMI，方便操作人員對(duì)起重的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行位置、故障信息及時(shí)的了解。

4 結(jié)語(yǔ)

該起重機(jī)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、自身質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便、易檢修、安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，它的成功研制標(biāo)志著太原重工股份有限公司大型鑄造起重機(jī)的設(shè)計(jì)、制造水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

2015 年臺(tái)塑河靜鋼廠480 t 鑄造起重機(jī)進(jìn)行了型式試驗(yàn)，在隨后的運(yùn)行中，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，完全能滿足鋼廠轉(zhuǎn)爐、精煉及連鑄設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)要求，為臺(tái)塑河靜鋼廠創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。