中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2025）03-0046-03

0 引言

隨著工業(yè)自動化和智能制造的快速發(fā)展，對起重設(shè)備的性能要求日益提高。橋式起重機作為工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運行效率、控制精度和能源利用率直接影響著生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文聚焦于變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機上的應(yīng)用研究，探討通過先進的控制方法提升起重機的整體性能。這項研究不僅有助于提高起重機的作業(yè)效率和安全性，還為設(shè)備的智能化升級和節(jié)能減排提供了技術(shù)支持，可為起重機制造商、系統(tǒng)集成商和終端用戶提供有價值的參考和指導(dǎo)。

1橋式起重機的概述

1.1橋式起重機的主要機構(gòu)

橋式起重機主要由橋架、小車、運行機構(gòu)和電氣系統(tǒng)等部分組成。橋架是起重機的主體結(jié)構(gòu)，由主梁、端梁等組成。小車沿主梁上的軌道橫向運行，承載起升機構(gòu)。起升機構(gòu)包括卷筒、鋼絲繩、滑輪組和吊鉤等，用于實現(xiàn)重物的垂直提升和下降。運行機構(gòu)由車輪、減速機和電機組成，驅(qū)動小車或起重機沿軌道運動。電氣系統(tǒng)負責(zé)協(xié)調(diào)各機構(gòu)的動作，實現(xiàn)起重機的精確操控。橋式起重機的各個機構(gòu)之間相互配合，形成了一個完整的機電一體化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)重物的三維空間移動。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得橋式起重機具有較大的工作范圍和較高的作業(yè)效率，適用于各種工業(yè)場景中的物料搬運和生產(chǎn)操作[]。

1.2橋式起重機的工作原理

橋式起重機的工作原理基于機械傳動和電氣控制的有機結(jié)合。起升過程中，電動機通過減速機驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)，帶動鋼絲繩纏繞或放松，從而實現(xiàn)吊鉤的上升或下降。橫向運動依靠小車上的電動機驅(qū)動行走輪，使小車在橋架上平穩(wěn)移動?？v向運動則由安裝在端梁上的運行電機驅(qū)動整個橋架在地面軌道上行走。這3個方向的運動可以單獨進行，也可以同時進行，從而實現(xiàn)重物在三維空間內(nèi)的精確定位。

起重機的各個運動均由電氣控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)和管理，操作人員通過控制臺或遙控器發(fā)出指令，控制系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為各機構(gòu)的運動參數(shù)，并實時監(jiān)控運行狀態(tài)，確保動作的準確性和安全性。在實際應(yīng)用中，橋式起重機還可以根據(jù)不同的工況要求，采用變頻調(diào)速、PLC編程等先進技術(shù)，實現(xiàn)更加精細和智能化的控制，提高作業(yè)效率和精度。

1.3橋式起重機的負載特性

橋式起重機的負載特性是指在不同工況下起重機各部件所承受的力和變形情況，對起重機的設(shè)計和使用至關(guān)重要。靜載荷主要包括起重機自重和額定起重量，這些荷載相對恒定，可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇來承擔(dān)。動載荷則較為復(fù)雜，包括起升載荷、慣性力、沖擊力等。起升過程中，由于加速度的存在，會產(chǎn)生附加動載荷，增加結(jié)構(gòu)應(yīng)力。橫向和縱向運動時，則會因為啟動、制動和速度變化而產(chǎn)生慣性力，對橋架和小車產(chǎn)生附加彎矩和扭矩。此外，風(fēng)載荷、溫度變化等環(huán)境因素也會影響起重機的受力狀態(tài)。

為應(yīng)對復(fù)雜的負載特性，對橋式起重機采用了一系列技術(shù)措施： ① 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高整體剛度。② 采用高強度材料，增強承載能力。 ③ 引入緩沖裝置，減少沖擊載。 ④ 利用變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)平穩(wěn)啟動和制動，降低動態(tài)載荷[2]

2變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 電機的選擇

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機是一個至關(guān)重要的部件，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和可靠性，通常采用三相異步電動機。首先，電機的額定功率應(yīng)與負載要求相匹配，既要滿足最大負載需求，又要避免冗余，以防止造成不必要的能源浪費和初始投資增加。其次，由于變頻器輸出的是高頻開關(guān)脈沖，會產(chǎn)生較高的電壓尖峰，因此電機的絕緣系統(tǒng)必須能夠承受這種電氣應(yīng)力。再次，電機的冷卻方式需適應(yīng)變頻調(diào)速的特點，尤其是在低速運行時要確保散熱效果。最后，還需考慮電機的轉(zhuǎn)矩特性、效率、功率因數(shù)等參數(shù)。對于特殊應(yīng)用場合，如高精度控制或?qū)挿秶{(diào)速，可選用專用的變頻調(diào)速電機，這類電機具有更好的低頻特性和過載能力。合理選擇電機不僅能提高系統(tǒng)的運行效率，還能延長設(shè)備的使用壽命，降低維護成本。

