沈世超+黃雷+劉壽恩
摘 要:橋式抓斗卸船機(jī)具有自動化程度高、作業(yè)效率快、運用范圍廣等特點,是國內(nèi)外散貨港口的重要設(shè)備。抓斗系統(tǒng)包含鋼絲繩、卷筒、移動小車等機(jī)械機(jī)構(gòu),也包括變頻系統(tǒng)、稱重傳感單元及PLC等電氣機(jī)構(gòu),它的穩(wěn)定可靠性對作業(yè)效率有著直接的影響。而在設(shè)備維護(hù)管理和生產(chǎn)作業(yè)中,抓斗過載保護(hù)更是有著重要作用。它既是抓斗鋼絲繩、卸扣、連接繩套等設(shè)備的安全保障,也直接關(guān)系到抓取和提升物料的快慢。因此,如何對橋式抓斗卸船機(jī)的抓斗過載保護(hù)進(jìn)行調(diào)試運用具有重要意義。
關(guān)鍵詞:橋式抓斗卸船機(jī);抓斗過載保護(hù);調(diào)試運用;
Abstract: Bridge-type grab ship unloader is a type of high automation 、high efficiency and widely used machine, which is also a important equipment in the bulk ports both at home and abroad.Grab system contains the mechanical institutions ,like the steel wire rope、 drum、 moving car agency,it also contains the electrical institutions,like frequency conversion system 、weighing sensor unit and PLC. Its stability and reliability has a direct effect on working efficiency. Grab overload protection play a important role in the equipment maintenance and production operation.It is the security guarantee of grab steel wire rope、shackle、pear shaped rope slings and so on,which is directly related to the speed of material fetching and ascension. However,how to debug and applicate grab overload protection is quite important for the bridge-type grab ship unloader.
神華粵電珠海港煤炭碼頭有限責(zé)任公司有橋式抓斗卸船機(jī)4臺,額定作業(yè)效率為1800T/H,采用對雙顎瓣抓斗,系統(tǒng)為四卷筒差動補(bǔ)償牽引小車形式。主要作業(yè)船型為7-15萬噸散貨船型,作業(yè)煤種較為廣泛,既有神華內(nèi)部各煤種、又有國外進(jìn)口煤種,因含水率和密度變化較大,故對單斗作業(yè)量及格柵漏斗通過率都有不同的影響,也直接關(guān)系著抓斗過載保護(hù)的調(diào)試設(shè)定。
1抓斗系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
1.1抓斗系統(tǒng)
現(xiàn)場抓斗為四索雙顎瓣抓斗,其中2根鋼絲繩控制抓斗起升,2根鋼絲繩控制抓斗開閉,在顎瓣兩側(cè)還配備有可拆卸的3級增容板,便于對斗容進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,抓斗自重18400kg。
