基于張力閉環控制的新型鋼絲繩預緊裝置

李永豐

（中國鐵建重工集團有限公司，長沙 410000）

基于張力閉環控制的新型鋼絲繩預緊裝置

李永豐

（中國鐵建重工集團有限公司，長沙 410000）

以塔式起重機 起升機構用鋼絲繩為原型，研發了一種新型鋼絲繩預緊裝置， 采用間接張力閉環控制，通過調節變頻器輸出速度和轉矩， 實現了鋼絲繩恒線速度、恒張力繞繩控制， 通過該裝置對起升機構進行自動繞繩，取代人工繞繩，并施加額定的預緊力，達到提高繞繩效率、改善排繩、延長鋼絲繩使用壽命的目的。

塔式起重機；鋼絲繩；鋼絲繩張力； 改善排繩

0 引言

隨著起重機械的大型化發展，鋼絲繩多層卷繞方式[1]得到了越來越廣泛的使用，在繞繩過程中，多采用人工繞繩，繞繩效率低下，安全性差，且使用過程中容易出現亂繩等現象，導致亂繩的原因很多，“未施加恒定的預緊力”是其中非常重要的原因之一，如未施加預緊力將使內層松弛，導致多層鋼絲繩承受外層“負荷”而過早的壓垮和壓扁，進而導致亂繩，縮短了鋼絲繩的使用壽命，因此，鋼絲繩初次繞繩時施加額定預緊力已成為塔機行業的一個重要研究課題。

本文研制了一套新型起升機構專用鋼絲繩自動卷繞裝置，該裝置配備張力檢測傳感器與輔助監測系統，通過起升機構控制繞繩轉速，張力變頻器調節繞繩張力。實驗表明：本系統達到了理想的繞繩效果，具有較好的推廣應用價值，同時為卷繞鋼絲繩系統的試驗和研究提供了一個先進的實驗平臺。

1 裝置系統組成及關鍵技術

1.1 裝置系統組成

圖1 鋼絲繩預緊裝置示意圖

鋼絲繩預緊裝置如圖1所示，由起升機構、三滑輪組（包括張力檢測及計米）、鋼絲繩卷筒機構及電氣控制系統組成，并由操作臺集中控制，現場布局如圖2所示。

圖2 現場布置圖片

圖3 鋼絲繩卷筒機構示意圖

其中，鋼絲繩卷筒結構如圖3所示，由張力電機驅動減速機，減速機帶動撥叉及銷軸，進一步驅動卷筒機構，實現鋼絲繩的收、放卷，實物如圖4所示。

圖4 鋼絲繩卷筒實物圖

1.2 控制系統組成

控制系統如圖5所示，由操作臺及顯示屏、起升機構變頻控制系統、張力機構變頻控制系統及制動單元、PLC控制系統、三滑輪檢測系統（包括張力和測速編碼器）組成。

圖5 控制系統框圖

操作臺及顯示屏用于系統的啟動及相關參數設置（包括鋼絲繩張力及繞繩長度），起升機構變頻器控制系統主要控制繞繩速度和方向，張力傳感器用于反饋鋼絲繩張力[2]，測速編碼器用于反饋繞繩線速度；張力控制變頻器根據反饋張力信號，經閉環運算后直接控制電機的輸出轉矩，實現恒張力控制，且自動繞繩過程中張力電機處于發電狀態，通過變頻器外接制動單元及電阻，用于起升機構電機和張力機構電機對拖過程中能量的消耗，PLC控制系統用于實現張力、速度雙閉環控制和相關邏輯功能。

1.3 鋼絲繩恒張力控方案

由于鋼絲繩的型號、直徑不同，要求施加的預緊大小不同，根據國外機構里巴斯（Lebus）對鋼絲繩卷筒機構的研究，預緊力的大小取安全工作載荷的10%和破斷拉力2%中的較大值，通過計算，并結合鋼絲繩的使用工況，本文建議張力如表1所示。

表1 不同型號鋼絲繩預緊力

1.3.1 鋼絲繩恒線速度控制

當卷筒繞繩過程中，由于鋼絲繩卷繞層數變化引起卷繞直徑的改變，導致鋼絲繩的線速度也會隨之發生改變，為達到鋼絲繩恒線速度繞繩的目的，本試驗裝置采用鋼絲繩線速度閉環控制方法，通過PLC讀取滑輪組上編碼器的速度值，并轉換為繞繩線速度值，并將此值與給定繞繩線速度值求差，再依據此偏差進行閉環運算,最后輸出速度控制量，從而控制起升機構變頻器輸出頻率值，達到恒線速度控制目的。

