孫哲

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

在面對有些擺放不正的集裝箱時，橋吊主起升機(jī)構(gòu)要想抓箱子時就需要使用左傾、右傾、前傾、后傾、正旋和旋這些動作，而要想實(shí)現(xiàn)這些動作就一定要通過后大梁4個油缸的伸縮來完成，由油缸的伸縮來控制起升鋼絲繩在上架滑輪上的盤動從而達(dá)到傾轉(zhuǎn)與回旋各種工況，這就需要一整套的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要包括電機(jī)、電磁閥、比例閥、位移傳感器、油管、油缸、閥門等一系列設(shè)備，系統(tǒng)比較復(fù)雜，所占用的空間也很巨大，而且易產(chǎn)生漏油問題。而門架機(jī)構(gòu)由于其位置的特殊性，并無像主機(jī)構(gòu)一樣有后大梁液壓站平臺，要想像主機(jī)構(gòu)那樣實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)與回旋的各種工況，就得在吊具上架上做足功課，下文詳細(xì)介紹了一種門架機(jī)構(gòu)常用的解決傾轉(zhuǎn)與回旋工況的辦法——微動系統(tǒng)。

1 微動系統(tǒng)的組成

談到微動系統(tǒng)的組成，首先得明白門架起升結(jié)構(gòu)鋼絲繩滑輪與主起升結(jié)構(gòu)鋼絲繩滑輪是有很大的不同，一般主起升結(jié)構(gòu)鋼絲繩滑輪有4個，上架左右2邊各2個，對稱分布，后大梁的4個油缸一一通過鋼絲繩與滑輪緊密聯(lián)系起來，通過油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)和回旋動作，雖然門架起升結(jié)構(gòu)鋼絲繩滑輪也是4個，主要分布在門架上架的四個邊，即每個邊各1個。這樣就造就了起升鋼絲繩與主機(jī)構(gòu)起升的不同之處，也就是說，只要讓門架吊具上架四邊的四個滑輪可以自由運(yùn)動，就能帶動上架實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)與回旋各種工況。為了使上架四邊滑輪都可自由運(yùn)動，則需要在上架四邊裝4個推桿，將滑輪套在推桿上，通過推桿的伸縮來帶動滑輪的運(yùn)動，通過多個滑輪運(yùn)動從而促使吊具完成傾轉(zhuǎn)與回旋的動作。但是，由于門架吊具上架的空間限制，使用液壓系統(tǒng)會帶來相當(dāng)大的不便，所以直接用變頻馬達(dá)轉(zhuǎn)動來驅(qū)動推桿的運(yùn)動比較方便，另外，為了控制電機(jī)的移動啟停，則需要加制動器，由于電機(jī)功率不大，一般的橋吊使用電機(jī)自帶制動器，這樣做的好處是占用空間小，方便安裝且接線簡單，便于維修。為了準(zhǔn)確了解推桿的實(shí)時精確位置，一般在推桿的機(jī)械結(jié)構(gòu)尾部加一個絕對值編碼器，這樣可以通過與主PLC系統(tǒng)建立通信來隨時讀取推桿的實(shí)際位置。同時，為了控制推桿的伸縮范圍，防止推桿伸縮過多造成的機(jī)械卡住損傷，需要在推桿的機(jī)械伸縮量程范圍的2端分別各加上1個機(jī)械保護(hù)限位，即前停止限位和后停止限位，來保護(hù)推桿的伸縮，避免伸縮過頭。另外一般橋吊上的微動電機(jī)都是變頻電機(jī)，需要配備小型變頻器，每個電機(jī)需要1個變頻器，一套微動系統(tǒng)一般需要前后左右4個角共安裝4個微動電機(jī)（每個電機(jī)需自帶電機(jī)編碼器），4個微動電機(jī)制動器（一般為電機(jī)自帶制動器），4個絕對值編碼器，8個機(jī)械限位以及變頻器4個。其中微動電機(jī)及其自帶編碼器，微動電機(jī)制動器，絕對值編碼器，機(jī)械限位因?yàn)樾枰惭b在戶外，常年有風(fēng)雨的侵蝕，一般都會安裝防雨罩殼，變頻器因?yàn)榭臻g的限制和環(huán)境的需求，不宜安裝在門架上架接線箱內(nèi)，一般安裝在門架機(jī)房控制柜內(nèi)，通過門架垂纜連接到對應(yīng)的微動馬達(dá)。圖1為青島自動化項目微動系統(tǒng)一角實(shí)物圖。

