焙砂起重機(jī)

山起重型機(jī)械股份公司技術(shù)中心 青州 262515

0 引言

焙砂起重機(jī)用于周期性的吊運(yùn)鎳鉻冶煉的焙砂料罐，自行選擇加料口，向特定的電爐料倉(cāng)中輸送熱焙砂，以此循環(huán)作業(yè)，要求具備中控室全自動(dòng)、操作室人工、遙控控制等3種方式，實(shí)現(xiàn)焙砂起重機(jī)自動(dòng)定位、掛鉤、脫鉤、行走的周期性循環(huán)作業(yè)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)起重機(jī)絕大多數(shù)依靠操作員的手動(dòng)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)吊運(yùn)過(guò)程，自動(dòng)化程度低，影響工作效率，增加了勞動(dòng)力成本。起重機(jī)高精度、高智能化、自動(dòng)化已成為趨勢(shì)，而焙砂起重機(jī)的生產(chǎn)效率和可靠性對(duì)企業(yè)的產(chǎn)量和產(chǎn)品的質(zhì)量有直接影響。

1 起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)

該機(jī)的起重量為32 t+5 t（在主梁下加裝5 t電動(dòng)葫蘆，用于檢修、提升電極糊和電極殼），跨度為22.5 m，起升高度為40 m（主鉤），葫蘆起升為40 m，工作制度為A8（重級(jí)），主起升速度為30 m/min（高速上升）、12 m/min（中速上升）、40 m/min（高速下降）、3 m/min（低速下降）。

2 起重機(jī)適用工況

該機(jī)適用工況為環(huán)境溫度-32℃～40℃，起重機(jī)年工作小時(shí)數(shù)大于7 008 h，全年長(zhǎng)期、頻繁起吊額定載荷，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間率滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境。

3 起重機(jī)的主要工作任務(wù)指標(biāo)

實(shí)現(xiàn)焙砂起重機(jī)自動(dòng)定位、掛鉤、脫鉤、行走的周期性循環(huán)作業(yè)。

4 整機(jī)構(gòu)成特點(diǎn)

起重機(jī)采用雙梁雙軌單小車(chē)結(jié)構(gòu)，主要由橋架、小車(chē)、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備等構(gòu)成。

1）橋架

采用雙主梁結(jié)構(gòu)形式，由兩根主梁、兩根端梁組成。主梁為箱形結(jié)構(gòu)梁，主梁、端梁等主要承載件采用Q345B鋼板。

2）小車(chē)

主要由32 t主起升機(jī)構(gòu)、主梁下加裝電動(dòng)葫蘆5 t起升機(jī)構(gòu)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車(chē)架及加裝固定在小車(chē)上的剛性導(dǎo)向架組成。

32 t主起升機(jī)構(gòu)采用雙機(jī)構(gòu)（兩臺(tái)電機(jī)、單臺(tái)行星減速器雙輸入雙輸出、兩個(gè)卷筒、4套制動(dòng)器）形式，正常時(shí)兩套機(jī)構(gòu)同時(shí)工作；當(dāng)有一臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)能保證完成一個(gè)工作循環(huán)。

在小車(chē)上安裝起重機(jī)用于熱料罐吊運(yùn)的非標(biāo)吊具、用于行走時(shí)防止料罐晃動(dòng)和料罐導(dǎo)向的固定在小車(chē)上的剛性導(dǎo)向架，為保證起吊料罐在大、小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生搖擺，加裝電控方式防搖系統(tǒng)。

小車(chē)架由箱形梁構(gòu)成框架結(jié)構(gòu), 小車(chē)架主要受力部位鋼材采用Q345B，其滿(mǎn)載靜撓度小于LK/2 000，確保小車(chē)上各機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行。

3）大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

主要由驅(qū)動(dòng)裝置、主被動(dòng)臺(tái)車(chē)組及緩沖器組成。

4）電氣設(shè)備

主要由配電、各電氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、PLC控制、照明系統(tǒng)等組成。

5 焙砂起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

5.1 全自動(dòng)

具備中控室全自動(dòng)、操作室人工、遙控控制3種方式，實(shí)現(xiàn)焙砂起重機(jī)自動(dòng)定位、掛鉤、脫鉤、行走的周期性循環(huán)作業(yè)。吊具在起重機(jī)自身解決自動(dòng)掛鉤、自動(dòng)檢測(cè)。該機(jī)可以3種方式操作：駕駛室聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)操縱、遙控器操作和中控室操作。駕駛室聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)設(shè)一個(gè)遠(yuǎn)程（中控）—遙控—本地3種操作模式選擇開(kāi)關(guān)，3個(gè)輸入信號(hào)分別進(jìn)PLC。

上位機(jī)（中控室）為全自動(dòng)化操作。在正常工況下，中控室發(fā)出系統(tǒng)啟動(dòng)指令后，起重機(jī)自動(dòng)完成整個(gè)工作循環(huán)，起重機(jī)與同跨另一臺(tái)起重機(jī)組成公共控制網(wǎng)絡(luò)，兩臺(tái)起重機(jī)中的任一臺(tái)起重機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)切換后代替發(fā)生故障起重機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，并保持工作循環(huán)時(shí)不變。

