鐵路門式起重機電子減搖控制技術的研究與應用

劉慶漁

(北京鐵路局 北京裝卸管理部，北京 100045)

鐵路門式起重機電子減搖控制技術的研究與應用

劉慶漁

(北京鐵路局 北京裝卸管理部，北京 100045)

在闡述鐵路貨場門式起重機減搖控制現狀的基礎上，從力學模型、作業流程、系統結構、技術原理及應用效果 5 個方面分析門式起重機電子減搖控制技術，利用系統變頻器中的“減搖前饋模糊算法”，通過調整起重機大、小車的運行狀態消除門式起重機吊重的搖擺現象，為門式起重機減搖控制提供參考。

門式起重機；減搖；力學模型

門式起重機作為鐵路貨物裝卸作業的主要設備，其裝卸能力、裝卸速度和運行平穩性直接決定貨場作業的勞動生產率和安全系數。但是，現階段門式起重機在進行裝卸作業時，受大、小車加速或減速運動狀態的突變及外界干擾等方面的影響，吊具及貨物容易發生來回擺動現象，影響起重機裝卸作業效率，同時存在發生碰撞事故的隱患，造成嚴重經濟損失，難以滿足國內物流業對貨物運輸裝卸設備安全性能提出的更高要求。研究顯示，門式起重機吊具電子減搖控制技術對于降低其裝卸作業安全風險，提高風險管理水平具有重要作用[1]。因此，迫切需要進一步研究鐵路門式起重機電子減搖控制技術。

1 鐵路貨場門式起重機減搖控制現狀

1.1 普通門式起重機

長期生產實踐表明，熟練的操作人員可以利用門式起重機所裝卸貨物的懸掛點變動差異抵消起重機吊重的搖擺，使起重機吊重將要停落在落點時其搖擺能夠迅速停止。然而，截至目前只有具備熟練技巧和經驗豐富的操作人員才能順利完成該操作，而在特殊情況下，即使是有經驗的操作人員仍然需要多次調整落點才能最終消除門式起重機吊具的搖擺[2]，特別是引進越來越高速運行的新型裝卸設備后，該項操作將變得更加困難。

1.2 集裝箱門式起重機

目前鐵路貨場集裝箱門式起重機均要求安裝減搖裝置，普遍采用交叉鋼絲繩 8 繩減搖和力矩電機 4 繩減搖等機械式減搖系統。但是，由于機械式減搖系統

通常需要通過機械手段消耗門式起重機吊重的擺動能量以實現消除起重機吊重搖擺的目的，并沒有將起重機吊重減搖和大、小車運行狀態結合起來考慮，因而是一種被動式減搖方式。這種被動式減搖方式不僅耗時，而且集裝箱門式起重機的減搖效果與司機的操作經驗密切相關，即使是操作熟練的工作人員也無法長期處于最佳工作狀態。

2 門式起重機電子減搖控制技術

門式起重機電子減搖控制技術是一種主動式減搖方式，將門式起重機吊運貨物的減搖與其大、小車運行狀態結合起來綜合考慮，不再單純依賴于司機的操作經驗[3]，從而有效提高門式起重機裝卸作業效率和安全性。考慮到門式起重機大、小車與吊重的防搖控制原理及控制方式相同，并且起重機大、小車的力學模型相互分離，不會產生干擾、耦合，因而可以分別控制和計算，以下在力學模型和系統流程部分僅以起重小車與吊重的防搖控制為例進行研究。

2.1 力學模型

將門式起重機運行小車、鋼絲繩及吊重(吊具與貨物)組成的系統近似看作一種偏擺系統[4]，以下簡稱“起重小車-吊重偏擺系統”，其力學模型如圖 1所示。其中，M 和 m 分別為起重小車和吊重的質量，L 為起升鋼絲繩長度，x 為起重小車在水平方向上的位移，θ 為吊重偏離豎直方向的擺角，F 為起重小車運行牽引力，f 為起重小車運行靜阻力，g 為重力加速度 (取值 9.8 m/s2)。

由于 L、x、θ 3 個變量相互獨立，將其作為廣義坐標，并設起升鋼絲繩的張力為 T，對小車建立運動微分方程為

“小車-吊重偏擺系統”的線性化模型為

由于門式起重機在進行裝卸、運行作業時為了減少起重機吊重的偏擺幅度以避免碰撞事故的發生，往往都是先由起升機構將吊重上升到一定高度，然后再通過走行電機驅使小車運行。因此，在整個起重小車運行過程中，起升鋼絲繩長度 L 的變化可以不作考慮，假定在整個運行過程中 L 始終保持恒定不變，而且只考慮在操作點 θ(0) = 0 附近只有很小的 θ 變化，可以得到

式中：t 為時間。

由此得出，門式起重機吊重的擺動隨時間 t 作周期性變化，吊重偏離豎直方向的擺角 θ、偏擺角速度與起重小車運行加速度成比例，在擺長 L 已知的情況下，只要計算出小車運行加速度的大小與方向(不好確定時可以選用其他與有關的變量代替)，吊重的偏擺角度 θ、偏擺角速度 也就會隨之相應確定。因此，可以通過以上信息建立反饋控制系統，對所獲取的反饋信息進行處理，從而控制起重小車的運行，調整起重小車運行速度，最終實現控制門式起重機吊重的偏擺，達到起重機吊重減搖目的[5]。

