恒張力變頻式電纜卷筒改造實(shí)例分析

鮑遠(yuǎn)枝，陸祥

（啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251）

1 幾種恒轉(zhuǎn)矩電纜卷筒的類型和特點(diǎn)

目前船廠各類起重機(jī)配備的電纜卷筒據(jù)大部分是力矩馬達(dá)式、配重力矩式、磁滯式這幾種，每種電纜卷筒的特點(diǎn)見以下分析：

（1）力矩馬達(dá)式電纜卷筒：電纜卷筒由力矩馬達(dá)驅(qū)動，為恒轉(zhuǎn)矩電纜卷筒。其收電纜時由力矩馬達(dá)驅(qū)動卷盤正向旋轉(zhuǎn)，電磁力和旋轉(zhuǎn)方向相同。放電纜時力矩馬達(dá)電磁力和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時會產(chǎn)生較大的熱量。本質(zhì)上是把電磁力轉(zhuǎn)換成熱量的一種方式，此熱量需要風(fēng)機(jī)散熱。而大型起重機(jī)卷盤很大、電纜很重，若采用力矩馬達(dá)式卷筒，能承受的堵轉(zhuǎn)電流很大，電磁力變成的熱量散發(fā)無法及時散發(fā)，容易對電纜造成傷害。力矩馬達(dá)式電纜卷筒只適合于小型電纜卷筒。

（2）配重式電纜卷筒：此類卷筒結(jié)構(gòu)很簡單，也屬于恒轉(zhuǎn)矩電纜卷筒。根據(jù)電纜長度和重量徐搭配不同的配重。正向驅(qū)動時由配重依靠自重下降帶動卷筒正向轉(zhuǎn)動。反向旋轉(zhuǎn)時由電纜拉動卷盤反向旋轉(zhuǎn)。帶動配重上升。為了減小上升和下降距離，必須配套滑輪組和鋼絲繩。如果電纜長度和重量較大情況下，配重的體積和升降距離將會是一個難題。因此配重式電纜卷筒只適合于小型和行走距離較短的工況。

（3）磁滯式電纜卷筒：目前廣泛應(yīng)用于各類工況電纜卷筒中，其結(jié)構(gòu)只是在驅(qū)動馬達(dá)和減速器之間增加一個磁滯聯(lián)軸器。聯(lián)軸器由兩片磁隙較大的永磁鐵和行星減速箱組成。電機(jī)的力矩通過磁滯聯(lián)軸器傳遞到減速機(jī)。磁滯式聯(lián)軸器特性較軟。運(yùn)行時電纜受沖擊較小，有利于保護(hù)電纜。每臺磁滯式電纜卷筒可以根據(jù)電纜長度和電纜重量配置若干驅(qū)動電機(jī)和磁滯式聯(lián)軸器，應(yīng)用用范圍比較廣，因此可以適合于各類工況。但是磁滯式聯(lián)軸器式靠磁隙來傳遞扭矩的，磁隙縫隙較小?；覊m、垃圾、鐵銹等會導(dǎo)致磁隙堵塞，機(jī)械特性變硬，電纜得不到保護(hù)，另外永磁鐵的磁力會隨著運(yùn)行時間而逐漸退化，可能會發(fā)生卷不動電纜導(dǎo)致電纜從卷盤中漏出而導(dǎo)致事故發(fā)生。

以上幾種電纜卷筒驅(qū)動方式均為恒轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動方式，在任何時候傳遞到轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)矩都是相同的。起重機(jī)大車在行走時，電源電纜在電纜盤上的半徑是從最小到最大變化的。根據(jù)力學(xué)平衡方程F=M/R，其中F為電纜所受張力，M為卷盤所受轉(zhuǎn)矩，R為電纜在盤上半徑。其中轉(zhuǎn)矩M不變。因此電纜所受拉力和電纜在盤上的半徑成正比，實(shí)際上為了在電纜收放和空盤滿盤均能保持電纜盤正常運(yùn)行，電纜拉力相差很大，運(yùn)行一段時間以后會導(dǎo)致電纜發(fā)生扭曲變成麻花狀，電纜壽命縮短很多。我公司的2臺50100門座機(jī)就發(fā)生了磁滯式電纜卷筒

2 恒張力變頻式電纜卷筒原理和特點(diǎn)

為消除恒轉(zhuǎn)矩電纜卷筒對電纜所受拉力變化的缺點(diǎn)，我們必須找到一種電纜拉力基本恒定的電纜卷筒驅(qū)動方式。而恒張力變頻式電纜卷筒正是這種我們需要的電纜卷筒。其工作原理是保持電纜所受拉力基本恒定不變，根據(jù)力學(xué)平衡方程式F=M/R，如要實(shí)現(xiàn)拉力不變，則需要卷盤扭矩隨著電纜在卷盤種卷繞的半徑變化而變化。下面分析恒張力變頻電纜卷筒的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。

