孫嘉杰

摘 要：大型機(jī)械起重機(jī)的使用，使工業(yè)生產(chǎn)中的重物搬運(yùn)更加便捷高效，為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)做出了突出的貢獻(xiàn)。提升起重機(jī)的運(yùn)行可靠性，成了當(dāng)前起重機(jī)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一項(xiàng)工作。電氣控制系統(tǒng)是起重機(jī)中最為重要的系統(tǒng)組成部分之一，是起重機(jī)可靠性、安全性與操縱性的重要保障，應(yīng)該加強(qiáng)其冗余設(shè)計(jì)。文章通過(guò)分析起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的串聯(lián)設(shè)計(jì)與并聯(lián)設(shè)計(jì)，探索起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；電氣控制系統(tǒng)；冗余設(shè)計(jì)；方法

中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）34-0100-02

Abstract： The use of large mechanical cranes makes the transportation of heavy objects in industrial production more convenient and efficient and has made a prominent contribution to the modernization of our country. To improve the reliability of crane operation has become a very critical task in the current crane design. The electric air system is one of the most important parts of the crane system， and it is an important guarantee for the reliability， safety and maneuverability of the crane. Therefore， the redundant design of the crane should be strengthened. Through analyzing the series design and parallel design of the crane's electrical control system， this paper explores the redundant design method of it.

Keywords： crane； electric control system； redundant design； method

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快，促進(jìn)了工程機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展，起重機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量和規(guī)模也在逐漸擴(kuò)增，在工業(yè)化進(jìn)程中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金、機(jī)械制造、港口物流、石油化工等行業(yè)。在起重機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍的當(dāng)下，只有不斷提升起重機(jī)的可靠性，才能夠保障社會(huì)生產(chǎn)的高效性，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)。電氣控制系統(tǒng)在起重機(jī)的控制當(dāng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，很多起重機(jī)故障或者安全事故都是由于電氣控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致的。因此，應(yīng)該在了解電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，增強(qiáng)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性，提升起重機(jī)生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)其使用壽命的同時(shí)，避免安全事故造成的人員傷亡。應(yīng)該在起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)中加強(qiáng)串聯(lián)設(shè)計(jì)、并聯(lián)和冗余設(shè)計(jì)，不斷優(yōu)化起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)性能。

1 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

1.1 可靠性設(shè)計(jì)

對(duì)于產(chǎn)品的預(yù)期安全和失效狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，這是保障可靠性設(shè)計(jì)能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵點(diǎn)，也是針對(duì)性提升產(chǎn)品可靠性的核心環(huán)節(jié)。配置產(chǎn)品系統(tǒng)子集的冗余設(shè)計(jì)指標(biāo)，比如元器件、組件和執(zhí)行單元等，是在起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)初期需要開(kāi)展的關(guān)鍵工作，起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后的工作狀態(tài)，應(yīng)該通過(guò)分析其功能、元器件、使用環(huán)境和多因素之間的相互關(guān)系進(jìn)行預(yù)估。為了能夠?qū)ζ鹬貦C(jī)電氣控制系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境下的工作狀態(tài)、工作能力和壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要建立力學(xué)模型與數(shù)學(xué)模型，并在故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和試驗(yàn)的幫助下，完成起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。此外，在起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)性原則。對(duì)于起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)的辨識(shí)，可以通過(guò)分析用戶需求、設(shè)計(jì)輸入、試驗(yàn)與指標(biāo)參數(shù)的預(yù)評(píng)結(jié)果、類比結(jié)果而實(shí)現(xiàn)。薄弱環(huán)節(jié)的辨識(shí)，能夠幫助設(shè)計(jì)人員采取有效的解決措施，實(shí)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的補(bǔ)強(qiáng)，不斷提升起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性，保障起重機(jī)的生產(chǎn)效率[1]。

