李凱亮

（寧波港股份有限公司北侖礦石碼頭分公司，浙江 寧波 315000）

傳統(tǒng)抓斗式卸船機都設(shè)有起升重量保護裝置，其傳感器安裝在后大梁滑輪處，實時檢測支持、開閉兩根鋼絲繩所受負載數(shù)值是否超出安全設(shè)定值，從而保護卸船機及操作司機安全。但滑輪負載傳感器一般都采用偏心軸力臂式小型傳感器，雖然安裝方便、成本較低，但檢測波動較大，精度不高，經(jīng)常誤報警或不報警，很難起到保護作用。

1 主要問題

偏心軸力臂式傳感器安裝如圖1 所示，正常運行時，后大梁滑輪受到鋼絲繩向左拉力，由于滑輪軸與支座軸有一定量的偏心距，在支座軸上會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩通過一個外伸力臂轉(zhuǎn)化到傳感器上的壓力，滑輪負載與傳感器負載關(guān)系為L傳感器×L力臂=F滑輪×L偏心距，其中，L力臂=800 mm，L偏心距=25 mm。

可得滑輪與傳感器感器負載關(guān)系為：

由上式可知傳感器端受力大小僅為鋼絲繩滑輪3%左右。

圖1 起升保護裝置安裝及機構(gòu)圖（單位：mm）

雖然該檢測裝置將鋼絲繩滑輪大載荷通過力矩臂的方式轉(zhuǎn)化到小負載，但由于安裝精度、溫差變化、隨機振動等對力臂及傳感器影響，負載也會隨之增加。如何提高傳感器檢測精度是解決問題的關(guān)鍵所在。

2 方案選定

2.1 增加滑輪傳感器的數(shù)量

在前后大梁鋼絲繩滑輪都安裝傳感器，使前后大梁同時檢測。原來2 個傳感器只檢測2 根鋼絲繩的拉力，即抓斗一側(cè)的負載，當抓斗內(nèi)物料分布均勻時檢測數(shù)據(jù)準確，平時作業(yè)時抓斗內(nèi)物料擺放不均勻，檢測誤差較大。4 個傳感器可以避免由于抓斗內(nèi)物料不均勻造成的前后滑輪組受力不同，檢測精度有所提高，但本質(zhì)上無法解決力臂式傳感器誤差的影響。

2.2 滑輪銷軸式傳感器

將原滑輪普通銷軸更換為內(nèi)置傳感器的銷軸，使傳感器直接檢測滑輪受力，檢測精度直接由傳感器精度而定，檢測精度較高[1]。但是該方案具有局限性，只能適用于獨立銷軸式滑輪，當兩個滑輪公用一根銷軸的時，檢測精度將會受到影響，而且該傳感器安裝更換較為困難，升級改造成本較高。

2.3 鋼絲繩滾筒轉(zhuǎn)矩

本方案與前兩方案思路不同，通過檢測鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)矩，從而計算出鋼絲繩上的拉力。起升電機通過減速箱驅(qū)動鋼絲繩卷筒，通過電機的變頻器實時轉(zhuǎn)矩參數(shù)、減速箱減速比及傳動效率、鋼絲繩卷筒直徑參數(shù)及矯正系數(shù)，計算出滾筒上鋼絲繩的拉力。該方案排除了遠端鋼絲繩抖動等問題，精度較高，且成本較低，優(yōu)先考慮該方案。

3 滾筒上鋼絲繩拉力計算方法

直接檢測鋼絲繩滾筒轉(zhuǎn)矩難度較大，通過變頻器監(jiān)控電機參數(shù)，結(jié)合差動減速箱傳動比及傳動效率，間接得出滾筒轉(zhuǎn)矩，結(jié)合砝碼設(shè)置矯正系數(shù)，最終得到鋼絲繩拉力，如圖2 所示。

圖2 鋼絲繩拉力計算流程

本項目以西門子電控系統(tǒng)的抓斗卸船機為例，首先建立PLC 與變頻器力矩信號通訊。在變頻器中，選擇電機力矩數(shù)值參數(shù)并記錄通訊字節(jié)位置，在對應PLC 讀取變頻器狀態(tài)字對應位置建立數(shù)據(jù)單元，即完成對應數(shù)據(jù)傳輸接口。

根據(jù)抓斗卸船機減速箱及滾筒機械圖紙，可得到起升機構(gòu)齒輪傳動比、滾筒半徑。減速器主參數(shù)、齒輪分級參數(shù)分別如表1、表2 所示。鋼絲繩卷筒直徑如圖3 所示。

根據(jù)F鋼絲繩=T滾筒×r滾筒×φ修正系數(shù)=T電機×i傳動比×η傳動效率×r滾筒×φ修正系數(shù)，即可得F鋼絲繩=T電機×K系數(shù)，求得到關(guān)鍵系數(shù)K值，即可在程序?qū)崿F(xiàn)檢測目的。

表1 減速器主參數(shù)

表2 齒輪分級參數(shù)

圖3 鋼絲繩卷筒直徑（單位：mm）

4 PLC 保護程序優(yōu)化設(shè)計

在程序中設(shè)定好支持、開閉機構(gòu)電機力矩數(shù)據(jù)地址，將力矩信號與得到的關(guān)鍵系數(shù)K相乘，可得到對應機構(gòu)海陸側(cè)鋼絲繩拉力總和，支持、開閉機構(gòu)拉力的和值即為起升重量負載值[2]。由于電機起升加速段轉(zhuǎn)矩較大，需要進行區(qū)分。正常額定負載狀態(tài)下，加速段時間為2.7 s，加速度1 m/s2，轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2 倍，設(shè)置加速段時間內(nèi)超過3 倍負載并持續(xù)1 s 時判斷為超載或掛倉；勻速后在抓斗閉斗上升至漏斗上方前10 m 持續(xù)監(jiān)測，由于該階段抓斗不進行拋物線甩斗動作，檢測精度較高；當負載超過1.1 倍并持續(xù)3 s 即為過載報警。小車水平移動及開閉斗階段不進行檢測。

5 結(jié)語

實際使用過程中，司機反映報警情況比之前較為合理，特別是一些有經(jīng)驗的司機，可以通過目測估計抓斗是否超載，與報警情況相符。本項目還創(chuàng)新設(shè)計了起升重量檢測階段，把檢測范圍分段控制在加速階段及勻速直線上升階段，通過計算標定了各自的報警上限，過濾了其他檢測誤差較大報警較晚區(qū)域，報警更加優(yōu)先合理。本項目主要采用現(xiàn)有軟件進行擴展編程，不需要采購增加硬件設(shè)備，其他電控系統(tǒng)卸船機也可借鑒。