液壓起升絞車在起重機上的同步研究

濮俊萍

（埃特博朗咨詢（上海）有限公司，上海201102）

隨著海上起重機起重噸位越來越高，與其配合吊重的單個獨立絞車很多時候已經不能滿足起升要求，兩個以上的絞車聯合起升工作越來越普遍（為說明方便，本文后面的論述均以兩個絞車同步作業為例）；對于目前使用的海上起重機，克令吊以液壓為主，因起升重量相對不大，一般單絞車就能滿足起升需求；大型起重機則電驅居多，也出現比較多的多個絞車聯動。對于電驅動的起升絞車，同步往往比較好做。以鋼絲繩在卷筒上的位置同步，電動機的力矩糾偏來完成；但對于大型液壓起重機所用的液壓絞車則難度非常大，由于壓力損耗等因素，液壓馬達無法有效的提供自身力矩（或者說不能比較準確地提供力矩值），若無有效監控，則會導致力的嚴重不均衡，嚴重的會導致起重機的鋼結構左右受力不均，存在安全隱患；本文針對該現象，主要圍繞變幅起升絞車的同步，對如何保護起重機鋼結構為原則進行理論和實際分析，以期對設計及調試階段考慮的全面性有一定的借鑒作用。

1 液壓起升絞車組成

什么是液壓起升絞車？就是通過液壓馬達，將液壓能轉換為絞車機械能的能量轉換裝置，再通過纏繞在絞車上的鋼絲繩及其他機械結構，達到吊起重物的目的。其相比于電驅絞車重量輕、占地少、零部件相對簡潔，從工作原理上講與錨機比較類似，只是起升絞車主要以起吊重物為主，不需要離合器等裝置，對制動系數及排繩要求較高。目前比較流行的單個起升液壓絞車安裝組成如下: 整個減速箱通過減速箱上的法蘭面用螺栓固定，內藏于減速箱筒體內，成為卷筒組件；整個卷筒組件在通過減速箱上的另一組法蘭面固定于卷筒墻架上；然后，在減速箱（此種形式的減速箱自帶內藏制動器）輸入端上安裝液壓馬達（液壓馬達可以多個），通過液壓動力站，驅動馬達從而帶動整個絞車工作，詳見圖1。

圖1 單個液壓絞車示意圖

2 液壓起升絞車不同步的危害

以往的液壓驅動馬達均選擇的是低速大扭矩馬達，這種馬達的好處是低速穩定性好，但由于配減速機構時速比采用高速馬達低很多，所以速度控制精度不如采用高速馬達。在以往傳統的液壓起重機中，有過兩臺變幅起升絞車采用了機械軸連接起來實現機械同步，在需要單臺絞車動作時采用離合器脫開。這種方式同步誤差很大，并且會產生累積誤差，兩臺絞車的同步誤差會越來越大，若用在拋錨作業等工況可能影響不大，但是用在起重機上的力左右偏差會增大，非常的致命。常見的現象是鉤頭一高一低，單鉤受力，若重量傳感器工作正常則可以通過軟件來停止調整，工作起來就非常別扭；若同步作業在用于起重機變幅起升時，左右力不平衡，若不能及時發現，則會導致結構局部損壞，嚴重的可能會機毀人亡，所以必須引起重視。

3 液壓起升絞車同步的措施

為了進一步提高同步精度，對起重機整體結構進行全程保護監測，本文在原有的設計理念上，從馬達、鋼絲繩纏繞、結構余量及電控等幾個層面出發，有效解決同步問題：

3.1 采用高速馬達驅動各絞車，并在馬達上配置轉速計實時監測和控制馬達轉速形成閉環速度控制。根據起升負載對于液壓馬達的影響，利用液壓馬達的特性方程進行仿真建模[1]，并結合變幅重量傳感器檢測到的值對馬達轉矩預估，實現前饋控制反饋給電控。在此基礎上，檢測兩卷筒實際位置差異，調節速度給定量，實現速度位置雙軸同步。

由于高速馬達相對于低速馬達其扭矩要小很多，但轉速可以比低速大扭矩馬達高很多，可以采用較大的速比來實現大扭矩輸出。由于速比大了，這樣反映到卷筒上的速度控制精度就可以更高；作為初次嘗試，在正式運用時，僅作為調試之初重量傳感器的標重參考，由于后期液壓的壓力損耗，左右速度誤差會變大，故還不能正式參與以后的正常作業，但可以做在系統中，作為后期維護修正參考。

