下旋轉電磁掛梁的防擺設計及研究

房師平 張淑新

下旋轉電磁掛梁的防擺設計及研究

房師平 張淑新

（山起重型機械股份公司技術中心，青州 262515）

本文介紹了下旋轉電磁掛梁的常規鋼絲繩繞繩方式及創新的繞繩方式，對柔性繩索的防擺分類及控制方式的發展進行綜述，展望防擺技術的未來發展方向。

起重機下旋轉 十字框架 防擺

冶金企業的起重設備在金屬冶煉和軋制過程中起著和生產設備同樣重要的作用，冶金起重機的生產效率和可靠性對冶金企業的產量和產品的質量有著直接的影響。世界上每一個工業發達的國家每年用于物料搬運的費用都很高。例如，日本每年用于物料搬運的費用為生產總費用的10%左右；美國每年用于物料搬運的費用為生產總費用的20%～25%。世界各國不僅努力開發各種大型、高效、可靠、經濟而又安全的起重運輸機械，而且日益朝著工業企業機械化、半自動化與自動化的物料搬運系統的方向發展。作為吊運鋼坯、鋼板等物料的旋轉電磁掛梁起重機的吊裝工作效率直接影響企業的生產效率，其中下旋轉電磁掛梁旋轉吊具的防擺設計成為影響行車工作效率的重要環節之一，必須引起起重機設計人員的高度重視。

1 起重機鋼絲繩吊具產生晃動的原因

起重機小車加減速和負載的提升動作以及風、摩擦引起的擾動等會引起負載的來回擺動，這不但增加了事故發生的可能性，而且嚴重影響生產作業效率的提高。長期以來，起重機負載的擺動問題一直是困擾起重機快速裝運的一個難題。

過去，消除吊車擺動的方法大多是利用吊車司機的操作經驗。這種方式不但操作人員的勞動強度大，而且人工控制方法精度差、效率低，以遠遠不能滿足現代化生產、運輸的需要。其次，在一些特殊場合，對吊車運行過程中的擺動有嚴格的生產要求。例如：在冶金澆注車間，將盛著金屬液的吊車運抵澆注口的上方進行澆注，這一過程要求吊車的動作快速準確。如果吊車行走時擺動，增加了吊車的運行時間，將會造成金屬液過早冷卻，從而降低產品質量和生產效率，甚至會導致金屬液濺到澆注口外引發事故。

針對實際應用的要求，研究鋼絲繩吊運重物時如何消擺問題，不僅可以保證安全生產，而且會對提高貨物調運效率，縮短工業產品的生產周期，提高產品質量帶來客觀的經濟效益。

2 下旋轉電磁掛梁的鋼繩防擺結構特點

目前，多數下旋轉電磁掛梁小車起升機構采用雙卷筒布置形式，單電機通過單減速機驅動兩側雙卷筒，電機和減速機之間采用齒輪聯軸器連接，結構緊湊，便于裝配和維修。卷繞系統是由卷筒組、固定在小車架上的定滑輪組和旋轉吊具上的動滑輪通過鋼絲繩連接而成，如圖1、圖2和圖3所示。通過矩形起吊框架及下部可轉動吊梁的旋轉，實現工件的擺放或碼垛。

圖1　小車架上卷筒組與定滑輪組布置

圖2　矩形起吊框架吊具吊點布置

圖3　鋼絲繩纏繞示意圖

從上圖分析知鋼絲繩的繞繩方法如下：（1）第一根鋼絲繩一端從起升卷筒一端下側外引出，在第一組起吊矩形框架上的滑輪組上下繞行后，向上通過鋼絲繩繩端裝置懸掛在小車架一角上。（2）第二根鋼絲繩一端從同一起升卷筒一端下側外引出，在第二組起吊矩形框架上的滑輪組上下繞行后，向上通過鋼絲繩繩端裝置懸掛在小車架另一角上。（3）用同樣的繞繩方式完成起吊矩形框架另兩角的鋼絲繩懸掛。

