青島前灣集裝箱碼頭公司　潘　廣

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岸橋傾轉(zhuǎn)及掛艙保護(hù)改造

青島前灣集裝箱碼頭公司潘廣

摘要：針對(duì)早期70 t岸橋的傾轉(zhuǎn)問(wèn)題提出了改造方案，在后大梁上安裝4個(gè)具有傾轉(zhuǎn)及掛艙保護(hù)功能的液壓油缸，通過(guò)計(jì)算得出傾轉(zhuǎn)油缸的速度與比例閥電流的關(guān)系后進(jìn)行組態(tài)編程，形成穩(wěn)定安全的傾轉(zhuǎn)及掛艙裝置，解決了以前易出現(xiàn)傾轉(zhuǎn)故障及沒(méi)有掛艙保護(hù)功能的安全隱患。

關(guān)鍵詞：傾轉(zhuǎn)； 掛艙； 比例閥； 電磁線(xiàn)圈； 組態(tài)

某公司使用的上海港機(jī)早期生產(chǎn)的3臺(tái)70 t-70 m岸橋，其吊具下到20 m深的船艙吊運(yùn)集裝箱時(shí)，易發(fā)生掛艙問(wèn)題，由于沒(méi)有相應(yīng)的保護(hù)裝置，致使鋼絲繩接近其破斷力，同時(shí)對(duì)整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)造成破壞，因此需要對(duì)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造。

1傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成及傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

岸橋由卷筒帶動(dòng)4根鋼絲拉動(dòng)吊具。將吊具的海左定義為B、海右為C、陸左為A、陸右為D。改造時(shí)，去除前大梁接線(xiàn)箱、 3個(gè)絲杠及減速箱電機(jī)部分，將鋼絲繩在前大梁上用壓板壓住，保留重量傳感器。在后大梁上加裝4個(gè)具有傾轉(zhuǎn)及掛艙保護(hù)功能的油缸，從左到右依次為1、2、3、4。岸橋起升鋼絲的運(yùn)行情況見(jiàn)圖1。

圖1　起升的整體示意圖

在裝卸集裝箱的過(guò)程中，由于船艙傾斜、集卡停位傾斜等原因，司機(jī)要經(jīng)常用到左傾、右傾、前傾、后傾、左旋、右旋6個(gè)動(dòng)作。這6個(gè)動(dòng)作以下簡(jiǎn)稱(chēng)為傾轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2　吊具傾轉(zhuǎn)動(dòng)作示意圖

2傾轉(zhuǎn)與掛艙保護(hù)的設(shè)計(jì)及改造

2.1硬件配置

硬件配置見(jiàn)表1。

2.2后大梁機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及安裝

在后大梁的起升鋼絲滑輪部位安裝油缸底座、斜拉桿等裝置。當(dāng)傾轉(zhuǎn)油缸伸縮時(shí)，通過(guò)拉桿帶動(dòng)滑輪前后運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)鋼絲實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)動(dòng)作。后大梁實(shí)際安裝后的情況見(jiàn)圖3。

表1　傾轉(zhuǎn)改造所需要的硬件配置

圖3　后大梁油缸機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3傾轉(zhuǎn)與掛艙動(dòng)作工況設(shè)計(jì)

2.3.1吊具傾轉(zhuǎn)比例方向閥線(xiàn)圈S1至S8工況設(shè)計(jì)

比例方向閥(三位四通閥)通過(guò)比例電磁線(xiàn)圈控制油液的方向和流量。以油缸1為例，每一個(gè)比例方向閥有2個(gè)比例電磁線(xiàn)圈，共有S1-S8共8個(gè)比例電磁線(xiàn)圈。輸入電壓為24 V DC，輸入指令電流為4～20 mA；PLC程序?qū)l(fā)信號(hào)控制相應(yīng)的電磁線(xiàn)圈，由信號(hào)量控制比例閥的開(kāi)口量，決定油缸行走的方向和速度。

(1)指令電流為12～20 mA, 相應(yīng)的比例電磁閥的流向?yàn)镻′A, B′T，即電磁線(xiàn)圈S2、 S4、 S6、 S8得電，指令值愈大，比例閥輸出愈大，通過(guò)比例閥的流量愈大，油缸外伸的速度愈快。

(2)指令電流為4～12 mA, 相應(yīng)的比例電磁閥的流向?yàn)椋篜′B, A′T，即電磁線(xiàn)圈S1、 S3、 S5、 S7得電，指令值愈小，比例閥輸出愈大，通過(guò)比例閥的流量愈大，油缸內(nèi)縮的速度愈快。

