橋式起重機(jī)緊急停止系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探究

劉旌

摘要：橋式起重機(jī)由于其負(fù)載大，工況復(fù)雜，因此需要對(duì)緊急停止系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文先討論了橋式起重機(jī)緊急停止系統(tǒng)的必要性，而且還介紹了橋式起重器的制動(dòng)機(jī)理，分別從機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩個(gè)方面對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了論述，并在最后提出惡劣緊急停止系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，為橋式起重機(jī)的緊急停止系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī);緊急停止;系統(tǒng)控制

中圖分類號(hào)：TH215? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0153-02

0? 引言

橋式起重機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，吊重相對(duì)較大，尤其在緊急或特定氣象狀況導(dǎo)致非常嚴(yán)重的特殊事故，需要進(jìn)行緊急停機(jī)制動(dòng)。一般情況下，失效保護(hù)機(jī)制安裝在起重機(jī)低速軸的末端，有別于日常制動(dòng)器，專門作為失效保護(hù)緊急安全制動(dòng)器執(zhí)行緊急停止命令。因此對(duì)橋式起重機(jī)緊急停止系統(tǒng)設(shè)計(jì)的展開研究是很有意義的。

橋吊的主要適用環(huán)境為集裝箱碼頭，安裝位置常見在岸邊，對(duì)集裝箱進(jìn)行裝卸，是海港、碼頭等主要的運(yùn)輸設(shè)備，起到連接海陸的橋梁作用。因此橋吊的運(yùn)作是海港碼頭的核心，其工作的效率很大程度影響著整個(gè)集裝箱碼頭運(yùn)作能力。如圖1所示為日常的橋吊結(jié)構(gòu)，其起升應(yīng)急制動(dòng)器的安裝位置在卷筒處，這里的卷筒的作用是收集起升鋼絲繩，制動(dòng)器主要通過(guò)電磁閥和液壓系統(tǒng)共同控制。正常時(shí)，電磁閥是沒(méi)有進(jìn)行通電的，制動(dòng)器是打開狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生緊急情況或者意外事故需要進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，電磁閥就會(huì)通過(guò)斷電處理使得應(yīng)急制動(dòng)器開始進(jìn)行制動(dòng)，保證機(jī)械設(shè)備的安全。如果在此過(guò)程中電磁控制與機(jī)械制動(dòng)不同步就會(huì)使得制動(dòng)器發(fā)生故障，影響其正常運(yùn)作。

1? 橋式起重機(jī)制動(dòng)機(jī)理

橋式起重機(jī)的主要組成有三大部分，第一部分為橋架結(jié)構(gòu)，第二部分運(yùn)行機(jī)構(gòu)和第三部分電氣控制。其主要作用機(jī)制是利用升降機(jī)構(gòu)調(diào)運(yùn)吊重，起重小車在軌道上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)吊重的空間移動(dòng)。制動(dòng)機(jī)制主要有兩種，第一種為機(jī)械制動(dòng)，第二種為電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)是通過(guò)制動(dòng)器配合液壓系統(tǒng)和電磁控制來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的制動(dòng)方式。電氣制動(dòng)具體可以分為三種形式。一是反接制動(dòng)，就是利用切換電源相序的方式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。二是能耗制動(dòng)，是指在電機(jī)定子繞組通入直流電流，利用電磁感應(yīng)作用實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。三是再生制動(dòng)，是將電動(dòng)機(jī)切換成發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)慣性力矩，將一其他能量?jī)?chǔ)存為電能并，并且實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的過(guò)程[1]。橋吊起升應(yīng)急制動(dòng)器系統(tǒng)主要是由液壓站和制動(dòng)器兩個(gè)部分控制，而液壓電磁的運(yùn)作又會(huì)受到PLC控制，因此緊急制動(dòng)系統(tǒng)主要有機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和電氣制動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)由液壓站-制動(dòng)盤構(gòu)成，電氣制動(dòng)系統(tǒng)由PLC控制。

