天車動態(tài)軌跡糾偏防啃軌技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

陳建華，臧佩龍，杜素周，賈偉沖,鄒永生,黃懷富,齊杰斌

(1.北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064409；2.深圳首實科技有限公司，北京 100043)

0 前言

天車是鋼鐵企業(yè)的物流樞紐設(shè)備，鋼水、鋼坯、鋼卷等物料吊運以及設(shè)備檢修都離不開天車支持。車輪啃軌是指車輪不在軌道踏面中間運行，車輪輪緣與軌道側(cè)面摩擦造成輪緣快速減薄。車輪壽命一般在10年以上，嚴重啃軌的車輪壽命只有幾個月甚至幾周；因啃軌造成天車頻繁停下來更換車輪會嚴重擾亂正常生產(chǎn)節(jié)奏，影響企業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量及交貨信用；造成軌道、車身及廠房結(jié)構(gòu)變形損壞；同時啃軌會增加天車運行阻力(運行阻力可增加1.5～3.5倍 )，增加電能消耗，引發(fā)機械部件、電氣元件損壞，甚至燒毀電機；啃軌還會引發(fā)天車脫軌、墜落、機械傷害等事故[1-3]。 天車啃軌是長期困擾起重行業(yè)的痛點難題，鋼鐵企業(yè)更是啃軌重災(zāi)區(qū)。

通過軌道和車輪的安裝調(diào)試，改善天車啃軌問題效果不明顯或效果不持久[6]。有些天車雖配置了水平輪，但由于水平輪對天車的強力橫向拖拽會造成天車和軌道的變形損壞，水平輪與軌道的間隙不能調(diào)得太小，因此在實際生產(chǎn)中對啃軌的抑制效果也有限。還需要對啃軌問題做進一步深層研究。

1 天車啃軌誘因分析和預(yù)處理方案

如圖1所示, 天車行走結(jié)構(gòu)可以抽象為車身和車輪，一側(cè)是帶雙輪緣的平輪，一側(cè)是無輪緣平輪，軌道表面也是平的。典型的天車車輪輪緣間踏面寬度為150 mm，軌道寬度是120 mm，即輪緣與軌道側(cè)面的平均距離是15 mm。因此，當(dāng)天車車輪相對軌道橫向位移超過15 mm時，就會發(fā)生輪緣與軌道側(cè)面的相互摩擦即“啃軌”。

圖1 天車行走機構(gòu)簡圖

引起天車啃軌原因很多[4-5]，從軌道角度分析，可能的誘發(fā)因素有：(1)軌道水平彎曲過大；(2)軌距超差，成八字型、喇叭形等；(3)兩根軌道標高超差，天車向低側(cè)橫移。從車輪角度可能的誘發(fā)因素有：(1)車輪直徑相差過大；(2)同一軌道上的車輪踏面不在同一直線上，車輪的安裝位置不是在矩形的四角；(3)車輪踏面的中心線與軌道中心線在水平方向存在夾角，產(chǎn)生橫向運動分量；(4)踏面中心線與鉛垂方向產(chǎn)生夾角。

針對天車啃軌問題，普遍配置了水平輪，天車跑偏時水平輪先于車輪輪緣與軌道側(cè)面接觸并將天車拉回正確方向，從而避免了啃軌。由于水平輪與軌道側(cè)面是滾動磨擦，因此軌道與水平輪的磨損都很小。從軌道和車輪兩方面解決問題。軌道方面：(1)對兩側(cè)軌道直線度及平行度進行找正；(2)對兩側(cè)軌道標高進行找平。車輪方面：(1)在水平方向?qū)囕嗊M行找正，使車輪與基準線(即軌道)平行；(2)車輪垂直方向的直線度找正；(3)對車輪的跨度、對角線進行找正；(4)車輪直徑的檢查和更換；(5)對天車兩側(cè)的傳動及制動系統(tǒng)進行同步調(diào)整。對于車況差的天車，還會對天車車身進行加固，提升車身剛度。

即使天車軌道和車輪的安裝精度等都符合行業(yè)規(guī)范，熱脹冷縮和吊載等因素也可能引起天車啃軌。

1.1 天車熱脹冷縮的影響

受熱脹冷縮影響，天車車身會產(chǎn)生伸縮，伸縮量計算公式為[7]