比例閥有15%指令信號(hào)范圍遮蓋量，即指令信號(hào)的1.2 mA起始量?jī)?nèi)比例閥沒(méi)有流量輸出，即比例閥指令信號(hào)大于或小于12±1.2 mA后，比例方向閥才有輸出，見(jiàn)圖4。

圖4　比例方向閥液壓方向及磁尺與指令的關(guān)系

2.3.2吊具傾轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)各閥得失電的設(shè)計(jì)

當(dāng)司機(jī)操作手柄進(jìn)行傾轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，電機(jī)M得電，經(jīng)過(guò)0.5 s后高壓閥S9得電，相應(yīng)的比例閥得電以完成指令動(dòng)作(在任何情況下，只有當(dāng)掛艙油泵所用的蝶閥的行程開(kāi)關(guān)RM閉合，表明油泵吸油口暢通時(shí)，油泵馬達(dá)M1才可得電運(yùn)轉(zhuǎn))；吊具的傾轉(zhuǎn)由4個(gè)油缸的動(dòng)作完成，油缸的運(yùn)動(dòng)方向由8個(gè)比例方向閥的電磁線(xiàn)圈控制。4個(gè)油缸的直線(xiàn)位移傳感器測(cè)量和控制4個(gè)油缸的運(yùn)動(dòng)位置。高壓閥S9用來(lái)控制傾轉(zhuǎn)油泵的壓力。當(dāng)8個(gè)比例電磁線(xiàn)圈中的任何一個(gè)得電時(shí)，S9必須得電。只有當(dāng)8個(gè)比例電磁線(xiàn)圈都失電時(shí)，電磁線(xiàn)圈S9才可以失電。

根據(jù)圖1、圖2所示傾轉(zhuǎn)鋼絲動(dòng)作情況，以及吊具傾轉(zhuǎn)比例方向閥線(xiàn)圈S1至S8的伸縮情況，得出吊具傾轉(zhuǎn)時(shí)相應(yīng)閥的得電關(guān)系(見(jiàn)表2，+表示得電)。以上動(dòng)作均通過(guò)PLC控制完成。

表2　吊具傾轉(zhuǎn)時(shí)相應(yīng)閥的得電關(guān)系

2.3.3傾轉(zhuǎn)速度控制設(shè)計(jì)

為了保證傾轉(zhuǎn)油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)作的準(zhǔn)確性(以前傾為例，要S2、S3、S5、S8得電)，4個(gè)傾轉(zhuǎn)油缸在相同的時(shí)間內(nèi)有預(yù)期的位移，如果有個(gè)油缸沒(méi)有到達(dá)預(yù)期位移，吊具可能就發(fā)生了旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，造成司機(jī)調(diào)不到預(yù)期的前傾位置)，因此PLC要一直控制4個(gè)油缸的速度，4個(gè)油缸必須在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上保持同時(shí)到達(dá)，即時(shí)間保持同步，誤差不能超過(guò)5%。

(1)變量的定義

Dn(其中n=1, 2, 3, 4，下同)為由油缸磁尺在線(xiàn)輸出的油缸絕對(duì)位移，油缸完全縮進(jìn)時(shí)，為0；D0為油缸中位的絕對(duì)位移，根據(jù)傾轉(zhuǎn)行程人工輸入，并由控制系統(tǒng)記憶；Aa為無(wú)桿腔面積,Aa=314.1 cm2；Ab為有桿腔面積,Ab=160.3 cm2；Qp：油泵流量,Qp=75 L/min；ΔDn：油缸相對(duì)于O位(Home位)的相對(duì)位移，可以由控制系統(tǒng)計(jì)算出；ΔDn=Dn-D0，ΔDn>0表示油缸已伸出，ΔDn=0表示油缸在中位，ΔDn<0表示油缸已縮進(jìn)；Qn為油缸應(yīng)進(jìn)油的流量；Vn為油缸的速度。

(2)電流控制油缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度控制

岸橋的PLC程序能夠控制每一個(gè)油缸的狀態(tài)(伸出或縮進(jìn))，輸出相應(yīng)的電流控制油缸的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度?？刂圃頌椋?/p>

①系統(tǒng)首先檢測(cè)到每個(gè)油缸當(dāng)前位置和動(dòng)作的目標(biāo)值，如：歸“0”動(dòng)作的全部油缸會(huì)到“0”位和前后傾動(dòng)作在同時(shí)間段內(nèi)按比例協(xié)調(diào)的向30 mm前進(jìn)。