1.2 設(shè)計(jì)輸入

在進(jìn)行起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該最大限度保障起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮。首先，對(duì)于制動(dòng)器電源和總動(dòng)力電源的斷開(kāi)，應(yīng)該由急停按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，以保障生產(chǎn)過(guò)程中的安全性。其次，應(yīng)該加強(qiáng)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的熱過(guò)載保護(hù)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱引起的系統(tǒng)故障，影響起重機(jī)的正常使用。再次，還應(yīng)該加強(qiáng)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)和錯(cuò)相、斷相保護(hù)、行程限位保護(hù)、超速保護(hù)、超載保護(hù)、通道門連鎖保護(hù)。最后，在起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)時(shí)，為了提升系統(tǒng)制動(dòng)的可靠性，應(yīng)該采用雙制動(dòng)控制。通過(guò)上述起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和加強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的不斷完善，提升起重機(jī)運(yùn)行的可靠性。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)造

起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)造，主要包括了主電源、主控制回路、安全控制回路、空調(diào)系統(tǒng)、全車照明系統(tǒng)、警鈴、操縱機(jī)構(gòu)回路等。安全控制回路的閉合包括了緊急開(kāi)關(guān)閉合正常、電氣室側(cè)走臺(tái)開(kāi)關(guān)閉合正常、司機(jī)室門關(guān)閉正常、相序按規(guī)范次序、端梁門開(kāi)關(guān)閉合正常、檢修走臺(tái)側(cè)門開(kāi)關(guān)閉合正常。為了做好機(jī)構(gòu)運(yùn)行的準(zhǔn)備，應(yīng)該在主電源正常和安全控制回路閉合后，用電鎖打開(kāi)電源、按下啟動(dòng)按鈕，主控制回路會(huì)得電吸合。運(yùn)行機(jī)構(gòu)限位開(kāi)關(guān)閉合包括了升降機(jī)構(gòu)上升、下降限位裝置或者開(kāi)關(guān)閉合正常，大車左右限位開(kāi)關(guān)閉合正常和小車前后限位開(kāi)關(guān)閉合正常，司機(jī)發(fā)出吊鉤上下、小車前后和大車左右的指令，各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況則由PLC控制。速度在反饋信息的作用下由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)速[2]。

2 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的串聯(lián)設(shè)計(jì)

2.1 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性

多個(gè)子單元進(jìn)行串接，共同組成串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中任一單元的可靠性都要高于串聯(lián)系統(tǒng)。為了提升系統(tǒng)的可靠性，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)子集的減少與設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

2.2 安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能夠提升串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)該將串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在各連鎖開(kāi)關(guān)、安全保護(hù)開(kāi)關(guān)和過(guò)流繼電器觸點(diǎn)中。在安全系統(tǒng)中設(shè)有安全接觸器，當(dāng)斷開(kāi)現(xiàn)象出現(xiàn)在控制回路中的串聯(lián)觸點(diǎn)時(shí)，那么整個(gè)回路就會(huì)出現(xiàn)斷電的狀況，安全接觸器釋放斷開(kāi)各機(jī)構(gòu)的電氣控制回路。下降深度限位、過(guò)流繼電器觸點(diǎn)、上升限位、端梁走臺(tái)聯(lián)鎖觸點(diǎn)、司機(jī)室開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、小車限位開(kāi)關(guān)、橋架通道口連鎖開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、大車限位開(kāi)關(guān)、大車走臺(tái)聯(lián)鎖觸點(diǎn)等，共同組成安全系統(tǒng)的電氣控制回路。

3 起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的并聯(lián)設(shè)計(jì)

3.1 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性

并聯(lián)系統(tǒng)由多個(gè)子單元并聯(lián)而成，并聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠保障只有在所有單元失效時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)才會(huì)失效，在可靠性上具有很大的優(yōu)勢(shì)[3]。若單元預(yù)期壽命符合指數(shù)分布，且子集失效概率相同時(shí)，那么并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性可以用如下公式表示：

其中n表示單元數(shù)量，λ表示單元失效率。并聯(lián)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間可以表示為以下公式：

在電氣控制系統(tǒng)、電子元件中，并聯(lián)系統(tǒng)的應(yīng)用非常普遍，能夠大大提升系統(tǒng)的可靠性。

3.2 起重機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)

冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是要保障當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)預(yù)期功能可以通過(guò)其他環(huán)節(jié)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)。由于冗余系統(tǒng)是并聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)上述并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性分析可知，只有當(dāng)所有單元失效時(shí)，冗余系統(tǒng)才會(huì)失效。因此，應(yīng)該在起重機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用上述設(shè)計(jì)理念，不斷提升制動(dòng)的可靠性。

雙制動(dòng)器是起重機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的主要機(jī)械形式，包括了支持制動(dòng)器和工作制動(dòng)器。工作制動(dòng)器動(dòng)作之后，支持制動(dòng)器才能動(dòng)作。主制動(dòng)器作為工作制動(dòng)器，卷筒制動(dòng)器作為支持制動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)起重機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)冗余性的設(shè)計(jì)[4]。

當(dāng)兩套制動(dòng)器同時(shí)作用時(shí)，卷筒制動(dòng)器和電機(jī)制動(dòng)器的得電吸合，能夠在上升或者下降主觸點(diǎn)閉合后完成，打開(kāi)抱閘能夠通過(guò)電磁力的作用實(shí)現(xiàn)，從而控制主鉤的升降工作。制動(dòng)器的下閘制動(dòng)則通過(guò)上升或下降接觸器失電實(shí)現(xiàn)。這種方式能夠保障系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，但是對(duì)于系統(tǒng)沖擊過(guò)強(qiáng)，影響起重機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

當(dāng)兩套制動(dòng)器分別作用時(shí)，電機(jī)制動(dòng)器的得電吸合可以通過(guò)上升主觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)，卷筒制動(dòng)器得電吸合后，抱閘在電磁力作用下打開(kāi)，控制主鉤上升。電機(jī)制動(dòng)器在下降主觸點(diǎn)閉合后得電吸合，抱閘在電磁力作用下打開(kāi)，控制主鉤下降。上升或者下降接觸器失電，會(huì)引起制動(dòng)器的下閘制動(dòng)。這種方式的可靠性較高。

第二套制動(dòng)器延遲作用時(shí)，電機(jī)制動(dòng)器的得電吸合可以通過(guò)上升主觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)從而完成立即開(kāi)閘。卷筒制動(dòng)器延時(shí)得電吸合后，抱閘在電磁力作用下打開(kāi)，控制主鉤上升。電機(jī)制動(dòng)器在下降主觸點(diǎn)閉合后得電吸合從而實(shí)現(xiàn)立即開(kāi)閘，卷筒制動(dòng)器延時(shí)得電吸合后，抱閘在電磁力作用下打開(kāi)，控制主鉤下降。上升或者下降接觸器失電，會(huì)引起制動(dòng)器的先后下閘制動(dòng)。延時(shí)回路的設(shè)計(jì)，使得延遲出現(xiàn)在制動(dòng)器動(dòng)作當(dāng)中，避免對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)造成過(guò)大沖擊，能夠不斷提升起重機(jī)的制動(dòng)穩(wěn)定性[5]。

此外，制動(dòng)接觸器還可以由兩個(gè)獨(dú)立電氣裝置進(jìn)行控制，能夠有效提升電氣控制的可靠性。粘連吸合發(fā)生在電氣裝置觸點(diǎn)時(shí)，另一串聯(lián)電氣裝置觸點(diǎn)能夠發(fā)揮作用。制動(dòng)接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)、延時(shí)繼電器的常閉觸點(diǎn)、主令接觸器觸點(diǎn)和下降接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)、下降輔助接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)以及上升接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)、上升輔助器的常開(kāi)觸點(diǎn)、主令控制器觸點(diǎn)，共同組成制動(dòng)接觸器電路的三條回路。

4 結(jié)束語(yǔ)

起重機(jī)電氣安全回路的串聯(lián)設(shè)計(jì)和起重機(jī)制動(dòng)器回路的并聯(lián)設(shè)計(jì)，能夠通過(guò)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，能夠有效提升起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)性能的保障。尤其是在當(dāng)前現(xiàn)代化建設(shè)速度越來(lái)越快的情況下，只有加強(qiáng)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，才能夠保障起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的功能發(fā)揮，提升起重機(jī)在社會(huì)生產(chǎn)中的作用。

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