供稿|王榮強(qiáng) /

作者單位：本鋼板材股份有限公司煉鋼廠，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章對(duì)本鋼板材煉鋼廠接受跨區(qū)域260 t鑄造起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)減速器存在的齒輪沖擊問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，分析對(duì)比了兩種解決方案的優(yōu)劣，確定利用PLC程序?qū)χ髌鹕龣C(jī)構(gòu)運(yùn)行中實(shí)時(shí)采集的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)主起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的判定、操作優(yōu)化等功能，從而調(diào)整主起升運(yùn)行狀態(tài)并最終將齒輪沖擊消除。該方案邏輯清晰、科學(xué)合理、執(zhí)行方便、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，且最大限度地避免了人為干預(yù)，無(wú)安全隱患，對(duì)大型減速器的安全運(yùn)行和技術(shù)改造有著積極的借鑒意義。

本鋼板材煉鋼廠6臺(tái)260 t橋式鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)采用長(zhǎng)減速器結(jié)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)及變壓調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制。在特定的運(yùn)行方式下，起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)減速器齒輪嚙合存在較大沖擊，已嚴(yán)重威脅到了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

減速器齒輪嚙合沖擊的出現(xiàn)

260 t橋式鑄造起重機(jī)主起升系統(tǒng)構(gòu)成

260 t鑄造起重機(jī)的主起升傳動(dòng)系統(tǒng)由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)將力矩傳送至一臺(tái)長(zhǎng)減速器的兩個(gè)快速軸上，經(jīng)減速器變速后，再將力矩輸出至兩個(gè)慢速軸，以帶動(dòng)兩個(gè)雙聯(lián)卷筒卷動(dòng)鋼絲繩，從而實(shí)現(xiàn)吊鉤的升降作業(yè)(圖1)。

圖1 主起升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)采用頻率反饋?zhàn)儔赫{(diào)速方式，四個(gè)控制檔位，速度分別為10%、20%、30%和100%(100%為全速運(yùn)行)。機(jī)構(gòu)的運(yùn)行是由控制器發(fā)出指令后，信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，然后輸出給指令繼電器，由調(diào)速裝置根據(jù)指令控制正反向接觸器和電機(jī)定子電壓，自動(dòng)完成啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速、反接等動(dòng)作。變壓調(diào)速裝置通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)子頻率反饋信號(hào)與裝置內(nèi)部固化的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比較[1]，自動(dòng)控制電機(jī)的定子電壓以及方向接觸器的切換。制動(dòng)系統(tǒng)原由四套直流電磁式制動(dòng)器及制動(dòng)輪構(gòu)成，由于該制動(dòng)器存在制動(dòng)力矩不足的缺陷，于2015年對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造，采用制動(dòng)盤(pán)配以液壓盤(pán)式制動(dòng)器組成新的制動(dòng)系統(tǒng)。新系統(tǒng)具有制動(dòng)力矩大、抱閘快速、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

減速器齒輪嚙合沖擊現(xiàn)象

新制動(dòng)系統(tǒng)輕載運(yùn)行時(shí)，當(dāng)機(jī)構(gòu)從四檔(全速)直接扳回零位(以下簡(jiǎn)稱“回零”)，制動(dòng)器迅速將制動(dòng)盤(pán)抱住(以下簡(jiǎn)稱“抱閘”)，而慢速軸所帶動(dòng)的卷筒會(huì)慣性運(yùn)行一段后停止。同時(shí)，減速器內(nèi)部傳出兩次強(qiáng)烈的異響，并伴有劇烈震動(dòng)，齒輪嚙合沖擊極為嚴(yán)重。而主起升系統(tǒng)在其他運(yùn)行方式時(shí)基本正常，沒(méi)有明顯的嚙合沖擊。

發(fā)生嚙合沖擊的原因

經(jīng)過(guò)深入研究確定：主起升減速器的傳動(dòng)間隙是造成嚙合沖擊的根本原因[2]。機(jī)器高速上升時(shí)，快速軸帶動(dòng)慢速軸高速運(yùn)行，如圖2(a)；當(dāng)回零時(shí)，快速軸立即被制動(dòng)器抱死，因存在傳動(dòng)間隙，慢速軸仍向上慣性運(yùn)行，從而產(chǎn)生第一次嚙合沖擊，如圖2(b)；之后，由于吊鉤自重(24 t)的作用，卷筒帶動(dòng)慢速軸回落，形成第二次沖擊，如圖2(c)。在改造前，由于電磁式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩不足，快速軸能克服制動(dòng)力矩再轉(zhuǎn)動(dòng)一段距離，從而形成了一定的緩沖。

圖2 齒輪嚙合沖擊示意圖

嚙合沖擊的危害

減速器齒輪的嚙合沖擊將損傷齒輪，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷齒、啃齒等故障發(fā)生。對(duì)于從事液態(tài)熔融金屬吊運(yùn)的大型鑄造起重機(jī)來(lái)說(shuō)，起升機(jī)構(gòu)減速器若出現(xiàn)上述故障，將導(dǎo)致重大設(shè)備事故或人身傷害事故。

嚙合沖擊的解決方案

對(duì)6臺(tái)起重機(jī)的減速器進(jìn)行更換可消除傳動(dòng)間隙，但投資巨大，施工周期長(zhǎng)，不具有可行性。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備的調(diào)試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)制動(dòng)器抱閘前，若能確?？刂破髟谏仙粰n停留一定時(shí)間，就可以大幅降低慢速軸的慣性勢(shì)能，從而減輕或避免嚙合沖擊現(xiàn)象。