驅(qū)動系統(tǒng)由五臺安川提供的交流電機(jī)控制,由高速軸齒形聯(lián)軸節(jié)、圓盤制動器、行星差動減速箱、卷筒軸聯(lián)軸器、單層卷筒、滾動軸承座及底架等主要部件組成。本系統(tǒng)經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動行星齒輪減速箱,帶動四只獨立的卷筒,輸入兩組對應(yīng)的不同旋向的組合運動,使得抓斗起升、開閉及小車運行,既可以獨立運動,又可以復(fù)合運動,實現(xiàn) “三合一”運動組合。
1.2小車起升、開閉鋼絲繩纏繞及工作原理圖
如圖1所示,抓斗系統(tǒng)4根?42.5鋼絲繩的端頭分別由鋼絲繩壓板固定在卷筒上,其中二根鋼絲繩指向海側(cè),二根鋼絲繩指向陸側(cè),它們的另外二端分別經(jīng)海、陸側(cè)端梁上的改向滑輪組,再經(jīng)由主小車的開閉、起升滑輪組,繞向抓斗頭部,與抓斗的起升繩繩套和開閉繩梨形繩套、快速接頭相連接,重量傳感器便安裝于后大梁的過渡滑輪支座下,為銷軸式傳感器。通過起升、開閉卷筒的旋轉(zhuǎn)配合,達(dá)到抓斗小車移動及抓斗起升開閉的目的。
2抓斗系統(tǒng)的電氣及控制原理
神華珠海港采用的控制系統(tǒng)為日本安川整套控制系統(tǒng),包含供配電柜、上位機(jī)、安川PLC等,通過參數(shù)設(shè)置,可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速輸出或恒加速度輸出等,也可對加減速的時間斜坡進(jìn)行設(shè)置。通過驅(qū)動電機(jī)、差動減速箱電氣控制及配合,實現(xiàn)起升運動、小車牽引運動和復(fù)合運動。
與之配套的操作手柄為德國品牌Spohn+Burkhardt,通過齒輪嚙合與同軸滑動變阻器進(jìn)行匹配,同時以手柄上觸點判斷起升開閉方向,輸出的模擬量信號通過PLC控制變頻器,實現(xiàn)鋼絲繩卷筒按照設(shè)定工況進(jìn)行工作,手柄的最大行程設(shè)定的速度即為最大速度。抓斗的起升和開閉位于同一操作手柄,基本行程為十字形布置,同時,也具有復(fù)合功能,即手柄可以以360度的圓面旋轉(zhuǎn),同時輸出起升和開閉指令。按照現(xiàn)場的實際情況,抓斗卸船機(jī)設(shè)計調(diào)試為恒加速度控制模式,即當(dāng)手柄指令輸出時,無論此時抓斗處于何種狀態(tài),都以同一數(shù)值的加速度進(jìn)行加速或減速。在實際作業(yè)中,抓斗由靜止到最大速度150m/min用時為3.3s,加速度即為0.7576m/s2。
3抓斗過載保護(hù)的調(diào)試運用
3.1銷軸式壓力傳感器的工作原理及校正測試方案
卸船機(jī)使用的銷軸式壓力傳感器采用德國Tecsis品牌,型號為F5308,工作量程為0.5噸到300噸,綜合誤差為≤±1%,輸出為4~20ma的模擬量,總計2個,分別安裝于后大梁的起升、開閉鋼絲繩的過渡滑輪支座下。在抓斗閉合時,四根鋼絲繩完全受力,滑輪中的銷軸傳感器示數(shù)總和即為抓斗(含鋼絲繩)及抓斗物料的重量。因此在實際使用中,如何確保在量程范圍內(nèi)的線性,是提升計量精度的關(guān)鍵,也是確保過載保護(hù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。在標(biāo)定計量過程中,根據(jù)線性方程y=kx+b.確定斜率k和偏移量b,再與4~20ma的模擬量相對應(yīng)即可。
首先,將抓斗完全放入卸船機(jī)漏斗格柵,再緩慢動作開閉及起升卷筒,將4根鋼絲繩繼續(xù)下放,直到達(dá)到松弛狀態(tài),這時,后大梁到移動小車的鋼絲繩將不再受力,受力由大梁上的水平托輥承受,唯一受力為卷筒出繩處到后大梁卷筒處,滑輪此時受力總重約0.1t,遠(yuǎn)小于產(chǎn)品本身的±1%誤差,所以在實際操作中,可直接以0.1噸作為標(biāo)記,對應(yīng)輸出電流為4ma。值得注意的是,此時的狀態(tài)并非作業(yè)時的狀態(tài),僅作為最終計算式的參考,不作為實際標(biāo)定調(diào)數(shù)。