1.3.2 鋼絲繩恒張力控制

由于鋼絲繩在繞繩過程中，卷徑是動態變化的，且鋼絲繩制造廠家提供的鋼絲繩卷筒未施加額定的預緊力，鋼絲繩纏繞過程中容易出現“彈跳”現象（將外層鋼絲繩拉入內層再拉出來），導致張力較大波動[3]，給系統造成較大擾動，為了保證繞繩質量，本系統采用模糊PID控制，取得了較好的控制效果。需保證鋼絲繩在恒張力[4]狀態下繞繩，控制方案如圖6所示。

圖6 鋼絲繩恒張力控制示意圖

1.3.3 繞繩長度控制

為了實現全自動繞繩方案，本裝置增加了繞繩長度控制功能，如圖7所示。

通過顯示屏輸入繞繩長度，并實時讀取當前已繞長度，當已繞長度與設置長度相等時，停止繞繩，同時系統還具備鋼絲繩回繞功能，較好的滿足了現場應用需求。

2 工裝試驗及結果

圖7 預緊裝置操作界面

本文以直徑為24mm的鋼絲繩作為繞繩對象，利用該裝置進行了多層卷繞鋼絲繩繞繩試驗，具體過程如下。

2.1 試驗條件

1）鋼絲繩型號：直徑為24mm，鋼絲繩破斷拉力為350kN；

2）滑輪型號：普通鋼制滑輪，滑輪直徑為310 mm，滑輪直徑與鋼絲繩直徑比值為12.9；

3）卷筒型式與規格：多層卷繞卷筒，卷筒槽底直徑600～1000mm；

4）鋼絲繩張力：設定試驗中鋼絲繩安全系數為5，即試驗過程中鋼絲繩的控制張力為7kN；

5）鋼絲繩線速度：0～30m/min。

2.2 試驗過程

通過顯示屏輸入繞繩速度、繞繩長度及鋼絲繩類型，為了提高繞繩質量，可先將鋼絲繩張力加到初始預緊力，初始預緊力可取實際預緊力的60%～100%，本實驗過程取90%（630kg），一鍵啟動繞繩，進入恒線速度和恒張力繞繩模式，當繞繩長度等于設置長度時，停止繞繩。

2.3 試驗結果

圖8為繞繩過程中鋼絲繩的張力實際檢測值，從鋼絲繩張力控制結果可知，繞繩過程中能保證鋼絲繩張力值控制在±10%以內，達到了預期的繞繩效果。

圖9為繞繩過程中變頻器輸出力矩值百分比，在120s時，人為將繞繩速度提高到中速，為了保持張力恒定，變頻器通過調節輸出力矩，使系統在較短時間內進入穩態，同時，保證鋼絲繩的張力恒定。

3 結論

圖8 鋼絲繩張力（700kg）

圖9 張力電機輸出力矩百分比

鋼絲繩預緊裝置作為批量生產時所使用的工裝，不僅“省人、省時”，還能精確控制繞入起升機構鋼絲繩的長度，提高了工作效率，施加預緊力后的鋼絲繩卷筒，能改善排繩效果，提高鋼絲繩的壽命，為客戶節省鋼絲繩的使用成本，具有較好的推廣及應用價值。

[1] Utting W.S.Survey of literature on the behavior of steelwire ropes ( Part One)[J].Wire Industry,1994,22(9):633-635.

[2] 胡志輝,胡吉全,胡勇,等.多層卷繞鋼絲繩疲勞磨損試驗裝置的研制[J].機械科學與技術,2014,33(10):153-154.

[3] 朱有為,羅護,金忠慶.新型鋼絲繩精密傳動的設計與研究[J].機械設計與制造,2007(06):6-8.

[4] 周建洪,楊玉杰.漿紗機織軸的恒張力控制[J].電機與控制學報,2004(6):145-146.

[5] 毛建忠,朱康武.基于工控機的鋼繩絞車張力速度控制系統[J].機械設計與制造,2005(5):91-92.

New wire rope pretightening device based on tension closed loop control

LI Yong-feng

TP29

：B

1009-0134(2017)03-0017-03

2016-11-17

李永豐（1981 -）男，湖南長沙人，工程師，碩士，主要從事工程機械電氣控制研究。