文|崔榮峰 河南起重機(jī)器有限公司

聶福全 衛(wèi)華集團(tuán)有限公司

技術(shù)創(chuàng)新舉重若輕—起重機(jī)械最新技術(shù)亮相河南長垣

文|崔榮峰 河南起重機(jī)器有限公司

聶福全 衛(wèi)華集團(tuán)有限公司

在首屆長垣國際起重裝備展覽會(huì)上展出了國內(nèi)眾多企業(yè)推出的新產(chǎn)品樣機(jī)，其中一些技術(shù)具有世界首創(chuàng)、國際領(lǐng)先水平，如無齒輪起重機(jī)技術(shù)、電器防搖擺技術(shù)等。上述技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)、節(jié)能減排綠色設(shè)計(jì)及綠色制造技術(shù)的目標(biāo)達(dá)成有著重要的意義和作用。

無齒輪起重機(jī)技術(shù)增效益

20世紀(jì)30年代歐美等先進(jìn)制造業(yè)國家開始研究“無齒輪起重機(jī)”技術(shù)，由于沒有減速機(jī)，起重機(jī)的傳動(dòng)裝置得到簡化，重量和體積得到大幅度減小。借助于PLC、變頻器等現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)大扭矩、低轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)。但由于電機(jī)技術(shù)的難度及起重機(jī)械使用的特殊性，一直未在起重設(shè)備上實(shí)際應(yīng)用。展會(huì)上，江西工埠機(jī)械有限責(zé)任公司展出了世界首臺(tái)實(shí)用化的無齒輪起重機(jī)。該起重機(jī)顛覆了起重機(jī)械傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，消除了傳統(tǒng)起重機(jī)長期以來存在的漏油、噪聲大、斷齒、斷軸、效率低等現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了節(jié)能節(jié)材、安全環(huán)保、智能控制等多種卓越性能，最大承重可達(dá)1 000t，最小可適合100kg。

該起重機(jī)核心技術(shù)是大扭矩、低轉(zhuǎn)速永磁電機(jī)及控制系統(tǒng)的研究、與起重機(jī)械適配性的研究、安全控制系統(tǒng)的研究、電器控制系統(tǒng)的研究等方面。直接技術(shù)體現(xiàn)為采用自主研制的低轉(zhuǎn)速、大扭矩、細(xì)長型永磁電機(jī)，設(shè)計(jì)的適合橋門式起重機(jī)工作特點(diǎn)的新型無齒輪驅(qū)動(dòng)裝置。起重機(jī)的卷筒永磁電機(jī)的外轉(zhuǎn)子，在智能控制系統(tǒng)的指令下，通過電流和磁場(chǎng)的作用，直接產(chǎn)生低轉(zhuǎn)速、大扭矩，使卷筒負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。該技術(shù)打破了我國將電機(jī)作為通用機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造的傳統(tǒng)觀念，采用了電子、電氣、機(jī)械一體化傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方案，將機(jī)械裝備的性能水平從以機(jī)械特征為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪姎庑阅転橹?。在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)了系統(tǒng)一體化最優(yōu)。該類永磁同步無齒輪傳動(dòng)裝置具有額定功率低、體積小、噪聲低、無潤滑油污染、使用壽命提高、可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)等特點(diǎn)。與國外同類技術(shù)產(chǎn)品相比，電機(jī)的最低恒轉(zhuǎn)矩頻率降至0.2Hz，是國際先進(jìn)水平電機(jī)（2Hz）的1/10。

無齒輪起重機(jī)

在控制系統(tǒng)上，采用了毫米級(jí)的智能控制技術(shù)。可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)行車同步運(yùn)行，多臺(tái)小車、多個(gè)吊點(diǎn)同步起吊，無論是遠(yuǎn)程控制或預(yù)先設(shè)定動(dòng)作，都能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作。此外，還具有超載保護(hù)、糾錯(cuò)保護(hù)、抗疲勞保護(hù)，低噪聲、節(jié)電、免維護(hù)等多種優(yōu)良性能。