2? 機(jī)械控制制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 制動(dòng)器的選擇

通常來(lái)說(shuō)，制動(dòng)器可以分為鼓式、盤式、帶式和蹄式四種類型的制動(dòng)器。一般情況下，橋式起重機(jī)的工作制動(dòng)器為鼓式制動(dòng)器，這是因?yàn)閷?duì)于起重機(jī)械而言蹄式制動(dòng)器屬于內(nèi)脹式并不適用，通常在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的使用比較廣。而盤式和帶式制動(dòng)器都可以用來(lái)當(dāng)做失效保護(hù)緊急安全制動(dòng)器，在這里通常情況下也是選擇盤式制動(dòng)器，這是因?yàn)榫o急制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，帶式制動(dòng)器由于其結(jié)構(gòu)特征的原因散熱性不好，但是盤式制動(dòng)器其結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行很好的散熱，而且盤式制動(dòng)器受到的制動(dòng)力是軸向力，因此制動(dòng)軸不會(huì)受到彎曲載荷的作用。而且盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片摩擦接觸形式為平面接觸，容易磨合，可以忍受相對(duì)比較大的熱量。因此綜合考慮采用鼓式制動(dòng)器作為工作制動(dòng)器，盤式制動(dòng)器作為緊急安全制動(dòng)器[2-3]。

2.2 盤式制動(dòng)器制動(dòng)機(jī)制分析

橋式起重機(jī)在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中電磁閥會(huì)執(zhí)行斷電操作，是動(dòng)能轉(zhuǎn)換為摩擦功的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，摩擦涵蓋了兩個(gè)方面的摩擦，一是導(dǎo)軌與滑輪的滑動(dòng)摩擦，二是制動(dòng)器裝置的制動(dòng)摩擦。

通常情況下，需要已知初始速度和制動(dòng)加速度進(jìn)行制動(dòng)范圍的設(shè)計(jì)[4-5]，因此制動(dòng)距離可以由下式計(jì)算：

3? 電氣控制制動(dòng)系統(tǒng)

起重機(jī)的電氣控制可以分為供電、配電保護(hù)、驅(qū)動(dòng)、控制及故障監(jiān)控四部分。為了能夠及時(shí)的執(zhí)行緊急制動(dòng)，橋式起重機(jī)的供電系統(tǒng)需要安置一個(gè)或多個(gè)電源切斷裝置，進(jìn)行多重保護(hù)，來(lái)確保能夠使起重機(jī)進(jìn)行正常的供斷電，而且能夠在特殊情況下及時(shí)的斷開應(yīng)急電源。其開關(guān)類型有兩種形式，一是斷路器，二是接觸器。而且一般情況下采用兩種方式供電，有正常工作電路和應(yīng)急工作電路，如果突然失去電力，應(yīng)急電源同樣可以確保起重機(jī)的正常運(yùn)作。

起重機(jī)的供電系統(tǒng)由三部分組成，分別有驅(qū)動(dòng)、控制和照明類型的電源。驅(qū)動(dòng)電源由電源控制柜內(nèi)的主開關(guān)控制，控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。控制電源通常負(fù)責(zé)各個(gè)控制回路的供電，確保在主電源失電時(shí)，控制回路依舊可以工作。照明電源則是進(jìn)行日常照明和相關(guān)需要光照的電器使用。針對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)，起重機(jī)的配電保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)γ恳粋€(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行短路和過(guò)載保護(hù)。短路保護(hù)通常使用速熔熔斷器或選用熱磁斷路器進(jìn)行保護(hù)，這是為了防止電路故障瞬間產(chǎn)生大電流造成設(shè)備損壞和嚴(yán)重事故。過(guò)載保護(hù)通常使用熱繼電器進(jìn)行保護(hù)，這是為了防止超載造成總電流超過(guò)額定電流，過(guò)載保護(hù)及時(shí)斷電，防止導(dǎo)線和電氣等受到損壞。起重機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般通過(guò)凸輪控制器和控制變頻器來(lái)共同控制和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，主要設(shè)施為控制柜。凸輪控制器直接控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止，因此需要凸輪控制器要具有操作應(yīng)靈活輕便、工作可靠、觸頭接觸良好等一系列優(yōu)點(diǎn)。變頻器因?yàn)槠渚哂袉?dòng)力矩大、運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)行效率相對(duì)較高的特點(diǎn)，相比較于變極調(diào)速、滑差調(diào)速、交流串極調(diào)速等，具有更好的控制能力和精確性。電機(jī)通常選用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，主要因?yàn)槠饎?dòng)力矩大，起動(dòng)平穩(wěn)，能夠適應(yīng)頻繁起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、停止等日常運(yùn)作的需求。