這種繞繩方式可以有效地防止起吊矩形框架繞其中心轉動，并能有效地防止因起吊重物偏心、偏吊及其他因素造成吊梁的搖擺晃動，杜絕了起吊及運行的安全隱患。

目前國內大多數下旋轉電磁掛梁吊車鋼絲繩防擺繞繩方式都如上所述進行繞繩，從一定程度上解決了鋼繩吊運重物的消擺問題，如圖4所示，但由于追求工作效率，大車起制動加速時間短，加速度快，引起吊運重物在大車運行方向仍有不同程度的晃動，其消擺效果與吊車司機的操作經驗有很大關系，不但耗費時間長，而且阻礙了吊車工作效率的進一步提高。

圖4　鋼絲繩實際工作狀態圖

3 下旋轉電磁掛梁鋼繩防擺創新方法

2011年10月山起重型機械股份公司承接了河北承德建龍特殊鋼有限公司的下旋轉掛梁橋式起重機設備制造合同。該起重機安裝于軋鋼成品跨，用于拋丸機上下料及發運，起升速度12 m/min，小車運行速度42 m/min，大車運行速度90 m/min，并要求吊運貨物的效率要高。因此旋轉吊梁沿小車運行方向和大車運行方向的防擺功能要求就高了，矩形起吊框架鋼繩防擺效果差、工作效率低的問題亟待解決。如何進一步通過機械手段來最大可能的消耗擺動能量以達到最終消除擺動的目的就擺在設計者的面前。

通過市場調研和技術分析，最終決定改變傳統的下旋轉矩形起升框架的結構，采用十字框架梁結構，通過鋼絲繩交叉分布來解決吊梁的晃動問題。與之相適應，新改進的小車起升機構采用單電機，雙減速機雙卷筒布置。電動機和減速機之間采用齒輪聯軸器和浮動軸連接，電動機同時驅動兩側的減速機，傳動到兩卷筒，同步起升下降。如圖5、圖6所示，卷繞系統是由卷筒組、固定在小車架表面的四個定滑輪組、固定在小車架內部的八個定滑輪組和十字旋轉吊具上的動滑輪通過鋼絲繩連接而成。采用四聯卷筒，一個卷筒四只鋼絲繩纏繞，鋼絲繩一端通過鋼絲繩壓板固定在卷筒上，另一端通過花蘭螺栓和破勁裝置固定在小車架底部適當位置，花蘭螺栓可自由調節此八只鋼絲繩的長短，保持十字旋轉吊具的水平狀態，破勁裝置將鋼絲繩的扭轉力卸載，保持鋼絲繩自由懸垂狀態。鋼絲繩纏繞方法如圖7所示。

圖5　小車架上卷筒組與定滑輪組布置

圖6　十字起吊框架吊具吊點布置

圖7　鋼絲繩纏繞示意圖

從上圖分析知鋼絲繩的繞繩方法如下：①第一根鋼絲繩的一端從起升卷筒的上側外引出，通過小車架內部定滑輪a換向后，在第一組起吊十字框架的滑輪I1上下繞行后，向上通過鋼絲繩端裝置懸掛于小車架下表面一角Ⅰ上。②第二根鋼絲繩的一端從起升卷筒的下側外引出，通過小車架內部定滑輪d換向后，在第一組起吊十字框架的滑輪I2上下繞行后，向上通過鋼絲繩端裝置懸掛于小車架下表面一角Ⅲ上。③第三根鋼絲繩的一端從起升卷筒的上側外引出，通過小車架內部定滑輪b換向向上繞行小車架表面的定滑輪c后向下，在第二組起吊十字框架的滑輪I3上下繞行后向上，通過鋼絲繩端裝置懸掛于小車架下表面一角Ⅱ點處。④第四根鋼絲繩的一端從起升卷筒的下側外引出，通過小車架內部定滑輪e換向向上繞行小車架表面的定滑輪f后向下，在第四組起吊十字框架的滑輪I4上下繞行后向上，通過鋼絲繩端裝置懸掛于小車架下表面一角Ⅳ點處。⑤用同樣的繞繩方法完成起吊十字框架上第二、三、四組滑輪上的鋼絲繩的懸掛。

