焙砂起重機

山起重型機械股份公司技術中心 青州 262515

0 引言

焙砂起重機用于周期性的吊運鎳鉻冶煉的焙砂料罐，自行選擇加料口，向特定的電爐料倉中輸送熱焙砂，以此循環作業，要求具備中控室全自動、操作室人工、遙控控制等3種方式，實現焙砂起重機自動定位、掛鉤、脫鉤、行走的周期性循環作業。

當前國內起重機絕大多數依靠操作員的手動操作來實現吊運過程，自動化程度低，影響工作效率，增加了勞動力成本。起重機高精度、高智能化、自動化已成為趨勢，而焙砂起重機的生產效率和可靠性對企業的產量和產品的質量有直接影響。

1 起重機的技術參數

該機的起重量為32 t+5 t（在主梁下加裝5 t電動葫蘆，用于檢修、提升電極糊和電極殼），跨度為22.5 m，起升高度為40 m（主鉤），葫蘆起升為40 m，工作制度為A8（重級），主起升速度為30 m/min（高速上升）、12 m/min（中速上升）、40 m/min（高速下降）、3 m/min（低速下降）。

2 起重機適用工況

該機適用工況為環境溫度-32℃～40℃，起重機年工作小時數大于7 008 h，全年長期、頻繁起吊額定載荷，機構運轉時間率滿足現場使用環境。

3 起重機的主要工作任務指標

實現焙砂起重機自動定位、掛鉤、脫鉤、行走的周期性循環作業。

4 整機構成特點

起重機采用雙梁雙軌單小車結構，主要由橋架、小車、大車運行機構、電氣設備等構成。

1）橋架

采用雙主梁結構形式，由兩根主梁、兩根端梁組成。主梁為箱形結構梁，主梁、端梁等主要承載件采用Q345B鋼板。

2）小車

主要由32 t主起升機構、主梁下加裝電動葫蘆5 t起升機構、小車運行機構、小車架及加裝固定在小車上的剛性導向架組成。

32 t主起升機構采用雙機構（兩臺電機、單臺行星減速器雙輸入雙輸出、兩個卷筒、4套制動器）形式，正常時兩套機構同時工作；當有一臺電機出現故障時，另一臺電機能保證完成一個工作循環。

在小車上安裝起重機用于熱料罐吊運的非標吊具、用于行走時防止料罐晃動和料罐導向的固定在小車上的剛性導向架，為保證起吊料罐在大、小車運行過程中不發生搖擺，加裝電控方式防搖系統。

小車架由箱形梁構成框架結構, 小車架主要受力部位鋼材采用Q345B，其滿載靜撓度小于LK/2 000，確保小車上各機構的平穩運行。

3）大車運行機構

主要由驅動裝置、主被動臺車組及緩沖器組成。

4）電氣設備

主要由配電、各電氣傳動機構、PLC控制、照明系統等組成。

5 焙砂起重機關鍵技術與創新

5.1 全自動

具備中控室全自動、操作室人工、遙控控制3種方式，實現焙砂起重機自動定位、掛鉤、脫鉤、行走的周期性循環作業。吊具在起重機自身解決自動掛鉤、自動檢測。該機可以3種方式操作：駕駛室聯動控制臺操縱、遙控器操作和中控室操作。駕駛室聯動控制臺設一個遠程（中控）—遙控—本地3種操作模式選擇開關，3個輸入信號分別進PLC。

上位機（中控室）為全自動化操作。在正常工況下，中控室發出系統啟動指令后，起重機自動完成整個工作循環，起重機與同跨另一臺起重機組成公共控制網絡，兩臺起重機中的任一臺起重機發生故障時，可通過切換后代替發生故障起重機實現自動運行，并保持工作循環時不變。

上位機（中控室）人機界面為液晶顯示器與鍵盤、鼠標,以圖像與數據的形式指示起重機大小車、吊具的位置。起重機能按輸入的坐標吊運負載到指定位置。

起重機啟動、故障后重新運行，系統以適當的方式完成初始化。

料罐吊具具有自動開閉掛脫鉤功能。如圖1所示，吊具采用剪式吊具原理，吊具到達料罐位置，在重力作用下打開，閉鎖自動檢測，吊具閉合起升。料罐倒運流程有以下步驟（見圖2）：

圖1 剪式吊具實際工作狀態圖

圖2 起重機工作循環圖

1）焙砂起重機（掛有一個空罐）在料罐提升導向塔架上方等待；

2）空料罐下降；

3）焙砂起重機將空料罐放于料罐車上方并與空料罐脫鉤；

4）料罐車（載有一個裝有焙砂的料罐和一個空料罐）位移一個罐位；

5）料罐車位置校正；

6）起重機與裝有焙砂的料罐掛鉤，并將其從料罐車上提走；

7）焙砂起重機（掛有一個裝有焙砂的料罐）小車行走；

8）焙砂起重機行走；

9）焙砂起重機將裝有焙砂的料罐放置在料鐘上，卸料抽風機啟動；

10）料鐘打開，焙砂起重機吊具下降，料罐卸料吊具下降；

11）料鐘關閉，卸料抽風機停止；

12）焙砂起重機將空料罐提起，吊具起升；

13）焙砂起重機（掛有一個空罐）行走，大車行走；

14）焙砂起重機小車行走；

15）焙砂起重機（掛有一個空罐）在料罐提升導向塔架上方等待。

當料罐里的焙砂在一個倉中不能卸完時，起重機會自動尋找下一個可卸料的倉。限定的工作循環時間10 min滿足兩個料倉卸料時的情況。

起重機在自動運行模式的整個循環流程中，大小車平移機構、升降機構的動作是按次序進行的，即大車平行移動到位后小車開始運行，小車平行移動到位后起升機構開始運行，運行的先后次序由現場工況決定。