3.2 在鋼絲繩纏繞末端加重量傳感器（見圖2），以檢測結構左右的受力是否一致，保護結構安全。

圖2 變幅纏繞示意圖

由于鋼絲繩的倍率比較多，再加上鋼結構自身的焊接變形，對于大型起重機來講，本身可能就存在了左右的力差，所以我們在裝配時，要求滑輪必須轉動靈活，這樣傳到根部的力監測才能誤差較小。同時，為了結構的安全，我們以變幅結構為例，進行邏輯公式判定。首先，我們通過Ansys 模型計算，得出左右結構最大能允許的偏載百分比（比如說10%），這里的偏載必須完全按照相關規范，把所有的傾角、風力、橫縱向加速度等[2]都考慮在內，確保力是最大的，才能確保安全。下面我們給出這個判定的邏輯公式，以示明確。

條件給定假設：

（1）變幅1 受力：L1，變幅2 受力：L2；

（2）變幅絞車單繩靜載最大力為80T（通過計算獲得，須包含纏繞效率）；

（3）變幅重量傳感器選定的是Rang=90t 的量程；

（4）結構左右允許的最大偏載百分比：10%。

結合以上條件，邏輯判定如下：

（1）選定的左右百分比報警為8%（8%＜10%，給出安全余量），10%為停止。

（2）我們可以有3 種判定邏輯：①ABS（L1-L2）/ Max（L1，L2）；②ABS（L1-L2）/ Min（L1，L2）；③ABS（L1-L2）/ Rang。出于保守考慮，可按ABS（L1-L2）/ Min（L1，L2）。

（3）變幅力大于40T 開始判定。由于重量傳感器量程范圍廣，當單繩力比較小時，對其自身的感應片觸點不是很能有效的反饋，導致讀數誤差大，誤報警發生頻率高，所以我們再加個變幅力大于40T 開始判定，提高精度。

（4）變幅安全力80T 是強制指標，超過這個必須要報警，以保護結構。

通過以上的邏輯判定，輸入到起重機吊重程序中，可全壽命監控絞車的同步作業，及時調整作業，即使有故障，也可確保鋼結構的安全。

通過加在卷筒末端的編碼器來控制圈數，以期達到鋼絲繩在卷筒上的繩長左右相當。但由于卷筒左右制作誤差、鋼絲繩左右存在差異及左右安裝等因素，導致實際通過編碼器所數的圈數和實際反映不符（這個在很多項目中都有此現象）。這時，就需要電氣控制來糾偏，以免出現一邊鋼絲繩在卷筒的第一層，另一邊鋼絲繩則在卷筒第二層，導致速度不一致，這個就是位置同步，再配合上面的力的判定，確保整套系統的安全平穩運行。

4 液壓起升絞車同步電氣控制硬件架構

通過以上論述，我們對機械及原理上已經完成構架，在實踐中，需要對電氣控制硬件架構（見圖3）也需要有個基本的認識，以便在有故障時工作人員快速找到問題所在。本文電氣控制系統以西門子PLC 為上位機為例，用于采集外部各種傳感器、限位信號、司機手柄給定信號等，通過邏輯運算判斷輸出控制各液壓電磁閥[3]。選用易福門液壓控制器作為下位控制器，用于采集液壓馬達轉速信號，接受PLC 轉速指令，輸出200～600mA 電流信號控制液壓比例閥線圈調節液壓馬達轉速。PLC 與液壓控制器采用CAN 總線通訊。配置絕對位置編碼器安裝于變幅鋼絲繩卷筒上，用以采集卷筒轉動圈數位置信息，配置馬達轉速計用以采集馬達轉速信號。

圖3 電控通訊簡圖

當然，在處于調試時，變幅傳感器顯示的力矩值與馬達轉換的轉矩需要多次比對，給予標定。在此基礎上，檢測兩卷筒實際位置差異，調節速度給定量，實現速度位置雙軸同步。

綜上所述，為了保護液壓起重機的使用安全，避免因多臺絞車不同步而導致結構或機構的損壞事故，同步糾偏在機械和電氣控制上均要特別注意，除了調試后期進行糾偏外，在設計之初，也需要考慮對鋼結構強度放一定余量（考慮一定百分比的左右偏載）以供給系統誤差。同時，對于圖紙上的安裝制作公差需要規定明確，以便調試時數據的給定。