輪胎式起重機行走機構輪邊驅動電氣系統設計

袁 聰 趙 華

1 上海振華重工電氣有限公司 2 上港集團振東分公司

1 引言

輪胎式集裝箱起重機(以下簡稱輪胎吊)是集裝箱碼頭所使用的傳統起重機，提高其行走機構的定位精度和能效成為當下輪胎吊的發展趨勢。傳統行走機構由立式安裝于轉向平臺上的異步電機、減速器以及鏈輪鏈條機構組成[1-2]。在啟停時由于鏈條張緊與松弛的狀態變化，導致輪胎吊大車的響應慢于輪邊驅動。在運動過程中，由于1臺輪胎吊的4套行走驅動機構之間的差異，鏈條長度的不同等因素，容易產生行駛偏移，需要頻繁糾正偏移量，加重了操作負擔。為此設計了一種安裝于輪胎吊行走車輪輪轂范圍內，電機、減速器、制動器、旋轉變壓器等高度集成的行走驅動裝置。

2 輪邊大車驅動方式

新型驅動裝置采用了永磁同步電機、輪轂內齒輪驅動橋的直插式高集成度一體化設計(見圖1)，使整個驅動機構結構緊湊、效率高、定位準、承載能力大。電機方面采用永磁同步電機代替常規使用的三相異步電機，使系統的響應更快，在載荷多變的情況下，均可保持良好的速度特性；在低速段可以提供充足的轉矩輸出，同時還擁有更高的功率因素、機械效率和能效比。

1.車架主體 2.齒輪驅動橋 3.永磁同步電機 4.行走車輪圖1 新型輪邊驅動機構示意圖

3 輪邊驅動電氣系統的設計與實驗

3.1 電機參數

根據輪胎吊行走機構的電機機械計算書選擇表1參數的永磁同步電機。電機在實際應用轉速(1 700 r/min)下的最大輸出轉矩為220 Nm(>157 Nm)，啟動加速階段最大短時峰值輸出轉矩為460 Nm(>385 Nm)，能夠滿足常規輪胎吊應用工況需求。

表1 永磁同步電機技術參數

3.2 電氣硬件回路設計

圖2為大車行走機構變頻器部分原理圖，輪胎吊系統的直流母線向大車變頻器供電，大車變頻器輸出端連接至高頻(>700 Hz)輸出電抗器。

圖2 大車行走機構變頻器部分原理圖

圖3為大車行走機構電機部分原理圖，輸出電抗器經過接觸器，向電機供電。

圖3 大車行走機構電機部分原理圖

圖4為大車行走機構的制動器硬件回路，電源取自380 VAC電源，經過接觸器和熱繼向制動器的整流模塊供電，整流模塊的直流電輸出至制動器線圈。

圖4 大車行走機構制動器部分原理圖

其結構簡單易實現。動力電部分變頻器取自輪胎吊系統的直流母線，經過高頻電抗器輸出至電機。控制上PLC通過通訊控制變頻器，“緊停”及“啟動允許”則由硬件點來控制以保證安全性。制動器接觸器通過PLC進行控制。

3.3 電氣控制軟件設計

大車的4輪全部采用速度控制，根據操作手柄的幅度給大車變頻器設定不同的給定速度。加減速時間(從0 r/min加速到1 700 r/min所需要的時間)都為8 s。應急模式為對角兩輪有動力輸出，另對角兩輪打開制動器跟隨運動，此模式下速度最高為全速的50%。

考慮到行走機構在安全上的特殊性，在保護層面上所有與大車行走相關的故障均為機械停車。主要有以下幾方面的保護：

(1)硬件供電：大車主電源斷路器、接觸器故障，制動器主電源、接觸器故障。

(2)傳感器：電機溫控信號、旋變信號故障，制動器釋放信號故障。

(3)通訊及軟件：變頻器通訊及變頻器硬件故障，大車速度偏差故障等。

在軟件設計上與傳統大車的控制方法、邏輯、保護等保持基本一致，無需額外耗費大量精力重新設計軟件并驗證軟件的可靠性。由于變頻器參數缺乏參考標準，將在實際運用中進行調整。

4 實驗驗證

4.1 實驗平臺

實驗平臺可以模擬輪胎吊在實際作業過程中的受力情況，主要由3個部分組成：

(1)加載裝置。加載裝置通過加載油缸對輪胎進行加載，用于模擬行走機構在運行過程中所受到的徑向力。

(2)試驗裝置。試驗裝置由行走車架、輪胎、輪轂、電機及減速器組成，完全按照實際行走機構尺寸進行設計、安裝。

(3)道路模擬裝置。道路模擬裝置通過偏航制動器模擬輪胎吊在加、減速或勻速運行時道路上的摩擦情況。

受場地與成本等各方面因素制約，實驗平臺選用輪胎吊4個行走機構中的1個主動輪進行模擬。

4.2 第一階段實驗數據及分析

由于實驗電機數量只有1臺，因此第一階段實驗分別用3種變頻器來進行測試，分別為變頻器A、變頻器B、變頻器C。選用3種不同的變頻器是為了驗證不同的變頻器在相同電機的表現性能，輸出穩定的力矩、穩定的轉速以及電流的情況是此次考察3款變頻器的基準參數，主要采集的數據為負載、轉速和溫升。

實驗總結的數據見表2、表3、表4。

表2 輪邊驅動行走實驗變頻器A組數據

表3 輪邊驅動行走實驗變頻器B組數據

表4 輪邊驅動行走實驗變頻器C組數據

根據對這3組數據的分析，得到以下結論：

(1)電機轉速與輸出力矩符合設計目標的需求。

(2)A、B、C 3組變頻器在同轉速同力矩下對比A輸出最穩定電流也最小，B、C電流相較于A偏大，且在高速時不穩定或者輸出力矩受限。因此A表現最符合設計需求。

(3)表2、表3和表4中電機溫升均偏高，測試時無法長時間測試，在時間不超過35 min的情況下，散熱不良，需要改進散熱設計后在溫升方面重新實驗。

4.3 第二階段實驗數據及分析

由于第一階段的測試結果中散熱一項難以滿足要求，因此在改進設計后增加第二階段的實驗，專門測試電機的散熱改進效果。在第一階段的實驗下，變頻器A的表現最為優異，因此在本次實驗與后續的實際應用中都只使用A變頻器。

針對電機溫升偏高問題，可以通過改變電機外殼材質，增加散熱筋以增加散熱表面積等措施進行改進。第二階段實驗結果見表5。

表5 輪邊驅動大車實驗變頻器A組第二次測溫數據

對比第一次實驗A組變頻器數據，在同等轉速、轉矩的情況下，實驗時長分別增加60 min(300 Nm,500 r/min)、80 min(300 Nm,1 000 r/min)、35 min(210 Nm,1 700 r/min)，而溫升分別比之前增加3.4 K、11.4 K、7 K。在大幅增加運行時間的情況下溫度僅增加了3.4 K、11.4 K、7 K，經過重新設計的電機散熱能力已有了明顯改善，并且符合輪胎吊的運用需求。

5 結語

經過設計、論證以及在原型機上的測試表明，該新型輪邊驅動機構符合設計規范，能夠滿足輪胎吊行走機構更高的定位精度及更高的能效要求，具有較好的推廣應用價值。