2.2 作業流程

確定并且求解門式起重機起重小車吊重擺動的力學模型后，可以建立相應的控制系統流程。其中，門式起重機電子減搖控制系統流程圖如圖 2 所示。

當給門式起重機起重小車的運行力學模型一個初

始驅動力后，門式起重機電子減搖控制系統的部分功能會相應輸出起重小車水平位移 x、起重小車速度、吊重偏擺角 θ和吊重偏擺角速度的值，系統將這些數據自動作為輸入數據進行處理，得到相應輸出驅動力控制起重小車運行速度，同時將該輸出驅動力反饋給力學模型，由此門式起重機電子減搖控制系統會得到新的并且將其作為新的數據進行處理，如此反復、循環，最終實現門式起重機小車與吊重的減搖控制。

圖 2 電子減搖控制系統流程圖

2.3 系統結構

門式起重機電子減搖控制系統實際是智能變頻電子減搖控制系統，其結構如圖 3 所示，由 4 個變頻器和 4 個異步電機組成，主要通過變頻器控制異步電機輸出轉矩，同時配以門式起重機大、小車運行速度的調節，以達到在門式起重機吊重運行過程中減搖的目的。

圖 3 變頻電機減搖控制系統結構圖

2.4 技術原理

門式起重機電子減搖控制系統采用可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller，PLC) 作為系統整體控制核心，以變頻調速技術為依托，直接調用集成于變頻器中的減搖力學模型，同時根據操作人員的操作指令及起重機的實時運行狀態，計算出能消除起重機吊重搖擺的起重機大、小車運行速度，再利用現場總線通知變頻器根據要求速度由電機驅動起重機大、小車運行，通過同時調整起重機大、小車的運行狀態，逐步消除門式起重機吊重的搖擺現象[6]，具體體現在以下 2 個方面。

（1）由于門式起重機電子減搖控制系統采用變頻器調節輸出力矩，因而其輸出力矩可以在0%～100% 的范圍內任意調節，并配以調節門式起重機大、小車運行速度，同時通過“減搖前饋模糊算法”控制方法調節輸出減搖力矩及門式起重機大、小車的運行加速度，力求達到更好的減搖效果[7]。①采用變頻方式進行減搖控制，避免力矩電機控制系統中的諧波干擾、輸出力矩調節范圍偏小，以及輸出電壓波形不正弦等問題；②采用異步電機代替力矩電機，避免力矩電機輸出力矩過小的問題。

（2）門式起重機電子減搖控制系統通過 PLC 采集司機對吊車的操作信息、貨物的重量信息和貨物的重心高度等信息，同時加入加速度傳感器和陀螺儀以采集門式起重機吊鉤的實時狀態[8]。變頻器中的減搖力學模型將這些信息匯總后通過 PLC 配以“減搖前饋模糊算法”分別調節 4 個力矩電機的力矩輸出及門式起重機大、小車的運行變頻器輸出，并且根據門式起重機吊重的搖擺程度調節起重機大、小車驅動力的大小和減搖力矩的大小，以達到更好的減搖效果。

2.5 應用效果

目前，北京鐵路局已經對既有 11 臺 36 t 通用門式起重機進行變頻、電子減搖控制改造。以吊運 20英尺集裝箱為例，當門式起重機不帶電子減搖控制系統，起重機大、小車分別全速運行制動時，20英尺集裝箱的擺幅達到 400～500 mm，實現起重機吊具擺動完全靜止需要耗時約 90 s，而在給門式起重機加裝電子減搖控制系統后，相同條件下，起重機吊具的擺幅不超過 50 mm，并且能夠在 10 s 內完全靜止，減少起重機吊具搖擺幅度達 90% 以上，單項生產效率提高88%。門式起重機大車全速制動時，加裝電子減搖控

制系統前后的吊重擺輻效果分別如圖 4、圖 5 所示。

圖 4 加裝電子減搖控制系統前

圖 5 加裝電子減搖控制系統后

3 結束語

門式起重機電子減搖控制技術主要是模仿起重機司機的操作經驗，利用系統變頻器中的“減搖前饋模糊算法”，通過調整門式起重機大、小車的運行狀態以盡可能減少門式起重機吊重的偏擺角度。門式起重機大、小車剛開始運行時，系統可以采用中等驅動力驅動運行，考慮到門式起重機在工作過程中可能受繩長、空氣阻力及其他隨機因素變化的影響，再配以變頻器控制減搖電機加大對門式起重機吊具搖擺的控制力度，使起重機吊重略靠后于大、小車；當起重機吊重接近目標時，減少驅動力，使起重機吊重位于大、小車稍前方；當吊重離目標很近時，再增大驅動力，使起重機吊重正好懸于目標之上，從而實現門式起重機吊運貨物的平穩運行，對消除門式起重機制動沖擊，減少電氣維護，降低電能消耗，減小起動電流，以及保證門式起重機裝卸作業的安全性具有重大意義。

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（責任編輯 金艷萍）

Research and Application on Electric Anti-rolling Control Technology for Railway Gantry Crane

LIU Qing-yu
(Beijing Loading and Unloading Management Department, Beijing Railway Administration, Beijing 100045, China)

This paper summarizes present situation of anti-rolling control technology for railway gantry crane, and analyses electric anti-rolling control technology from five perspectives of mechanical model, operation procedure, system structure, and technology principle and application effect, and avoids swing phenomenon of gantry crane through applying fuzzy algorithm of anti-rolling for system frequency transformer and adjusting operation status of gantry crane so as to provide

for anti-rolling control of gantry crane.

Gantry Crane; Anti-rolling Control Technology; Mechanical Model

1004-2024(2016)09-0049-05

U294.26

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.09.11

2016-09-02

劉慶漁(1964—)，男，天津人，大學本科。

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題(2016X007-E)