2.2變頻器

變頻器作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，其性能直接決定了整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量和運行效果。其基本結(jié)構(gòu)包括整流單元、直流中間電路、逆變單元和控制電路4個主要部分。整流單元將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直流中間電路平滑，并提供能量儲存，逆變單元則將直流電重新轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電?？刂齐娐坟撠?zé)協(xié)調(diào)各單元的工作，實現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的閉環(huán)控制。

在選擇變頻器時，需要考慮多個方面的因素：首先，變頻器的額定容量應(yīng)與電機匹配，通常選擇略大于電機額定功率的變頻器。其次，輸出頻率范圍應(yīng)滿足實際的調(diào)速需求，特別是對于需要低速運行或超速運行的場合，要確保變頻器的頻率輸出范圍能夠覆蓋所需的速度范圍。再次，變頻器的過載能力也是一個重要參數(shù)，它應(yīng)與負載的特性相適應(yīng)，尤其是對于頻繁啟動、制動或需要大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用，變頻器應(yīng)具有足夠的過載能力。最后，變頻器的控制性能、諧波抑制能力、電磁兼容性等也是重要考慮因素。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代變頻器正朝著高效率、高可靠性、智能化方向不斷發(fā)展，為變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用拓展提供了有力支持。

2.3變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制原理

橋式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制原理基于電機轉(zhuǎn)速與供電頻率的關(guān)系。系統(tǒng)通過改變電機定子繞組中交流電的頻率，來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場的速度，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。這種方法不僅能實現(xiàn)無級調(diào)速，還能保持電機的恒轉(zhuǎn)矩特性，滿足起重機在不同工況下的需求。

PLC與變頻器控制原理圖如圖1所示。控制過程如下：操作指令通過操作臺或遙控器輸入到PLC。PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯，計算出所需的速度和加減速曲線，并將這些信息轉(zhuǎn)換為頻率和電壓指令發(fā)送給變頻器。變頻器接收到指令后，通過其內(nèi)部的整流、逆變和PWM（脈寬調(diào)制）控制電路，生成相應(yīng)頻率和電壓的三相交流電，供給電機。通過速度傳感器或電流傳感器反饋實際運行狀態(tài)，PLC實時調(diào)整控制參數(shù)，使系統(tǒng)快速響應(yīng)負載變化和外部干擾。

在起重機的特定應(yīng)用中，還需考慮防搖擺控制、同步控制和位置控制等高級功能。例如，通過分析負載擺動規(guī)律，系統(tǒng)可自動調(diào)整加減速曲線，抑制吊鉤擺動。通過多機構(gòu)協(xié)調(diào)控制算法，可實現(xiàn)大車、小車和起升機構(gòu)的同步運動，提高定位精度和作業(yè)效率。

3變頻調(diào)速在橋式起重機上的應(yīng)用

3.1平穩(wěn)控制起升機構(gòu)

變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機起升機構(gòu)中的應(yīng)用極大地提高了起重作業(yè)的精度和安全性。通過采用變頻器控制起升電機，實現(xiàn)了起重過程中的軟啟動和軟停止，有效減少了啟動和制動過程中的沖擊載荷，降低了對機械結(jié)構(gòu)的損傷。變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)負載質(zhì)量自動調(diào)整加速度和減速度，確保重物在任何工況下都能平穩(wěn)提升和下降。

在精確定位方面，變頻調(diào)速技術(shù)通過精細調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)微動控制，使操作人員能夠以點動方式調(diào)整重物位置，從而精確地將重物置于所需位置，大大提高了作業(yè)效率。這種高精度控制在精密制造和精細操作領(lǐng)域尤為重要。變頻調(diào)速還能實現(xiàn)起升過程中的恒定功率控制，在低速大轉(zhuǎn)矩和高速小轉(zhuǎn)矩之間實現(xiàn)最佳平衡，既保證了起重能力，又提高了作業(yè)速度。

在安全方面，變頻器的過載保護功能可以防止超重起吊，其動態(tài)制動功能則能在緊急情況下快速停機，進一步增強了起重機的安全性能。這些智能化的安全功能大大提高了起重作業(yè)的可靠性和操作人員的工作安全性[3。