②根據(jù)油缸位置和每個(gè)油缸動(dòng)作的目標(biāo)值，計(jì)算出要求每個(gè)油缸同時(shí)達(dá)到目標(biāo)值要填充的油量。

③根據(jù)油泵最大供油量，計(jì)算出完成這些目標(biāo)值即完成這些填充油量所需的總時(shí)間。

④根據(jù)比例閥的屬性預(yù)選相應(yīng)閥的信號(hào)量。

⑤根據(jù)油缸在PLC掃描一個(gè)周期內(nèi)的位移和經(jīng)過(guò)的時(shí)間，計(jì)算油缸的瞬時(shí)速度。

⑥根據(jù)油缸實(shí)際輸出的速度與要求的速度的差值，計(jì)算出要增加或減少的流量。

⑦根據(jù)樣本的電流變化所引起的流量變化的比例關(guān)系，計(jì)算出要增加或減少的信號(hào)電流值。

⑧通知控制系統(tǒng)修正電流值，并且在目標(biāo)值到達(dá)以前，速度糾正在PLC周期中一直在循環(huán)，從⑤循環(huán)到此。

⑨為了糾正因速度糾正引起的積累誤差，每經(jīng)過(guò)若干PLC周期，重新檢測(cè)目標(biāo)值位置，從①重新循環(huán)，直到油缸在誤差范圍內(nèi)到達(dá)目標(biāo)值。

(3)電流控制油缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度及位移的計(jì)算

以?xún)A轉(zhuǎn)油缸作歸“0”運(yùn)動(dòng)為例：PLC首先檢測(cè)4個(gè)油缸的位置，得出D1、 D2、 D3、 D4，并根據(jù)存儲(chǔ)的“0”位，計(jì)算出油缸的向量位移。如果油缸是伸出的ΔDn>0，當(dāng)作復(fù)位動(dòng)作時(shí)，這個(gè)油缸將要縮進(jìn)到“0”位。油液從P-B,A-T，也就是電磁線(xiàn)圈S1、S3、S5、S7將得電，即給出電流值在12～4 mA。相反，如果油缸相對(duì)于“0”位是縮進(jìn)的(ΔDn<0),當(dāng)作復(fù)位動(dòng)作時(shí)，這個(gè)油缸將要伸出到“0”位。油液從P-A, B-T， 也就是電磁線(xiàn)圈S2、S4、S6、S8將得電，即給定電流值為12～20 mA。

已知：D1、 D2、 D3、 D4，計(jì)算ΔDn和|ΔDn| 。

相應(yīng)的油缸進(jìn)油量應(yīng)為：

Qn=|ΔDn|×A/t, ，如果ΔDn>0, 油缸要回縮，A選擇油缸有桿腔面積Ab，如果ΔDn<0, 油缸要外伸，A選擇油缸無(wú)桿腔面積Aa。

根據(jù)REXROTH 比例閥的樣本，得出開(kāi)口值與控制電流的關(guān)系：

ξn=〔(0.23Qn+5)/12.5〕,ξn(100%)，Qn(L/min，

I1=12±ξn×8

當(dāng)Qn=12.5 L，ξn=0.63=63%；

當(dāng)Qn=25 L，ξn=0.86=86%；

IfΔDn>0,II=12-ξn×8; within 12-4 mA; Whenξn=0.63=63%,II=6.96 mA,

IfΔDn<0,II=12-ξn×8; within 12-20 mA; Whenξn=0.86=86%,II=18.88 mA,

控制電流：II=12±ξn×8; 。該公式中“±”由ΔDn的正負(fù)來(lái)決定，當(dāng)ΔDn>0, 選擇“-”；當(dāng)ΔDn<0, 選擇“+”。但電流最大值不應(yīng)大于20 mA和小于4 mA。