橋式起重機(jī)的控制核心為PLC，具體的控制部件有CPU、傳輸模塊及模擬模塊等。CPU可以連續(xù)監(jiān)控該系統(tǒng)的功能是否正常，傳輸模塊可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與操作室的信號(hào)連接，命令的執(zhí)行可以得到及時(shí)的反饋。利用其豐富的功能指令進(jìn)行編程，能夠發(fā)現(xiàn)并記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件。其中的模塊化無(wú)底板設(shè)計(jì)，更加便于擴(kuò)展，具有很高的普適性。

4? 橋式起重機(jī)緊急停止系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)械保護(hù)

俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)在機(jī)器房，主要由電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、制動(dòng)器、卷筒、低速軸盤式制動(dòng)器以及超速保護(hù)裝置、限位保護(hù)裝置及角度位置編碼器等組成。俯仰超速保護(hù)是前大梁俯仰速度超速時(shí)使機(jī)構(gòu)停止工作的安全裝置：超速保護(hù)，裝在電機(jī)的另一出軸端上，速比1：1，當(dāng)俯仰機(jī)構(gòu)的速度達(dá)到額定速度的115%時(shí)，使電機(jī)停止工作，并使盤式制動(dòng)器和低速級(jí)制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)，保證前大梁的俯仰安全。

在確保大梁能夠進(jìn)行正常工作運(yùn)作，在這里進(jìn)行兩方面的制動(dòng)設(shè)置，一是高速端液壓盤式制動(dòng)器，二是低速端液壓盤式制動(dòng)器。在緊急情況下，當(dāng)前大梁俯仰超速，速度達(dá)到額定速度的1.15倍時(shí)，通過(guò)緊停按鈕或超速馬達(dá)動(dòng)作，使得兩個(gè)制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)，確保安全。

4.2 電氣控制保護(hù)

自動(dòng)急停保護(hù)裝置的具體特征是利用電流收集信號(hào)，進(jìn)而傳輸至終端，并進(jìn)行邏輯判斷。通過(guò)控制電流信號(hào)采集電路采集接觸器線圈電流斷開信號(hào)，以此作為負(fù)載電流延時(shí)斷開的起點(diǎn);通過(guò)負(fù)載電流信號(hào)采集電路采集接觸器負(fù)載端電流斷開信號(hào)，以此作為負(fù)載電流延時(shí)斷開的終點(diǎn);通過(guò)邏輯判斷電路將負(fù)載電流延時(shí)斷開的時(shí)間，與電路預(yù)先設(shè)定的延時(shí)時(shí)間值進(jìn)行比較，當(dāng)前者大于后者時(shí)驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)脫扣器使與之相連的開關(guān)斷開主電源;當(dāng)前者小于后者時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路不動(dòng)作。

5? 結(jié)論

隨著橋式起重機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，其工作安全要求也會(huì)隨之提高，因此對(duì)橋式起重機(jī)緊急停止的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行更加深入的研究，而且不僅僅只考慮到制動(dòng)控制，需要從橋式起重機(jī)的工作環(huán)境、整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)備等因素進(jìn)行綜合性的考慮設(shè)計(jì)，才能構(gòu)造具有整體效能的制動(dòng)控制系統(tǒng)，更能有力度的保障起重機(jī)械的安全性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李海洋.起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)及上車布局優(yōu)化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連海事大學(xué)，2012.

[2]梁俏冰.起重機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)的緊急停止功能[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2002（5）：24-25.

[3]解振宇.淺論電動(dòng)單梁起重機(jī)緊急停止開關(guān)[J].中外企業(yè)家，2015（15）：209，211.

[4]胡江林.橋式起重機(jī)抱閘開閉控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，19（3）：32-35.

[5]楊亞林.橋式起重機(jī)大車制動(dòng)系統(tǒng)分析[J].建筑機(jī)械化，2014（6）：52-53.