在安全控制上，采用了多冗余控制方法，即電機(jī)一級(jí)制動(dòng)加卷筒盤式制動(dòng)器二級(jí)制動(dòng)的方式。其中電機(jī)制動(dòng)采用了全新的制動(dòng)技術(shù)，即使在制動(dòng)器完全失靈同時(shí)又?jǐn)嚯姷臉O端情況下，也能保證吊起重物不會(huì)失速下滑，迅速使下降速度減到小于額定下降速度，使吊物平穩(wěn)落地，從而避免安全事故的發(fā)生。

沒有減速機(jī)可使起重機(jī)體積和重量大幅度降低。以32t起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)為例，傳統(tǒng)提升機(jī)構(gòu)自重5.23t、體積1.39m3，而GBM無齒輪提升機(jī)構(gòu)重量只有2.56t、減少51%，體積0.57m3、減少59%，使用鋼材節(jié)省20%以上。如國內(nèi)起重機(jī)全部使用先進(jìn)的無齒輪提升機(jī)構(gòu)，可節(jié)約大量鋼材。同時(shí)因起重機(jī)高度降低，以DQ200t/25m跨度吊鉤橋式無齒輪起重機(jī)為例，整機(jī)大車軌道到小車頂部高度2.26m，比傳統(tǒng)起重機(jī)4.86m降低2.6m，即采用無齒輪起重機(jī)后，工房建設(shè)高度可降低2.6m。按照建設(shè)一座4 000m2的廠房計(jì)算，僅降低工房高度和載重量減小就可節(jié)省建設(shè)資金260萬元，相當(dāng)于同樣提升重量普通起重機(jī)價(jià)格的120%。因此使用無齒輪起重機(jī)的效益巨大。

該無齒輪起重機(jī)造價(jià)僅為國際同類產(chǎn)品的一半以下，和國內(nèi)普通起重機(jī)相比，造價(jià)也僅為80%，具有十分明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)無齒輪起重機(jī)的核心部件—無齒輪驅(qū)動(dòng)裝置還可以廣泛用于電梯、起重、礦山、船舶、發(fā)電、海上重工、石油、航空等行業(yè)。對(duì)我國起重機(jī)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和技術(shù)創(chuàng)新，有著積極的引領(lǐng)和示范作用。

精確定位及防搖擺技術(shù)等自動(dòng)化技術(shù)提效率

起重機(jī)在搬運(yùn)物料達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，由于受大車及小車加減速的影響，載荷會(huì)出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象。過大的載荷搖擺對(duì)貴重的載荷以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全造成威脅。當(dāng)載荷搖擺時(shí)，卸載作業(yè)就不能進(jìn)行。近20年來，先后開發(fā)并應(yīng)用了電氣防搖擺控制技術(shù)的公司有Innocrane（芬蘭），SmartCrane（美國），CePlus（德國）、ABB和SEOHO（韓國）等，但其防搖擺技術(shù)在起重機(jī)械行業(yè)沒有得到廣泛的應(yīng)用。因此當(dāng)需要起重機(jī)精確定位作業(yè)時(shí)，只有依靠熟練的操作，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，且不利于自動(dòng)化物料搬運(yùn)作業(yè)的實(shí)現(xiàn)。

基于此，國內(nèi)起重機(jī)行業(yè)的一些龍頭企業(yè)如衛(wèi)華集團(tuán)等，先后投入大量人財(cái)物資源進(jìn)行起重機(jī)電器精確定位和防搖擺技術(shù)的開發(fā)，目前已取得了顯著效果并廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的起重機(jī)物料搬運(yùn)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域。衛(wèi)華集團(tuán)已取得該技術(shù)發(fā)明專利，技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。衛(wèi)華集團(tuán)展出的一臺(tái)具有上述技術(shù)的樣機(jī)有以下特點(diǎn)。