優(yōu)化操作

制定相應(yīng)的操作規(guī)定：在主起升輕載上升回零時(shí)，要求操作人員將控制器手柄在低速檔位上停留一段時(shí)間，再扳回零位，可避免沖擊。但當(dāng)停留時(shí)間把握不好時(shí)，也偶有沖擊發(fā)生；當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)緊時(shí)，操作人員常常遺忘規(guī)定的操作，致使嚙合沖擊現(xiàn)象頻繁發(fā)生，對(duì)安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。

優(yōu)化系統(tǒng)

新增一段PLC程序自動(dòng)優(yōu)化上述操作，主要原理是：當(dāng)主起升上升四檔回零后，通過(guò)PLC程序控制，確保主起升機(jī)構(gòu)在降速后，繼續(xù)延時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間，以消除慢速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，然后再抱閘。在這個(gè)過(guò)程中，判斷依據(jù)是變壓調(diào)速裝置的狀態(tài)，無(wú)過(guò)多人為參與因素，可確保系統(tǒng)安全。

PLC程序設(shè)計(jì)

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

操作優(yōu)化應(yīng)先判斷主起升運(yùn)行于輕載全速上升后回零的狀態(tài)；確認(rèn)狀態(tài)后，加入執(zhí)行程序優(yōu)化操作；操作循環(huán)結(jié)束后，要恢復(fù)PLC數(shù)據(jù)初始狀態(tài)(程序流程示意圖見(jiàn)圖3)。根據(jù)以上三個(gè)步驟，對(duì)應(yīng)地將程序段劃分為：狀態(tài)判定模塊、優(yōu)化執(zhí)行模塊和復(fù)位模塊。

狀態(tài)判定模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)主起升輕載全速上升回零時(shí)，機(jī)構(gòu)的上升慣性大于吊鉤的自重，速率下降較慢，調(diào)速裝置檢測(cè)后，會(huì)自動(dòng)加入反向力矩(即輕載上升回零時(shí)，下降接觸器會(huì)短時(shí)吸合)，形成上升回零的反接制動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱“上升電制動(dòng)”)，使系統(tǒng)盡快降速。狀態(tài)判定模塊通過(guò)檢測(cè)主起升上升四檔回零的反饋信號(hào)同下降接觸器吸合信號(hào)進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，從而確定調(diào)速裝置有上升電制動(dòng)行為，則判定機(jī)構(gòu)處于輕載上升全速回零的運(yùn)行狀態(tài)，并將擴(kuò)展脈沖定時(shí)器置位。

圖3 PLC程序流程示意圖

優(yōu)化執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

優(yōu)化操作的過(guò)程由未上電制動(dòng)、施加電制動(dòng)和電制動(dòng)結(jié)束的三個(gè)時(shí)間段構(gòu)成。未上電制動(dòng)階段是在未出現(xiàn)上升電制動(dòng)時(shí)，通過(guò)寄存器M91.3將指令先鉗位于上升1檔，確保優(yōu)化操作的連貫性。施加電制動(dòng)階段是在有電制動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，將寄存器M91.2置1，將上升1檔指令擴(kuò)展延時(shí)5 s，并啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)。電制動(dòng)結(jié)束階段是在確認(rèn)系統(tǒng)上升回零電制動(dòng)工作循環(huán)已結(jié)束(下降接觸器復(fù)位，上升接觸器重新吸合)，將上升1檔指令(M91.2)再延續(xù)0.1 s后抱閘。PLC程序如圖4。

將優(yōu)化執(zhí)行寄存器M91.4與上升1檔指令存儲(chǔ)器以邏輯或的方式并聯(lián)，從而延緩上升1檔繼電器1K01的釋放，使系統(tǒng)在輕載上升全速回零的過(guò)程中有充分的減速時(shí)間，從而達(dá)到消除嚙合沖擊的目的[3]。

復(fù)位模塊設(shè)計(jì)

復(fù)位模塊是當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行完優(yōu)化操作后，延時(shí)0.5 s后，對(duì)上述所有程序段總復(fù)位，恢復(fù)初始狀態(tài)，等待下一個(gè)工作循環(huán)的到來(lái)。

圖4 優(yōu)化操作執(zhí)行PLC程序模塊

實(shí)施效果

在主起升機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用上述程序，使機(jī)構(gòu)在2～3 s的時(shí)間內(nèi)，順暢地完成全速—平穩(wěn)減速—最后抱閘停止的全過(guò)程。根據(jù)設(shè)備調(diào)試試驗(yàn)繪制的時(shí)序圖(圖5)可知，新增的PLC程序?qū)崿F(xiàn)了優(yōu)化操作的目的，機(jī)構(gòu)狀態(tài)平穩(wěn)，減速器無(wú)嚙合沖擊，操作人員反映良好。

結(jié)束語(yǔ)

本鋼板材煉鋼廠6臺(tái)260 t起重機(jī)的主起升減速器因存在傳動(dòng)間隙，造成齒輪嚙合沖擊較大。通過(guò)創(chuàng)新性地編譯PLC程序?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)優(yōu)化操作。該方案可行、執(zhí)行方便、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、無(wú)安全隱患，對(duì)冶金企業(yè)設(shè)備管理提出了新思路、新方法，具有一定的創(chuàng)新性和借鑒意義。

圖5 數(shù)據(jù)量時(shí)序圖

攝影 賈大庸