然后將抓斗閉合提升,提升至最高處保持靜止,使得四根鋼絲繩受力,此時傳感器顯示總數(shù)應(yīng)為抓斗空斗重量18.6噸(含鋼絲繩及附件重量約0.2噸)。此時的數(shù)值進(jìn)行記錄,作為一次函數(shù)的起點。
將抓斗下方至碼頭面適當(dāng)高度,利用抓斗的吊取清倉推耙機(jī)的吊點,將標(biāo)定集裝箱通過吊索具與抓斗連接,此時集裝箱中應(yīng)放上砝碼,集裝箱總重為最大抓取物料量時的抓斗重量,現(xiàn)場為32.9t(含吊索具重量約0.1噸)。記錄此時的數(shù)據(jù),作為一次函數(shù)的終點。
再下放標(biāo)定集裝箱至碼頭面上,依次將內(nèi)部砝碼取出,現(xiàn)場砝碼共6塊,為鋼結(jié)構(gòu)包含混泥土塊形式,每塊重約5噸。每取出一塊,重復(fù)空斗時的操作,進(jìn)行測量并記錄相關(guān)數(shù)據(jù),此項操作應(yīng)重復(fù)進(jìn)行5次。在每移出一塊砝碼再標(biāo)定的過程中,必須調(diào)整砝碼分布,確保集裝箱在的吊裝過程中保持平衡,四根鋼絲繩才能受力均衡。
測試完成后,根據(jù)記錄的8組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析(其中一組為對比參考)??衫胑xcel表中的趨勢線算法或者Origin等軟件,進(jìn)行多點擬合一元一次方程。其中,計算公式如下:
設(shè)直線為y=kx+b,已知的7個點為(xi,yi),i=1...7。
記x'=(x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7)/7, y'=(y1+y2+y3+y4+y5+y6+y7)/7為平均數(shù),則多點擬合的一元一次方程結(jié)果為:
k=∑(|xi-x'|)(|yi-y'|)/∑(|xi-x'|)^2;
y'=kx'+b。
最后根據(jù)得出的方程,對實際重量和4~20ma的模擬量電流進(jìn)行保存標(biāo)定即可。
3.2抓斗過載保護(hù)的設(shè)定及程序優(yōu)化
3.2.1過載保護(hù)的分析
在作業(yè)過程中,由于煤種及含水量等不同,以及操作人員水平的差異,每一抓斗的重量有著較大的不同,過載保護(hù)的最大意義在于對鋼絲繩以及連接梨形繩套、快速卸扣的保護(hù),避免抓斗移動和提升過程中,沖擊載荷導(dǎo)致鋼絲繩斷裂和連接件損壞,發(fā)生各種安全事故。
通過變頻器控制及手柄操作的速度配合原理可知,抓斗提升為勻加速度過程,所以在過載保護(hù)的設(shè)計中,滿足最大極端工況下即可。即最大抓取量下,采用手柄可達(dá)到的恒加速度,從靜止抓取到最大速度,再勻速上升的過程中,相關(guān)設(shè)備均在安全范圍內(nèi)。計算過程如下:
靜止?fàn)顟B(tài)下,最大抓取量下的總重量:G=32.8+18.4+0.2=51.4噸
其中,抓斗自重18.4噸,鋼絲繩卸扣重量0.2噸,最大抓取量32.8噸。
滿足勻加速度下的所需出力:F=G×A=51.4t×0.7576m/s2=38.9噸。
四根起升開閉鋼絲繩的總拉力:T=G+F=51.4+38.9=90.3噸。
平均單根鋼絲繩所受最大拉力:T單=90.3/4=22.58噸=221.3KN。(g取9.8m/s2)
3.2.2鋼絲繩的強(qiáng)度校核
現(xiàn)場使用的鋼絲繩為抗拉強(qiáng)度為1770MPa的鋼絲繩芯鋼絲繩,型號為IWRC 6×WS(36)左/右旋,直徑42.5mm。鋼絲繩的最小破斷力為1230KN。按照鋼絲繩使用安全系數(shù)推薦標(biāo)準(zhǔn)(抓斗吊機(jī)上的控制鋼繩建議采用為4-5),對鋼絲繩進(jìn)行校核。