這種繞繩方式相對于起吊矩形框架的繞繩方式，在大車運行和小車運行兩個方向上均實現倒三角穩定結構，如圖8所示，通過鋼絲繩水平方向的拉力相互抵消，實現十字吊具的機械防搖擺功能。

圖8　鋼絲繩實際工作狀態圖

4 起重機防擺技術的發展

起重機工作過程中由于大、小車的加減速和負載的起升下降動作以及風力、摩擦引起的擾動等導致負載的來回擺動，不僅嚴重影響作業效率，而且增加了起重機發生事故的可能性，為此起重機的防擺控制越來越受到廣泛關注。

起重機防擺技術分為機械式防擺和電子式防擺兩類。

機械式防擺主要通過機械手段消耗擺動的能量來達到最終消除搖擺的目的，例如上述下旋轉電磁吊的兩種交叉鋼絲繩減搖裝置等，傳統的機械防搖設計在實際應用中仍存在停機時有振動的不足之處。

電子式防擺是通過各種傳感器和檢測元件將檢測到的擺角、角速度等信息，從而控制小車運行方向和速度，將該擺動角度限制到最小，達到防擺的目的。電子防擺作為一種新興的防搖措施，將減擺和小車運行結合起來，通過控制相應的輸入力來達到降低搖擺的效果。這就可以實現自動控制，從而使減搖脫離了司機的操作經驗，同時發展下去也可以實現無人操作，因此電子防搖技術得到了越來越廣泛的重視。

另外隨著起重機電氣控制技術的發展，越來越多的起重機會用到比較先進的調速系統，如變頻調速，對起重機的防搖擺功能得到進一步的加強。在大車低速軸（被動輪外側）加裝絕對值編碼器，用于檢測大車位置。大車位置信號通過編碼器進入PLC計數模塊，PLC將此信號輸出給司機室內觸摸屏式一體化人機界面，界面中顯示大車位置信息。通過對大車變頻器的自動控制，降低起重機在停車時吊具的搖擺度。根據大車運行速度、起吊噸位及高度，在PLC內部經過一系列算法，來控制大車變頻器的停車模式，實現精確定位大車位置的同時，防止吊具的搖擺。此功能實現需要三個條件：（1）將起重量信號（即起吊噸位）輸入到PLC中，最好起重量限制器具有此功能（通訊或者模擬量輸出）；（2）將起升高度信號輸入到PLC，此功能通過起升機構絕對值編碼器實現；（3）將大車運行速度信號輸入PLC，此功能通過大車變頻器的選件卡與PLC通訊實現。

5 結束語

機械式防擺主要通過機械手段來消耗擺動能量以達到最終消除擺動的目的，因此是一種被動的防擺方式。電子式防擺是一種主動防擺方式，它能將防擺和小車運行控制相結合，不依賴于司機的操作經驗，電子防擺技術越來越廣泛的得到研究者重視。起重機先進的調速系統的飛速發展，將大車運行控制的越來越平穩，實現精確定位大車位置的同時，防止吊具的搖擺。研究柔性繩索的防擺控制技術，如何將起重機的準停和防擺聯系在一起，有效迅速的消除擺動，提高控制效果，提高起重機的運行效率，已成為國內外研究人員共同努力的方向。

[1]張質文，王金諾，虞和謙，包起帆.起重機設計手冊（第二版）[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]王曉軍，邵惠鶴.基于模糊的橋式起重機的定位和防擺控制研究[J].系統仿真學報，2005，17（4）：936-939.

Anti-sway Design and Research Linked Rotating Electromagnetic Beams

FANG Shiping,ZHANG Shuxin
(Shandong Crane Heavy Machinery AG Technology Center , Qingzhou 262515)

This article describes the rotating electromagnetic beams hanging rope roping conventional methods and innovative way roping, classification and development of anti-sway control flexible cords were reviewed for the future development direction of the anti-sway technology in the future.

rotating crane, cross frame, anti-swing