圖1 青島自動化項目微動系統(tǒng)一角實(shí)物圖

2 微動系統(tǒng)工作原理

微動系統(tǒng)的工作從本質(zhì)上說是變頻器帶動馬達(dá)來帶動推桿的橫移完成的，總體上說，是操作人員通過按鈕發(fā)出操作指令后，PLC會相應(yīng)地輸出動作命令給變頻器，變頻器開始輸出電壓，電流傳送至馬達(dá)上，馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動來帶動推桿的位移，推桿的位移導(dǎo)致滑輪的橫移，當(dāng)多個滑輪一起橫移時，門架上架產(chǎn)生相對應(yīng)傾轉(zhuǎn)和回旋動作，在運(yùn)行剛開始時，馬達(dá)制動器也要在得電的一剎那打開，否則，會形成馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)。一般情況下，推桿馬達(dá)上使用的制動器都是馬達(dá)自帶制動器，這些制動器一般都需要提供額定的直流電壓方才打開，而馬達(dá)一般均為三相交流電，會在馬達(dá)內(nèi)部裝有一個半波整流塊或者全波整流塊，將輸入的交流電直接轉(zhuǎn)換成制動器所需要的直流電，從控制柜開關(guān)和接觸器下引出380V交流電或者220V交流電給整流塊(整流塊的選擇需根據(jù)馬達(dá)制動器的額定電壓來反向計算選擇，在給制動器送電前可測量馬達(dá)制動器電阻來同廠家銘牌上標(biāo)識的制動器電阻相比較來判斷馬達(dá)制動器的好壞），程序控制下可以在馬達(dá)運(yùn)行的瞬間讓制動器得電打開，馬達(dá)停止的瞬間讓制動器關(guān)閉。另外，馬達(dá)自帶制動器內(nèi)都自帶制動器打開限位，在制動器打開的情況下，可以給PLC一個打開的反饋信號。需要注意的是，馬達(dá)自帶制動器也可以通過機(jī)械方式手動打開以便需要調(diào)整制動器間隙所需。另外，電機(jī)在動作過程中，其本身的自帶增量編碼器會將電機(jī)的速度信號實(shí)時反饋給變頻器，一旦有變頻器的給定與馬達(dá)編碼器反饋速度不一致或者馬達(dá)超速等意外情況發(fā)生時，變頻器會立即發(fā)出故障信號，立刻停止電機(jī)的運(yùn)行，保護(hù)系統(tǒng)的安全。

由于電機(jī)長時間在戶外運(yùn)行，采購電機(jī)時需注意其IP防護(hù)等級，電機(jī)內(nèi)一般都會配置溫控和加熱器，當(dāng)出現(xiàn)馬達(dá)過溫的情況下，可以及時地將過溫信號發(fā)給PLC，讓其即刻停止馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，加熱器一般會在橋吊系統(tǒng)控制斷的情況下給馬達(dá)加熱，防止因戶外惡劣條件下雨水的侵入導(dǎo)致馬達(dá)內(nèi)的潮濕引發(fā)的短路絕緣故障。另外，每個推桿尾部的絕對值編碼器與PLC系統(tǒng)本身通過PROFIBUS DP線或者PROFINET線連接（通信電纜的屏蔽線需合理接地，另通信電纜戶外布線走線需要與馬達(dá)，馬達(dá)自帶制動器，加熱器的電纜分隔開，控制柜內(nèi)布線走線需要盡量遠(yuǎn)離380V交流電等相對高壓電源，以防止通信干擾），在調(diào)試過程中，通過調(diào)試絕對值編碼器來正確讀取推桿位移數(shù)值，并設(shè)置好推桿的零位與前停止、后停止的軟件位置，推桿的零位一般設(shè)置在推桿的中心位置，而前停止的軟件位置與后停止的軟件位置要在觸發(fā)前停止限位以及后停止限位之前觸發(fā)，否則，會失去保護(hù)的意義，另外，部分項目里也會設(shè)置軟件的前減速與后減速位置，推桿的位置觸發(fā)了前減速和后減速位置后，即便司機(jī)給了全速命令，PLC程序內(nèi)也會限定推桿的速度，以便推桿可以及時剎住車，能夠在停止限位的前面及時停止，在這里，值得注意的是，門架吊具左右2側(cè)推桿是對應(yīng)的，前后2側(cè)推桿也是對應(yīng)的，所以發(fā)出一個命令的時刻，左右2邊或者前后2個推桿的動作可能相反，其前停止和后停止的限位是不一樣的，這在調(diào)試過程中要值得注意。而推桿前停止限位和后停止限位作為推桿最重要的保護(hù)點(diǎn)，也是推桿伸縮的最后一道防線，一旦觸發(fā)，PLC會給出變頻器緊急停止的命令，讓推桿在最短的時間內(nèi)盡快停住，以免引起機(jī)械碰撞損傷。若因機(jī)械問題或程序故障等各種原因出現(xiàn)推桿沖出了停止限位的情況，這時需人員到門架上架上檢查推桿的實(shí)際情況，檢查系統(tǒng)有無機(jī)械損傷，檢查停止限位是否能正常工作，若無大礙，則可以反向運(yùn)行推桿退到中間零位位置，若出現(xiàn)推桿因機(jī)械故障卡住而不能動的情況，則需要拆掉推桿頭部的機(jī)械機(jī)構(gòu)，檢查內(nèi)部機(jī)械是否存在卡住的情況，需手動恢復(fù)推桿到正常狀態(tài)，再以反向運(yùn)行推桿退到中間零位位置。