當(dāng)油缸外伸時(shí)，每增加和減小1 mA電流，油缸的速度將增加和減小0.36 cm，即0.36 cm/mA。

當(dāng)油缸內(nèi)縮時(shí)，每增加和減小1 mA電流，油缸的速度將增加和減小0.70 cm，即0.70 cm/mA；

按照此比例在PLC的編程中對(duì)油缸的速度進(jìn)行再調(diào)整。

根據(jù)以上的計(jì)算過(guò)程，可得出傾轉(zhuǎn)的速度控制。前傾時(shí)S2與S8初始得電量18.88 mA (86%)，S3與S5初始得電量6.96 mA (63%)；后傾時(shí)S1與S7初始得電量6.96 mA (63%)，S4與S6初始得電量18.88 mA (86%)；左傾時(shí)S1與S3初始得電量6.96 mA (63%)，S6與S8初始得電量18.88 mA (86%)；右傾時(shí)S2與S4初始得電量18.88 mA (86%)，S5與S7初始得電量6.96 mA (63%)；右旋時(shí)S1與S5初始得電量6.96 mA (63%)，S4與S8初始得電量18.88 mA (86%)；左旋時(shí)S2與S6初始得電量18.88 mA (86%)，S3與S7初始得電量6.96 mA (63%)。上述值都是當(dāng)給出傾轉(zhuǎn)指令時(shí)比例閥的預(yù)先給定量，在傾轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行過(guò)程中，這些值應(yīng)當(dāng)根據(jù)速度要求的自動(dòng)控制程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整[1]。

2.4掛艙工況

當(dāng)岸橋的負(fù)荷超過(guò)額定負(fù)荷的20%時(shí)，壓力繼電器H1～H4中任一個(gè)斷開(kāi)發(fā)訊,發(fā)出掛艙信號(hào),主起升即停?？刂齐娞⒏邠P(yáng)聲報(bào)警。經(jīng)仔細(xì)檢查橋吊并手動(dòng)控制復(fù)位后，吊具只能慢速“下降”而不能“上升”，吊具下降解除掛艙后，按下“掛艙復(fù)位”按鈕，油缸回中位，掛艙故障解除。

3PLC程序組態(tài)等的改造

在PROFIBUS分布式IO中插入ET200M，并命名為(12)LTC。ET200M是Profibus中的站點(diǎn)模塊，ET200M用于與標(biāo)準(zhǔn)的S7 400模塊一起組成遠(yuǎn)程I/O站，IM153-1作為 ET200M的接口模塊，將ET200M作為從站連接到Profibus DP上，見(jiàn)圖5。

圖5　 Profibus插入的(12)LTC

IM153-1帶有2個(gè)AI模擬量輸入模塊，用于磁尺的位置輸入，電流為4～20 mA 。1個(gè)AO模擬量輸出模塊，用于控制比例閥，電流為4～20 mA 。3個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸入模塊，相應(yīng)的地址系統(tǒng)自動(dòng)分配，以方便程序的編寫(xiě)[2]，見(jiàn)圖6。

4后大梁按鈕箱的安裝

為了便于對(duì)傾轉(zhuǎn)油缸的任意控制，在后大梁安裝控制箱，加裝按鈕。2個(gè)普通帶燈按鈕“控制合”(綠色)和“控制斷”(紅色)。1個(gè)2位選擇開(kāi)關(guān)：“本地操作”和“司機(jī)室控制”。1個(gè)普通2位選擇開(kāi)關(guān)：“油泵開(kāi)”和“油泵關(guān)”。1個(gè)普通3位自動(dòng)回中選擇開(kāi)關(guān)“油缸伸”、“中位”和“油缸縮”。1個(gè)4位選擇開(kāi)關(guān)，用于對(duì)4個(gè)傾轉(zhuǎn)油缸的選擇。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)3臺(tái)岸橋改造以后，由于取消前大梁模塊箱和傾轉(zhuǎn)電機(jī)絲杠裝置，消除了模塊故障和絲杠斷裂故障隱患，從而提高了裝卸效率。在后大梁加裝油缸后傾轉(zhuǎn)動(dòng)作可靠、迅速，具有掛艙保護(hù)功能后，發(fā)生掛艙時(shí)能夠進(jìn)行有效的緩沖，同時(shí)保證了整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定耐用，杜絕了安全隱患，提高了岸橋的使用壽命。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張利平.液壓閥原理使用與維護(hù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2015，324-338.

[2]陶權(quán). S7-300/400PLC基礎(chǔ)及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)[M] 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2015:191-210.

潘廣： 266033， 山東省青島市撫順路11號(hào)乙4號(hào)樓1-502

Transformation of the Rotation and Hanging Protection of Quay Crane

Qingdao Qianwan Container Terminal Co.,Ltd. Pang Guang

Abstract:By setting 4 hydraulic cylinders with rotating function and hanging protection on the back girder of quay crane, and making configuration programming based on the relationship between the speed of rotating oil cylinder and the electric current of proportional valve, this paper proposes a transformation method of the rotation problem on early 70 t quay crane and creates a stable and safe rotation and hanging protection device to removes the hidden danger.

Key words:rotation; hanging; proportional valve; solenoid coil; configuration

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.017

收稿日期：2015-07-28