上位機(jī)（中控室）人機(jī)界面為液晶顯示器與鍵盤(pán)、鼠標(biāo),以圖像與數(shù)據(jù)的形式指示起重機(jī)大小車(chē)、吊具的位置。起重機(jī)能按輸入的坐標(biāo)吊運(yùn)負(fù)載到指定位置。

起重機(jī)啟動(dòng)、故障后重新運(yùn)行，系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞酵瓿沙跏蓟?/p>

料罐吊具具有自動(dòng)開(kāi)閉掛脫鉤功能。如圖1所示，吊具采用剪式吊具原理，吊具到達(dá)料罐位置，在重力作用下打開(kāi)，閉鎖自動(dòng)檢測(cè)，吊具閉合起升。料罐倒運(yùn)流程有以下步驟（見(jiàn)圖2）：

圖1 剪式吊具實(shí)際工作狀態(tài)圖

圖2 起重機(jī)工作循環(huán)圖

1）焙砂起重機(jī)（掛有一個(gè)空罐）在料罐提升導(dǎo)向塔架上方等待；

2）空料罐下降；

3）焙砂起重機(jī)將空料罐放于料罐車(chē)上方并與空料罐脫鉤；

4）料罐車(chē)（載有一個(gè)裝有焙砂的料罐和一個(gè)空料罐）位移一個(gè)罐位；

5）料罐車(chē)位置校正；

6）起重機(jī)與裝有焙砂的料罐掛鉤，并將其從料罐車(chē)上提走；

7）焙砂起重機(jī)（掛有一個(gè)裝有焙砂的料罐）小車(chē)行走；

8）焙砂起重機(jī)行走；

9）焙砂起重機(jī)將裝有焙砂的料罐放置在料鐘上，卸料抽風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；

10）料鐘打開(kāi)，焙砂起重機(jī)吊具下降，料罐卸料吊具下降；

11）料鐘關(guān)閉，卸料抽風(fēng)機(jī)停止；

12）焙砂起重機(jī)將空料罐提起，吊具起升；

13）焙砂起重機(jī)（掛有一個(gè)空罐）行走，大車(chē)行走；

14）焙砂起重機(jī)小車(chē)行走；

15）焙砂起重機(jī)（掛有一個(gè)空罐）在料罐提升導(dǎo)向塔架上方等待。

當(dāng)料罐里的焙砂在一個(gè)倉(cāng)中不能卸完時(shí)，起重機(jī)會(huì)自動(dòng)尋找下一個(gè)可卸料的倉(cāng)。限定的工作循環(huán)時(shí)間10 min滿(mǎn)足兩個(gè)料倉(cāng)卸料時(shí)的情況。

起重機(jī)在自動(dòng)運(yùn)行模式的整個(gè)循環(huán)流程中，大小車(chē)平移機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是按次序進(jìn)行的，即大車(chē)平行移動(dòng)到位后小車(chē)開(kāi)始運(yùn)行，小車(chē)平行移動(dòng)到位后起升機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行的先后次序由現(xiàn)場(chǎng)工況決定。

5.2 高定位精度

由絕對(duì)值編碼器、格雷母線(xiàn)等組成的系統(tǒng)給定運(yùn)行距離參數(shù)，并經(jīng)成組的感應(yīng)開(kāi)關(guān)確認(rèn)各特定定位點(diǎn)的絕對(duì)位置，從而保證了各機(jī)構(gòu)的定位精度。

在料罐正常倒運(yùn)工作循環(huán)時(shí)間內(nèi)，在料倉(cāng)卸料平臺(tái)上，起重機(jī)在空載與重載情況下，料罐下降到料倉(cāng)口后的最大偏離值在±30～±50 mm范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的正常卸料。起重機(jī)行走定位精度為±5.0 mm，起重機(jī)非標(biāo)吊具升降定位點(diǎn)的定位精度為±8.0 mm。

整車(chē)采用全數(shù)字變頻+PLC控制，提高控制精度。主起升、大小車(chē)均采用變頻驅(qū)動(dòng)模式與PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)吊鉤的上升與下降與大小車(chē)的平移。

大小車(chē)平移、起升機(jī)構(gòu)的位置控制由自動(dòng)化平臺(tái)直接進(jìn)行運(yùn)算控制，位置檢測(cè)使用格雷母線(xiàn)與編碼器精確測(cè)量，將該信號(hào)傳到PLC處理單元內(nèi)，作為給定參數(shù)進(jìn)行電氣防搖處理控制。小車(chē)取消吊取滑輪組而采用平衡臂布置，通過(guò)鋼絲繩水平方向的拉力相互抵消來(lái)實(shí)現(xiàn)吊具的機(jī)械防搖擺功能。由軟件編程來(lái)控制起重機(jī)運(yùn)行的加速度，克服起重機(jī)啟動(dòng)、停止和加減速時(shí)的物理?yè)u擺。