（1）全新的起重機(jī)電氣防搖擺控制理論和方法

在實(shí)際起重機(jī)應(yīng)用中，由于成本、安裝、維護(hù)及其他技術(shù)因素的限制，要實(shí)現(xiàn)載荷搖擺角的精確測(cè)量及反饋非常困難，因而需要測(cè)量載荷搖擺角的閉環(huán)反饋控制方法不適用于起重機(jī)電氣防搖擺控制系統(tǒng)。該技術(shù)采用了簡單實(shí)用、易于推廣的開環(huán)控制方案。圖1所示為采用開環(huán)控制方案的起重機(jī)電氣防搖擺控制系統(tǒng)的示意圖。

圖1 防搖擺控制系統(tǒng)示意圖

該技術(shù)因按照不同的起重機(jī)有不同的穿繩方法、不同的固定支點(diǎn)、不同的吊具設(shè)計(jì)，故起重機(jī)載荷有不同的搖擺特性的特點(diǎn)。把簡單單擺的理想搖擺特性同起重機(jī)載荷的實(shí)際搖擺情況綜合起來，建立了高度貼近起重機(jī)載荷實(shí)際搖擺特性的數(shù)學(xué)模型，提高防搖擺控制精度和控制效果。

（2）將精確定位與防搖擺技術(shù)有效結(jié)合

起重機(jī)的基本任務(wù)是要把載荷搬運(yùn)到目標(biāo)位置，對(duì)于由剛性機(jī)械驅(qū)動(dòng)的載荷，早已有成熟的自動(dòng)定位控制方法和技術(shù)。但對(duì)于由柔性鋼絲繩懸吊的起重機(jī)載荷，其自動(dòng)定位控制必須在有效的防搖擺控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)研究出來。起重機(jī)載荷的防搖擺自動(dòng)定位控制問題不是防搖擺控制和自動(dòng)定位控制兩個(gè)問題的簡單組合，而是一個(gè)綜合在一起、難度更大的控制問題，因此通過各種新型算法和智能控制技術(shù)將兩種技術(shù)進(jìn)行了有效的結(jié)合，確保“起重自動(dòng)化”的實(shí)現(xiàn)。

（3）經(jīng)濟(jì)實(shí)用的起重機(jī)電氣防搖擺自動(dòng)定位控制系統(tǒng)

采用常規(guī)的PLC、變頻器及普通電機(jī)的控制方案，如圖2所示，以PLC作為控制器，采用位置速度雙變量反饋控制方法，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的防搖擺自動(dòng)定位控制。防搖擺自動(dòng)定位控制系統(tǒng)在控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，不需要生成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡，而只需計(jì)算輸出運(yùn)行機(jī)構(gòu)即時(shí)的目標(biāo)速度，通過變頻器和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。該技術(shù)要用PLC控制程序來實(shí)現(xiàn)起重機(jī)防搖擺自動(dòng)定位控制理論和方法，并由PLC計(jì)算輸出運(yùn)行機(jī)構(gòu)的目標(biāo)速度，使運(yùn)行機(jī)構(gòu)在停止的同時(shí)能滿足以下兩個(gè)控制要求：一是精確地到達(dá)指定的目標(biāo)位置；二是起重機(jī)載荷不搖擺。

圖2 防搖擺自動(dòng)定位控制系統(tǒng)

由于該項(xiàng)技術(shù)具有極大的實(shí)用意義和較好的應(yīng)用效果，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、船舶等眾多行業(yè)對(duì)自動(dòng)化程度或物料搬運(yùn)精度有較高要求的高精度智能起重機(jī)上。經(jīng)檢測(cè)，采用該技術(shù)的起重機(jī)載荷搖擺幅度減少超過95%以上，自動(dòng)定位的控制精度達(dá)到5mm以內(nèi)，消除等待載荷停止搖擺的時(shí)間，提高了起重機(jī)的工作效率，使起重機(jī)轉(zhuǎn)變成為“起重機(jī)器人”，實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)全自動(dòng)控制，提高起重機(jī)的使用工作效率。圖3所示為應(yīng)用該技術(shù)的鋼管自動(dòng)分配起重機(jī)原理示意圖。