ΔL=a×L1×ΔT

(1)

式中，ΔL為車身伸長量；α為鋼的熱脹冷縮系數(shù)，碳鋼的α=12×10-6；ΔT為溫度差。

以某熱軋鋼卷庫天車為例，該天車車身長度為39.5 m，環(huán)境溫度最大波動是30 ℃，按式(1)計算車身受熱脹冷縮影響的伸縮量可達14.22 mm。

1.2 車身負重后的伸長量

天車主梁是上拱設(shè)計，當(dāng)?shù)踺d重物時天車主梁會產(chǎn)生向下?lián)隙龋瑥亩管嚿砩扉L,下?lián)狭坑晒?2)計算[8]。以某熱軋鋼卷庫天車為例，該天車車身長度為39.5 m，最大吊重為45 t，吊最大負載時，下?lián)蠟?3.76 mm，其計算過程為

(2)

當(dāng)天車下?lián)隙葹?3.76 mm時，天車車身會向兩邊橫向伸長。根據(jù)幾何原理計算，車身的伸長量為0.072 79 mm，數(shù)值很小，基本可以忽略。

1.3 各種因素的疊加影響

該天車的熱脹冷縮伸長量為14.22 mm，負重后車身伸長量為0.072 79 mm，行業(yè)標準允許的軌距公差≤10 mm，車輪直線度公差≤1.5 mm，四種因素的疊加影響為：10+1.5+14.22+0.072 79=25.792 mm，遠大于輪緣與軌道側(cè)面的允許竄動距離(15 mm)，必然會產(chǎn)生啃軌問題。天車啃軌預(yù)防措施無法完全消除啃軌問題的。

2 新型天車行走軌跡糾偏系統(tǒng)

受熱脹冷縮等因素影響，天車長度會動態(tài)變化，廠房結(jié)構(gòu)及天車軌道會動態(tài)變形，即使是安裝找正合格的天車及軌道，也會發(fā)生動態(tài)啃軌問題。為徹底解決啃軌問題，本文設(shè)計了新型天車動態(tài)軌跡糾偏防啃軌系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器實時檢測車輪輪緣與軌道側(cè)面的距離；當(dāng)輪緣將要與軌道產(chǎn)生摩擦?xí)r，通過車輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)天車車輪動態(tài)轉(zhuǎn)向[9]，使輪緣反向遠離軌道，從而避免啃軌發(fā)生。

2.1 啃軌檢測傳感器

如圖2所示，傳感器探頭安裝在天車輪組上(與車輪外側(cè)輪緣的橫向位置固定)，用來檢測天車軌道外側(cè)的位置。傳感器應(yīng)用電渦流原理，探頭內(nèi)有電流激勵線圈，通入正統(tǒng)波電流I1時，線圈會產(chǎn)生交變磁場H1。鋼軌表面受交變磁場影響會產(chǎn)生感應(yīng)電流I2(稱為渦流)，渦流會產(chǎn)生一個與原磁場H1頻率相同方向相反的交變磁場H2，并反射到探頭線圈，導(dǎo)致線圈的電阻和電感發(fā)生變化，進而改變線圈電流的大小和相位[10]。當(dāng)車輪橫向移動時，探頭磁場下的軌道面積會發(fā)生改變，感應(yīng)線圈的電流和相位就會發(fā)生變化，經(jīng)過算法處理可以獲得車輪輪緣相對軌道側(cè)面的距離L1，再根據(jù)車輪及軌道的具體尺寸推算出另一側(cè)輪緣與軌道側(cè)的距離L2。啃軌傳感器的性能參數(shù)為：檢測精度：0.2 mm；響應(yīng)時間：2 ms。

圖2 啃軌傳感器檢測原理

2.2 車輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)