另外，若推桿絕對值編碼器出現(xiàn)通信故障或者位置丟失錯誤故障，推桿編碼器前停止軟件點(diǎn)位置，后停止軟件點(diǎn)位置將失去對推桿的保護(hù)功能，這時需要慢速向后運(yùn)行推桿電機(jī)至后停止限位使其觸發(fā)以達(dá)到程序里讓絕對值編碼器重新清零的目的（清零即將絕對值編碼器設(shè)定到初始調(diào)試時編碼器在該位置的數(shù)值），然后才可正常運(yùn)行微動系統(tǒng)。

3 微動系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和不足之處

3.1 微動系統(tǒng)的優(yōu)勢

微動系統(tǒng)由于采用了變頻器加PLC控制，相較主機(jī)構(gòu)液壓加PLC控制，優(yōu)勢之處有：節(jié)省了能源，提高了電機(jī)的使用壽命，同時，系統(tǒng)可根據(jù)變頻器設(shè)定的參數(shù)達(dá)到精確控制，在增量編碼器，絕對值編碼器和計算機(jī)技術(shù)下支持下實(shí)現(xiàn)更高精度控制，避免了采用液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的液壓油流動過程中的局部損失和漏泄損失，放寬了高溫和低溫條件的限制，能夠在更廣泛的溫度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，再者，為防止漏油以及滿足某些性能上的要求，液壓元器件制造精度要求高，給使用和維護(hù)保養(yǎng)帶來了一定困難，機(jī)器在運(yùn)行一段時間就得為系統(tǒng)加油保養(yǎng)，而當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時也不易檢查。

3.2 微動系統(tǒng)的不足之處

微動系統(tǒng)的不足之處有：微動系統(tǒng)在單位重量的輸出功率和單位尺寸的輸出功率是最好的，在傳遞相同功率的情況下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、布局靈活等。從工作性能上看，其速度，功率均可無級調(diào)節(jié)，動作響應(yīng)性快，能迅速換向和變速，調(diào)速范圍寬；從使用維護(hù)上看，液壓元件的自潤滑性高，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)和保壓，安全可靠性較高，同時，由于前者采用了變頻器，而對于采用2線制通信的門架吊具而言，從門架機(jī)房到門架吊具的通信容易受到微動電機(jī)的干擾，在走線布線的時候需注意。

4 微動系統(tǒng)的延伸

隨著微動系統(tǒng)在門架機(jī)構(gòu)的推廣應(yīng)用，最近不少橋吊將其原理運(yùn)用到主機(jī)構(gòu)上，在小車架陸側(cè)面左右2側(cè)各裝有一個馬達(dá)，將左右2側(cè)的2個起升滑輪通過機(jī)械結(jié)構(gòu)連接到馬達(dá)傳動的推桿上，有人命名它為防扭機(jī)構(gòu)，通過PLC運(yùn)行指令傳遞到防扭機(jī)構(gòu)變頻器，再傳遞到小車架左右2側(cè)扭轉(zhuǎn)馬達(dá)，通過防扭馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)來前后運(yùn)行推桿，通過推桿尾端的絕對值編碼器來告知PLC推桿的位置，以推桿清零點(diǎn)的軟件位置、前停止的軟件位置、后停止的軟件位置、前停止限位、后停止限位來保護(hù)推桿，通過左右推桿的運(yùn)行來推動左右滑輪的前進(jìn)和后退，從而達(dá)到讓主機(jī)構(gòu)吊具上架前后防扭的功能，其原理與微動系統(tǒng)十分相似。

5 結(jié)語

綜上所述，微動系統(tǒng)在有限的空間內(nèi)，基本上滿足了門架上架的傾轉(zhuǎn)和回旋功能，使門架機(jī)構(gòu)能像主機(jī)構(gòu)一樣即便面對復(fù)雜的集裝箱情況也可正常工作，系統(tǒng)開發(fā)者很好地應(yīng)用了電動傳動的原理，解決了門架機(jī)構(gòu)的傾轉(zhuǎn)和回旋問題，值得推廣。

當(dāng)下，隨著工業(yè)4.0的到來，越來越多的港口開始走向無人化、自動化，無人雙小車自動化橋吊越來越得到市場的青睞，市場也越來越廣，作為無人雙小車自動化橋吊的一部分，門架微動系統(tǒng)亦不可或缺。希望有更多的創(chuàng)新可以加入未來的橋吊中，讓橋吊越來越靠近工業(yè)4.0的目標(biāo)。