5.2 高定位精度

由絕對值編碼器、格雷母線等組成的系統給定運行距離參數，并經成組的感應開關確認各特定定位點的絕對位置，從而保證了各機構的定位精度。

在料罐正常倒運工作循環時間內，在料倉卸料平臺上，起重機在空載與重載情況下，料罐下降到料倉口后的最大偏離值在±30～±50 mm范圍內，以滿足系統的正常卸料。起重機行走定位精度為±5.0 mm，起重機非標吊具升降定位點的定位精度為±8.0 mm。

整車采用全數字變頻+PLC控制，提高控制精度。主起升、大小車均采用變頻驅動模式與PLC之間進行數據交換，實現吊鉤的上升與下降與大小車的平移。

大小車平移、起升機構的位置控制由自動化平臺直接進行運算控制，位置檢測使用格雷母線與編碼器精確測量，將該信號傳到PLC處理單元內，作為給定參數進行電氣防搖處理控制。小車取消吊取滑輪組而采用平衡臂布置，通過鋼絲繩水平方向的拉力相互抵消來實現吊具的機械防搖擺功能。由軟件編程來控制起重機運行的加速度，克服起重機啟動、停止和加減速時的物理搖擺。

全自動化采用的格雷母線是一種結構獨特的非屏蔽電纜，它是地址檢測的重要部件，接收天線箱發射的電磁場信號，將其變為50～200 mV交流電壓送到地址解碼器解析出地址。基于格雷母線的位置檢測有地上檢測和車上檢測兩種方式，格雷母線的結構基本一樣。

1）車上檢測方式

車上檢測方式的特點有：編碼電纜為信號發射天線，車上安裝有地址接收天線；地址檢測單元在車上，各車直接得到本車的地址；各車的地址分別通過通信送到地面站，地面站再通過通信告知其他車。

2）車上檢測原理及系統構成

圖3為車上檢測原理圖，車上檢測系統由地面站和車載站組成。其中地面站由編碼電纜、終端箱、地面發振裝置等部分組成，其原理圖見圖4，地面站主要完成地址編碼、功率放大、信號發射等任務。車載站主要由地址檢測單元、天線箱等部分組成（見圖5），車載站主要完成地址編碼信號的接收和解調（地址檢測）。

圖3 車上位置檢測方式原理示意圖

圖4 地面站原理框圖

圖5 車載站原理框圖

3）地上檢測系統的構成

如圖6所示，地上檢測系統主要由地址編碼發生器、天線箱、格雷母線、位置檢測單元、PLC模塊等組成，主要完成地址編碼信號的發射以及位置的檢測，并將位置信息輸送到用戶的PLC中。其主要技術指標是：地址分辨率為5 mm，數據輸出接口為RS232轉Modbus Plus，發振調制頻率為地址檢測系統39 kHz，地面站功耗≤100 W，車載站功耗≤100 W，天線箱與母線的間距60～200 mm可調。

圖6 地上檢測示意圖

起重機通過格雷母線與編碼器實現三維位置信號檢測，保證定位精度。起重機與料罐車間的動作通過通訊來協調，實現自動取料罐和放空料罐的動作。

5.3 高可靠性

起升機構和小車行走機構采用行星差動減速器雙軸分別輸入方式，若一個動力輸入軸出現故障時，另一路輸入仍可保證機構以半速長期正常工作；大車運行機構采用4套驅動機構分組控制，當一組機構故障時，仍能保證生產進程不停頓。

行星減速器具有兩個自由度的特點，起吊行星差動減速器高速端制動器的設置及安全系數的選取高于GB/T 3811—2008《起重機設計規范》的規定：制動器的選擇計算要求制動安全系數為1.75，滿載制動力矩為TZ＝9.8（Qq+Q）D/（2mi）＝1 087.5 N·m，最大制動力矩T＝3 600 N·m，實際制動安全系數n2＝T/Tz＝3.31。

卷筒外緣的制動盤上安裝兩個液壓安全制動器。安全制動器是成熟可靠的標準產品，其制動器、泵站及電控箱的結構和原理都較簡單，在起吊行星差動減速器低速端配用安全制動器無疑是給設備、財產及人身安全加設了一道安全可靠的保險。

6 結束語

由于工業生產規模的不斷擴大，生產效率不斷提高，促使大型或高效起重機的需求量不斷擴大，起重機已成為自動化生產的重要環節。高精度、高智能化等新一代電氣控制技術與機械傳動技術相結合，實現作業流程自動化和半自動化，使起重機組成的物料搬運系統更加柔性，有助于實現對起重機及其負載前所未有的可控性，使起重機更好地為人類生產生活服務。