（1）恒張力電纜卷筒結(jié)構(gòu)組成。恒張力變頻電纜卷筒由變頻電動機(jī)（內(nèi)置編碼器、制動器）、齒輪減速器、滑環(huán)箱、電纜卷盤、擺動式導(dǎo)纜架和專用變頻器及控制箱等組成。由于采用變頻控制技術(shù)，增加了檢測單元和智能化控制系統(tǒng)，從根本上改善了電纜卷繞性能。見圖1。

圖1

變頻電動機(jī)為了結(jié)構(gòu)緊湊，提高系統(tǒng)集成度，除了要有合適的變頻驅(qū)動特性以外，還要滿足戶外環(huán)境的要求IP55的防護(hù)要求。同時為了具備更高的可維修性和可靠性。尾部還集成了編碼器、制動器手動手柄等。需要和減速箱搭配輸出合適的力矩。

齒輪減速箱根據(jù)實(shí)際需要選用合適的減速比，輸出力矩滿足卷筒最大驅(qū)動力矩。

根據(jù)電壓等級選用10kV高壓滑環(huán)箱或380V低壓滑環(huán)箱，根據(jù)電流可選用單環(huán)630A、400A、100A或10A其他電流規(guī)格。外殼可選用碳鋼或不銹鋼材質(zhì)。潮濕是電氣滑環(huán)箱的大敵，因此滑環(huán)箱的密封性非常重要，由于戶外環(huán)境溫差大，容易在內(nèi)部形成結(jié)露。濕度變大會造成絕緣降低發(fā)生拉弧短路事故，高壓電纜短路危害性更大。在安裝滑環(huán)箱時必須在晴天并做好密封。日常檢查和維護(hù)也很重要。我們發(fā)現(xiàn)在內(nèi)部放入干燥劑并定期更換是一個好的辦法。

電纜卷盤和擺動式導(dǎo)纜架：根據(jù)電纜的直徑和長度選用合適的電纜卷盤和導(dǎo)覽架。為了適應(yīng)戶外環(huán)境。提高防腐能力，電纜卷盤可以采用表面熱浸鋅工藝。為了便于安裝和運(yùn)輸，一般大直徑的卷盤（3m以上）建議采用拼裝式。導(dǎo)纜架要一定要選用彎曲半徑大的，防止對電纜造成傷害。導(dǎo)覽架上應(yīng)該安裝有導(dǎo)向限位開關(guān)，過松、過緊開關(guān)等，配合控制系統(tǒng)輸出正確的控制型號和保護(hù)電纜。

控制箱用于安裝變頻器和控制元件等，能從電纜卷筒取得大車行走方向信號、卷繞半徑、拉力是否正常范圍內(nèi)等信號。向變頻電動機(jī)和制動器輸出控制信號，達(dá)到和整機(jī)協(xié)同控制的目的。遇到緊急情況可以立即停止運(yùn)行，防止發(fā)生事故。在控制箱上還裝設(shè)了手動控制系統(tǒng)，用于安裝調(diào)試和維修，非常方便。

（2）卷盤傳動方式：變頻電動機(jī)→齒輪減速器→卷盤。

（3）收放藍(lán)和大車行走同步原理：收纜同步：電纜卷筒匹配的電動機(jī)、減速器在卷盤內(nèi)徑收纜時的線速度仍高于大車最快運(yùn)行速度，從而保證卷盤能及時主動同步收卷電纜；放纜同步：放纜時電機(jī)仍輸出收卷轉(zhuǎn)距，在電纜的拖拽下，卷盤被動同步放出電纜，此時作用在電纜上的向上拉力仍大于電纜重力，保證電纜不會滑出，此時相當(dāng)于力矩式馬達(dá)電纜卷筒但是轉(zhuǎn)矩是隨電纜卷繞半徑變化的。

（4）變頻器系統(tǒng)原理和控制方式。變頻電纜卷筒的控制系統(tǒng)由張力控制專用變頻器、變頻電機(jī)、各類檢測單元等組成，使電纜在整個卷繞和換向過程中所受拉力基本恒定。整個控制系統(tǒng)的核心是模塊化高性能專用變頻器，無需PLC來進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，其出色的矢量控制性能和良好的可靠性，保證了電纜卷筒在大行程起重機(jī)上運(yùn)行的穩(wěn)定性，內(nèi)置恒張力控制系統(tǒng)，用戶可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整張力的大小，變頻器本身可通過厚度積分計算卷徑；針對電纜卷筒對變頻器的要求，變頻器必須工作在閉環(huán)矢量狀態(tài)，選擇開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式，即張力控制模式（詳見圖2）。