圖3 鋼管自動(dòng)分配起重機(jī)原理示意

起重機(jī)輕量化技術(shù)降事故

我國現(xiàn)有起重機(jī)在整體重量、技術(shù)性能等方面與新型起重機(jī)相比存在很大差距，進(jìn)行起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)研究和推廣應(yīng)用將使起重機(jī)制造直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到50億元左右，由于節(jié)能減排降低廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)輸、原材料、能耗的二次經(jīng)濟(jì)效益年可達(dá)200億元左右，因此起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)和制造有著極其重要的意義。本次展會(huì)上紐科倫（新鄉(xiāng)）起重機(jī)、新科起重機(jī)等企業(yè)均推出了自己的輕量化產(chǎn)品，其中紐科倫（新鄉(xiāng)）起重機(jī)推出的ND型標(biāo)準(zhǔn)起重機(jī)具有一定代表性，該技術(shù)充分利用了現(xiàn)代化的加工手段及先進(jìn)的設(shè)備、模塊化的設(shè)計(jì)思想，保證了部件互換性及產(chǎn)品的質(zhì)量。按安裝形式可分為低建筑單軌小車式（ND型，適用于單軌或電動(dòng)單梁起重機(jī)）、雙軌小車式（NDS型，適用于雙梁起重機(jī)）和固定式。運(yùn)行速度為2～20m/ min無級(jí)變頻調(diào)速，標(biāo)準(zhǔn)起升速度為5～0.8m/min，也可選用變頻調(diào)速，電動(dòng)葫蘆啟、制動(dòng)平穩(wěn)，吊運(yùn)物擺動(dòng)小，定位精確，操作性能大大改善。ND型電動(dòng)葫蘆總體布局為并聯(lián)C型結(jié)構(gòu)，即卷筒裝置通過減速機(jī)與電機(jī)平行布置，使葫蘆的長度和極限尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，受力位置好，對(duì)電機(jī)減速機(jī)的安裝維護(hù)都很方便。ND型電動(dòng)葫蘆采用獨(dú)特的反滾輪設(shè)計(jì)，起到了有效的平衡作用，取消了笨重的配重塊，減小了外形尺寸，降低了葫蘆自重。

ND型電動(dòng)葫蘆采用超載限制、失壓保護(hù)、錯(cuò)相保護(hù)、精密上下限位、使用次數(shù)累積計(jì)數(shù)、運(yùn)行信息、狀態(tài)信息和故障信息適時(shí)存儲(chǔ)，使新系列更具安全可靠性，可實(shí)行有效的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、維修保養(yǎng)信息顯示、預(yù)防性診斷、故障自動(dòng)識(shí)別和使用壽命預(yù)測(cè)，大大減小或消除事故發(fā)生可能性。

ND型起重機(jī)

全自動(dòng)冶金上料起重機(jī)

全自動(dòng)專用起重機(jī)研發(fā)技術(shù)破壟斷

衛(wèi)華集團(tuán)展示的用于不銹鋼冶煉的全自動(dòng)上料起重機(jī)，具有在規(guī)定時(shí)間無人監(jiān)控的情況下，通過程序控制完成整個(gè)工藝要求的上料過程。打破了國外起重機(jī)在該行業(yè)的壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)起重機(jī)制造業(yè)的一項(xiàng)空白，在國內(nèi)首次將起重機(jī)的控制無縫鏈接到自動(dòng)化冶煉生產(chǎn)線中，整機(jī)采用中控室集中控制，具有高精度、全自動(dòng)運(yùn)行特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無人控制自動(dòng)工作。起重機(jī)自動(dòng)上料、智能分辨料倉盈虧分料。通過電氣和機(jī)械復(fù)合防搖擺技術(shù)，有效解決了起重機(jī)啟動(dòng)初始搖擺和運(yùn)行過程搖擺。

為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行控制過程的精確定位問題，通過研發(fā)位置編碼系統(tǒng)和絕對(duì)值編碼器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)，研發(fā)的“一種起重機(jī)精確自動(dòng)定位控制系統(tǒng)”，使起重機(jī)定位精度誤差由人工操作的100～200mm，降低到大、小車運(yùn)行±3mm，起升±5mm，可完全滿足起重機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)定位精度需要，并且提高生產(chǎn)效率3～4倍。