3.2智能控制大車運行

變頻調(diào)速技術(shù)在大車運行機構(gòu)中的應(yīng)用，顯著提升了整機的運行效率和定位精度。通過變頻器精確控制大車運行電機，實現(xiàn)了起重機在縱向方向上的平滑啟動、穩(wěn)定運行和精確停止。變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)行程距離自動計算最優(yōu)速度曲線，在短距離運行時采用低速模式，確保精確定位。長距離運行時則快速加速至高速，提高運行效率。這種智能化的速度控制不僅優(yōu)化了運行效率，還有效避免了頻繁加減速對機械系統(tǒng)的損耗，延長了設(shè)備使用壽命。

在多臺起重機協(xié)同作業(yè)的復(fù)雜場景中，變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合先進的位置檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多臺起重機之間的精確同步運行和防碰撞控制，大大提高了作業(yè)安全性和效率。

變頻調(diào)速還能有效抑制大車運行過程中的搖擺現(xiàn)象，通過智能算法實時計算并補償橫向慣性力，顯著減少重物的擺動幅度，提高了運輸穩(wěn)定性和精度。在惡劣環(huán)境下，如強風(fēng)條件，變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)實時監(jiān)測的風(fēng)速數(shù)據(jù)自動調(diào)整運行參數(shù)，如降低最高速度或增加加速時間，確保起重機在各種天氣條件下的安全運行。

3.3精確控制小車橫行

變頻調(diào)速技術(shù)在小車橫行機構(gòu)中的應(yīng)用，極大地提高了重物的定位精度和操作靈活性。通過變頻器控制小車橫行電機，實現(xiàn)了小車在橫向方向上的無級調(diào)速和精確定位。變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)負載質(zhì)量和運行距離，自動調(diào)整加速度、最高速度和減速度，確保小車在任何工況下都能平穩(wěn)運行。在精密作業(yè)中，變頻調(diào)速技術(shù)通過微速控制功能，使操作人員能夠以極低的速度微調(diào)小車位置，實現(xiàn)毫米級的定位精度。對于需要頻繁啟停的工況，變頻調(diào)速系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性大大減少了定位時間，提高了作業(yè)效率。

此外，變頻調(diào)速還能有效抑制小車橫行過程中的晃動問題，通過智能算法計算并補償橫向慣性力，減少重物的擺動幅度，提高運輸穩(wěn)定性。在多點同步吊裝等復(fù)雜工況下，變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合高精度位置反饋系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多臺小車之間的精確同步控制，滿足特殊工藝要求。

3.4能源效率優(yōu)化和系統(tǒng)集成

變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機上的應(yīng)用不僅提高了控制性能，還顯著優(yōu)化了能源效率并促進了系統(tǒng)集成。通過對起升、大車和小車運行機構(gòu)的全面變頻控制，實現(xiàn)了整機的能量優(yōu)化管理。在輕載工況下，變頻器可以降低電機的勵磁電流，減少鐵損和銅損，提高電機效率。在制動過程中，變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋，將動能轉(zhuǎn)換為電能回饋至電網(wǎng)或儲能裝置，大幅降低能耗。

此外，變頻調(diào)速技術(shù)為起重機的智能化和自動化奠定了基礎(chǔ)。通過將變頻器與PLC、傳感器網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)等先進控制技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)起重機的遠程監(jiān)控、故障診斷和預(yù)測性維護。在現(xiàn)代智能工廠中，變頻調(diào)速系統(tǒng)可以與工廠管理系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)（ERP）對接，實現(xiàn)起重機與生產(chǎn)線的協(xié)同控制，提高整體生產(chǎn)效率。這種系統(tǒng)集成不僅優(yōu)化了單臺起重機的性能，還為整個生產(chǎn)流程的優(yōu)化提供了可能性，推動了起重機向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展[4。

4結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機上的應(yīng)用涵蓋了起升、運行、橫移等多個方面，顯著提升了起重機的控制性能、運行效率和能源利用率。通過對各機構(gòu)的精確控制和系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了起重機的智能化操作和全面優(yōu)化。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進一步發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)將與更多先進技術(shù)融合，推動起重機向更高層次的智能化和自動化方向發(fā)展。這不僅將提高單臺設(shè)備的性能，還將促進整個工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的效率提升和智能化轉(zhuǎn)型，為制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供強有力的技術(shù)支撐。

參考文獻

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[4]王小明，盧志強.起重機變頻調(diào)速控制技術(shù)[].機械工程與自動化，2009（5）：186-188.