現(xiàn)場使用的鋼絲繩為抗拉強(qiáng)度為1770MPa的鋼絲繩芯鋼絲繩,型號為IWRC 6×WS(36)左/右旋,直徑42.5mm,最小破斷力為1230KN。因此,平均單根鋼絲繩的實際安全系數(shù)N=1230/221.3=5.56>5。由此可知,在最大載重量下,按照設(shè)計加速度,鋼絲繩強(qiáng)度滿足使用需求。
3.2.3過載保護(hù)程序的設(shè)計
在實際操作過程中,當(dāng)抓斗打開后開始下降時,提升卷筒動作,這個過程是由2根起升鋼絲繩受力,當(dāng)打開的抓斗放至煤炭表面上后,開閉卷筒動作,抓斗逐漸閉合,抓取物料,這時開閉鋼絲繩受力也逐漸加大,直至抓斗完全閉合,完全開始起升后,最終達(dá)到4根鋼絲繩受力的理想狀態(tài)。
由于全程是動態(tài)過程,除了煤種、含水率等、抓取位置等多種客觀因素外,還有操作人員水平、視線問題等主觀因素。所以抓取過程中,鋼絲繩受力始終處于不規(guī)則的動態(tài)變化過程中。鋼絲繩的最大沖擊是在最大抓取量下,將手柄打至最大速度的極限位置,全速提升抓斗。這時的最大沖擊時間約出現(xiàn)在操作手柄指令輸出后的1秒左右,此時的受力數(shù)值和理論計算值接近,所以,設(shè)計過載保護(hù)的程序為:操作指令輸出后的第1秒,兩個傳感器之和(即總測量值)受力不超過最大靜止載荷的176%,即T/G=90.3t/51.4t=176%。
在提升階段,由于達(dá)到最大速度150m/min用時為3.3s,為實現(xiàn)3.3秒時勻速提升,變頻控制系統(tǒng)已經(jīng)提前控制轉(zhuǎn)矩,拉力T也隨之減小,考慮在1~3秒起升的過程中,力矩變化較為復(fù)雜,因此,只需設(shè)定在即將到達(dá)最大速度時,即操作指令輸出后的第3秒,兩個傳感器之和(即總測量值)受力不超過最大靜止載荷的150%。
在穩(wěn)定提升過程與到達(dá)適合高度位后的減速過程時,變頻控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩較為穩(wěn)定,即使出現(xiàn)停止手柄指令輸出的情況,拉力T變化也不會太大,即滿足操作指令輸出后的第5秒,兩個傳感器之和(即總測量值)受力不超過最大靜止載荷的125%。
這樣,即可在鋼絲繩的正常載荷與安全系數(shù)范圍內(nèi),對抓斗作業(yè)的過載起到有效地保護(hù)作用,一旦兩個傳感器之和(即總測量值)超過設(shè)計程序的范圍,聯(lián)鎖抓斗起升的控制條件,禁止起升,同時報出過載故障。為了更好保護(hù)鋼絲繩及連接鏈條,快速卸扣等部件,在程序中還應(yīng)加入斷繩保護(hù)設(shè)定,即起升過程作業(yè)時,每個傳感器數(shù)值不能突變?yōu)?。
4過載保護(hù)的運用及探索
在過載保護(hù)的調(diào)試運用當(dāng)中,還應(yīng)該充分考慮作業(yè)過程中的機(jī)械震動對傳感器精度造成的影響,尤其是下料漏斗震動放料器的諧振影響。同時,因為傳感器均設(shè)立在大臂后梁滑輪銷軸處,抓取物料后,小車往后大梁移動時,雖然大梁通過小車承受了部分滿載抓斗的重量,但是后大梁的銷軸傳感器同樣受到加速度的影響,會存在報出過載故障的情況,因此,在設(shè)定完成后,還需要反復(fù)試驗,對小車移動速度或過載報警倍率進(jìn)行優(yōu)化。
此種過載保護(hù)同樣適用于橋吊、門機(jī)及其他各項鋼絲繩起重機(jī)械中,能夠?qū)υO(shè)備起到更加全面的保護(hù)作用。
參考文獻(xiàn):
[1] 陳炳,潘玉林. 重量傳感器在橋式卸船機(jī)上的改進(jìn)[J]. 應(yīng)用技術(shù), 2014(9): 235~237.
[2] 趙煥章. 橋式抓斗卸船機(jī)動態(tài)稱重系統(tǒng)的研發(fā)[J]. , 2011(1): 30~32.
[3] 于祥春,張濤. 一種卸船機(jī)稱重系統(tǒng)[P]. 中國發(fā)明專利, CN201020595549.7. 2011-05-18.