如圖3所示，用特殊設(shè)計的天車車輪組可以實現(xiàn)天車車輪轉(zhuǎn)向功能。在車輪組外側(cè)的可調(diào)軸承座與調(diào)心軸承之間增加一個橢圓形的中間套；中間套與調(diào)心軸承相互固定；而中間套與可調(diào)軸承座在水平方向留有間隙；可調(diào)軸承座的兩側(cè)分別裝有推動器和回位彈簧。通過控制安裝在可調(diào)軸承座上的推動器及回位彈簧來推動中間套、外側(cè)調(diào)心軸承、車輪軸及車輪的組合體做前后微運動，實現(xiàn)天車車輪圍繞內(nèi)側(cè)調(diào)心軸承轉(zhuǎn)動β角的功能。

圖3 車輪轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 天車動態(tài)軌跡糾偏控制系統(tǒng)

本文以啃軌檢測技術(shù)和車輪轉(zhuǎn)向技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建天車軌跡動態(tài)糾偏系統(tǒng)。如圖4所示，在天車帶輪緣的車輪組上安裝兩個啃軌檢測傳感器；四個車輪組都采用車輪轉(zhuǎn)向技術(shù)；整個系統(tǒng)由一臺S7-300可編程控制器控制。兩個啃軌檢測傳感器將車輪輪緣到軌道側(cè)面的距離信號傳給S7-300,傳感器信號為模擬量1-5 V，PLC內(nèi)部將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的實際距離值。用實際距離與設(shè)定標準距離的差值為輸入信號，經(jīng)過邏輯判斷后，輸出推動器的控制開關(guān)量信號。當(dāng)輪緣靠近軌道時，驅(qū)動車輪向反方向旋轉(zhuǎn)，使輪緣遠離軌道，避免啃軌發(fā)生。系統(tǒng)的控制周期為20 ms，具體控制邏輯如圖5所示。

圖4 天車軌跡糾偏系統(tǒng)

圖5 天車軌跡糾偏控制邏輯

3 軌跡糾偏系統(tǒng)應(yīng)用效果

某熱軋廠鋼卷庫天車，車身長39.5 m，最大吊重45 t，冬季環(huán)境溫度波動最大30℃，該天車負責(zé)下線從軋線過來的鋼卷，鋼卷的倒庫轉(zhuǎn)儲及鋼卷發(fā)運等工作。該天車長期受啃軌問題困擾，雖多次找正天車軌道和車輪，效果仍不明顯。天車行走時經(jīng)常發(fā)出啃軌異響；車輪磨損速度快；受啃軌作用力影響，天車端梁發(fā)生過局部變形斷裂，天車軌道也頻繁發(fā)生松動變形。

該天車應(yīng)用軌跡糾偏技術(shù)改造后，啃軌問題得到徹底解決。圖6是糾偏系統(tǒng)投入和不投入時的啃軌測量數(shù)據(jù)對比。根據(jù)現(xiàn)場實測標定，當(dāng)啃軌傳感器測量值大于50時(即紅色部分數(shù)據(jù))，外側(cè)輪緣啃軌；當(dāng)啃軌傳感器測量值小于30時，內(nèi)側(cè)輪緣啃軌；測量值在30～50之間不啃軌。從圖6可以看出，糾偏系統(tǒng)不投入時，沿天車軌道的很多點位都發(fā)生啃軌；糾偏系統(tǒng)投入后，啃軌現(xiàn)象全部消失。該天車在改造前每年消耗車輪8個以上，改造后每年消耗車輪僅2個。

圖6 糾偏系統(tǒng)應(yīng)用效果對比

4 結(jié)束語

本文新型天車在線軌跡糾偏防啃軌系統(tǒng)在傳統(tǒng)啃軌治理策略的基礎(chǔ)上，進一步考慮了熱脹冷縮、車身承載等動態(tài)因素的影響，徹底解決了天車啃軌問題。該糾偏技術(shù)通過車輪轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)天車橫向移動，是一種低沖擊的柔性糾偏，與水平輪糾偏相比，避免產(chǎn)生過大的橫向拖拽力，因而避免了天車及廠房結(jié)構(gòu)的受力損壞。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到熱軋鋼卷庫、冷軋鋼卷庫、煉鋼板坯庫等部位的近30臺天車上，大量的生產(chǎn)實踐證明，該系統(tǒng)糾偏技術(shù)效果明顯，系統(tǒng)穩(wěn)定，徹底解決在各行業(yè)的天車啃軌問題。