圖2

張力控制專用變頻器的開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式，開環(huán)是指沒有張力反饋信號，變頻器僅靠控制輸出頻率或轉(zhuǎn)矩即可達(dá)到控制目的，與開環(huán)矢量或閉環(huán)矢量無關(guān)。轉(zhuǎn)矩控制模式是指變頻器控制的是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而不是頻率，輸出頻率是跟隨電纜的速度自動變化。根據(jù)公式F=M/R（其中F為電纜張力，M為收卷軸的扭矩，R為收卷的半徑），可看出，如果能根據(jù)卷徑的變化調(diào)整收卷軸的轉(zhuǎn)矩，就可以控制電纜上的張力，這就是開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式控制張力的根據(jù)，其可行性還有一個原因是電纜上的張力只來源于收卷軸的轉(zhuǎn)矩，收卷軸的轉(zhuǎn)矩主要作用于電纜上。

與開環(huán)轉(zhuǎn)距模式有關(guān)的功能模塊：

①張力設(shè)定部分：根據(jù)最大懸垂長度電。

纜重量設(shè)定張力，并可設(shè)定張力錐度控制張力隨著卷徑增加而減少。

②卷徑計算部分：通過電纜厚度累計計算卷徑變化，這是控制計算的核心部分，通過編碼器和電纜卷繞次數(shù)計算得出半徑數(shù)據(jù)。通過卷盤上電纜半徑的改變而改變輸出力矩，從而達(dá)到成比例變轉(zhuǎn)矩的目的。

③轉(zhuǎn)距補(bǔ)償部分：變頻器中關(guān)于慣量補(bǔ)償部分可以通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置自動地根據(jù)加減速率進(jìn)行轉(zhuǎn)距補(bǔ)償，使系統(tǒng)在加減速過程中仍獲得穩(wěn)定的張力。摩擦補(bǔ)償可以克服系統(tǒng)阻力對張力產(chǎn)生的影響。

3 選擇恒張力專用變頻器控制電纜卷筒的優(yōu)勢

（1）控制系統(tǒng)簡單，無需PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在日常維修過程中省去繁瑣的檢查過程。

（2）保護(hù)完善，在擺動式導(dǎo)覽架上增設(shè)過松、過緊限位，控制大車行走速度，防止電纜拉傷。

（3）變扭矩控制，通過計圈信號檢測，動態(tài)對電動機(jī)的給定力矩進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到恒張力的目的。通過電纜直徑，卷盤直徑，減速箱減速比，電纜厚度等參數(shù)的綜合運(yùn)算，達(dá)到精細(xì)控制。

（4）維護(hù)方便：原有磁滯電纜卷筒有4個驅(qū)動電機(jī)和減速箱。故障率高，經(jīng)常需要維修。更換成變頻驅(qū)動以后，幾乎不需要維修。而且現(xiàn)場可以手動控制，對于判別故障原因有很大幫助。維修人員的勞動強(qiáng)度大大減輕。

4 改造以后取得效果

啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程公司是國內(nèi)領(lǐng)先的大型海洋工程建造基地。海洋工程建造計劃對工期要求非常嚴(yán)格。海工船塢兩側(cè)的2臺50100門座式起重機(jī)是最繁忙的兩臺起重機(jī)，如發(fā)生故障對生產(chǎn)計劃影響很大。這2臺門機(jī)原先采用磁滯式電纜卷筒，已經(jīng)運(yùn)行了10年左右，但是每兩年不到電纜就會因?yàn)槔Σ痪で陕榛?，有短路風(fēng)險，必須及時更換成新電纜。由于電纜規(guī)格是3×150+1×70，重量比較大。每次更換電纜需要6個工人連續(xù)工作一天以上才能完成。更換電纜總成本約10萬元/年（含材料費(fèi)、人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、停機(jī)損失費(fèi)等）。另外，磁滯式電纜卷筒的故障率也較高，連續(xù)性生產(chǎn)經(jīng)常被打斷，對海洋工程的工期影響非常大。在改造成恒張力變頻控制電纜卷筒以后，電纜的所受拉力基本上保持恒定，電纜的壽命可以達(dá)到10年以上，電纜或電纜卷筒故障造成的不正常停機(jī)減少，工人維修強(qiáng)度降低很多，明顯提高了生產(chǎn)效率。是一個非常成功的技術(shù)改造案例，值得在各船廠推廣使用。