全自動(dòng)化采用的格雷母線(xiàn)是一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的非屏蔽電纜，它是地址檢測(cè)的重要部件，接收天線(xiàn)箱發(fā)射的電磁場(chǎng)信號(hào)，將其變?yōu)?0～200 mV交流電壓送到地址解碼器解析出地址?；诟窭啄妇€(xiàn)的位置檢測(cè)有地上檢測(cè)和車(chē)上檢測(cè)兩種方式，格雷母線(xiàn)的結(jié)構(gòu)基本一樣。

1）車(chē)上檢測(cè)方式

車(chē)上檢測(cè)方式的特點(diǎn)有：編碼電纜為信號(hào)發(fā)射天線(xiàn)，車(chē)上安裝有地址接收天線(xiàn)；地址檢測(cè)單元在車(chē)上，各車(chē)直接得到本車(chē)的地址；各車(chē)的地址分別通過(guò)通信送到地面站，地面站再通過(guò)通信告知其他車(chē)。

2）車(chē)上檢測(cè)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

圖3為車(chē)上檢測(cè)原理圖，車(chē)上檢測(cè)系統(tǒng)由地面站和車(chē)載站組成。其中地面站由編碼電纜、終端箱、地面發(fā)振裝置等部分組成，其原理圖見(jiàn)圖4，地面站主要完成地址編碼、功率放大、信號(hào)發(fā)射等任務(wù)。車(chē)載站主要由地址檢測(cè)單元、天線(xiàn)箱等部分組成（見(jiàn)圖5），車(chē)載站主要完成地址編碼信號(hào)的接收和解調(diào)（地址檢測(cè)）。

圖3 車(chē)上位置檢測(cè)方式原理示意圖

圖4 地面站原理框圖

圖5 車(chē)載站原理框圖

3）地上檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖6所示，地上檢測(cè)系統(tǒng)主要由地址編碼發(fā)生器、天線(xiàn)箱、格雷母線(xiàn)、位置檢測(cè)單元、PLC模塊等組成，主要完成地址編碼信號(hào)的發(fā)射以及位置的檢測(cè)，并將位置信息輸送到用戶(hù)的PLC中。其主要技術(shù)指標(biāo)是：地址分辨率為5 mm，數(shù)據(jù)輸出接口為RS232轉(zhuǎn)Modbus Plus，發(fā)振調(diào)制頻率為地址檢測(cè)系統(tǒng)39 kHz，地面站功耗≤100 W，車(chē)載站功耗≤100 W，天線(xiàn)箱與母線(xiàn)的間距60～200 mm可調(diào)。

圖6 地上檢測(cè)示意圖

起重機(jī)通過(guò)格雷母線(xiàn)與編碼器實(shí)現(xiàn)三維位置信號(hào)檢測(cè)，保證定位精度。起重機(jī)與料罐車(chē)間的動(dòng)作通過(guò)通訊來(lái)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料罐和放空料罐的動(dòng)作。

5.3 高可靠性

起升機(jī)構(gòu)和小車(chē)行走機(jī)構(gòu)采用行星差動(dòng)減速器雙軸分別輸入方式，若一個(gè)動(dòng)力輸入軸出現(xiàn)故障時(shí)，另一路輸入仍可保證機(jī)構(gòu)以半速長(zhǎng)期正常工作；大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分組控制，當(dāng)一組機(jī)構(gòu)故障時(shí)，仍能保證生產(chǎn)進(jìn)程不停頓。

行星減速器具有兩個(gè)自由度的特點(diǎn)，起吊行星差動(dòng)減速器高速端制動(dòng)器的設(shè)置及安全系數(shù)的選取高于GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定：制動(dòng)器的選擇計(jì)算要求制動(dòng)安全系數(shù)為1.75，滿(mǎn)載制動(dòng)力矩為T(mén)Z＝9.8（Qq+Q）D/（2mi）＝1 087.5 N·m，最大制動(dòng)力矩T＝3 600 N·m，實(shí)際制動(dòng)安全系數(shù)n2＝T/Tz＝3.31。

卷筒外緣的制動(dòng)盤(pán)上安裝兩個(gè)液壓安全制動(dòng)器。安全制動(dòng)器是成熟可靠的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其制動(dòng)器、泵站及電控箱的結(jié)構(gòu)和原理都較簡(jiǎn)單，在起吊行星差動(dòng)減速器低速端配用安全制動(dòng)器無(wú)疑是給設(shè)備、財(cái)產(chǎn)及人身安全加設(shè)了一道安全可靠的保險(xiǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)效率不斷提高，促使大型或高效起重機(jī)的需求量不斷擴(kuò)大，起重機(jī)已成為自動(dòng)化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。高精度、高智能化等新一代電氣控制技術(shù)與機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程自動(dòng)化和半自動(dòng)化，使起重機(jī)組成的物料搬運(yùn)系統(tǒng)更加柔性，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)及其負(fù)載前所未有的可控性，使起重機(jī)更好地為人類(lèi)生產(chǎn)生活服務(wù)。