李永豐

（中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，長沙 410000）

基于張力閉環(huán)控制的新型鋼絲繩預(yù)緊裝置

李永豐

（中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，長沙 410000）

以塔式起重機(jī) 起升機(jī)構(gòu)用鋼絲繩為原型，研發(fā)了一種新型鋼絲繩預(yù)緊裝置， 采用間接張力閉環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出速度和轉(zhuǎn)矩， 實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩恒線速度、恒張力繞繩控制， 通過該裝置對起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動繞繩，取代人工繞繩，并施加額定的預(yù)緊力，達(dá)到提高繞繩效率、改善排繩、延長鋼絲繩使用壽命的目的。

塔式起重機(jī)；鋼絲繩；鋼絲繩張力； 改善排繩

0 引言

隨著起重機(jī)械的大型化發(fā)展，鋼絲繩多層卷繞方式[1]得到了越來越廣泛的使用，在繞繩過程中，多采用人工繞繩，繞繩效率低下，安全性差，且使用過程中容易出現(xiàn)亂繩等現(xiàn)象，導(dǎo)致亂繩的原因很多，“未施加恒定的預(yù)緊力”是其中非常重要的原因之一，如未施加預(yù)緊力將使內(nèi)層松弛，導(dǎo)致多層鋼絲繩承受外層“負(fù)荷”而過早的壓垮和壓扁，進(jìn)而導(dǎo)致亂繩，縮短了鋼絲繩的使用壽命，因此，鋼絲繩初次繞繩時施加額定預(yù)緊力已成為塔機(jī)行業(yè)的一個重要研究課題。

本文研制了一套新型起升機(jī)構(gòu)專用鋼絲繩自動卷繞裝置，該裝置配備張力檢測傳感器與輔助監(jiān)測系統(tǒng)，通過起升機(jī)構(gòu)控制繞繩轉(zhuǎn)速，張力變頻器調(diào)節(jié)繞繩張力。實(shí)驗(yàn)表明：本系統(tǒng)達(dá)到了理想的繞繩效果，具有較好的推廣應(yīng)用價值，同時為卷繞鋼絲繩系統(tǒng)的試驗(yàn)和研究提供了一個先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺。

1 裝置系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 裝置系統(tǒng)組成

圖1 鋼絲繩預(yù)緊裝置示意圖

鋼絲繩預(yù)緊裝置如圖1所示，由起升機(jī)構(gòu)、三滑輪組（包括張力檢測及計米）、鋼絲繩卷筒機(jī)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)組成，并由操作臺集中控制，現(xiàn)場布局如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場布置圖片

圖3 鋼絲繩卷筒機(jī)構(gòu)示意圖

其中，鋼絲繩卷筒結(jié)構(gòu)如圖3所示，由張力電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)，減速機(jī)帶動撥叉及銷軸，進(jìn)一步驅(qū)動卷筒機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收、放卷，實(shí)物如圖4所示。

圖4 鋼絲繩卷筒實(shí)物圖

1.2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)如圖5所示，由操作臺及顯示屏、起升機(jī)構(gòu)變頻控制系統(tǒng)、張力機(jī)構(gòu)變頻控制系統(tǒng)及制動單元、PLC控制系統(tǒng)、三滑輪檢測系統(tǒng)（包括張力和測速編碼器）組成。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

操作臺及顯示屏用于系統(tǒng)的啟動及相關(guān)參數(shù)設(shè)置（包括鋼絲繩張力及繞繩長度），起升機(jī)構(gòu)變頻器控制系統(tǒng)主要控制繞繩速度和方向，張力傳感器用于反饋鋼絲繩張力[2]，測速編碼器用于反饋繞繩線速度；張力控制變頻器根據(jù)反饋張力信號，經(jīng)閉環(huán)運(yùn)算后直接控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)恒張力控制，且自動繞繩過程中張力電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過變頻器外接制動單元及電阻，用于起升機(jī)構(gòu)電機(jī)和張力機(jī)構(gòu)電機(jī)對拖過程中能量的消耗，PLC控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)張力、速度雙閉環(huán)控制和相關(guān)邏輯功能。

1.3 鋼絲繩恒張力控方案

由于鋼絲繩的型號、直徑不同，要求施加的預(yù)緊大小不同，根據(jù)國外機(jī)構(gòu)里巴斯（Lebus）對鋼絲繩卷筒機(jī)構(gòu)的研究，預(yù)緊力的大小取安全工作載荷的10%和破斷拉力2%中的較大值，通過計算，并結(jié)合鋼絲繩的使用工況，本文建議張力如表1所示。

表1 不同型號鋼絲繩預(yù)緊力

1.3.1 鋼絲繩恒線速度控制

當(dāng)卷筒繞繩過程中，由于鋼絲繩卷繞層數(shù)變化引起卷繞直徑的改變，導(dǎo)致鋼絲繩的線速度也會隨之發(fā)生改變，為達(dá)到鋼絲繩恒線速度繞繩的目的，本試驗(yàn)裝置采用鋼絲繩線速度閉環(huán)控制方法，通過PLC讀取滑輪組上編碼器的速度值，并轉(zhuǎn)換為繞繩線速度值，并將此值與給定繞繩線速度值求差，再依據(jù)此偏差進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算,最后輸出速度控制量，從而控制起升機(jī)構(gòu)變頻器輸出頻率值，達(dá)到恒線速度控制目的。

1.3.2 鋼絲繩恒張力控制

由于鋼絲繩在繞繩過程中，卷徑是動態(tài)變化的，且鋼絲繩制造廠家提供的鋼絲繩卷筒未施加額定的預(yù)緊力，鋼絲繩纏繞過程中容易出現(xiàn)“彈跳”現(xiàn)象（將外層鋼絲繩拉入內(nèi)層再拉出來），導(dǎo)致張力較大波動[3]，給系統(tǒng)造成較大擾動，為了保證繞繩質(zhì)量，本系統(tǒng)采用模糊PID控制，取得了較好的控制效果。需保證鋼絲繩在恒張力[4]狀態(tài)下繞繩，控制方案如圖6所示。

圖6 鋼絲繩恒張力控制示意圖

1.3.3 繞繩長度控制

為了實(shí)現(xiàn)全自動繞繩方案，本裝置增加了繞繩長度控制功能，如圖7所示。

通過顯示屏輸入繞繩長度，并實(shí)時讀取當(dāng)前已繞長度，當(dāng)已繞長度與設(shè)置長度相等時，停止繞繩，同時系統(tǒng)還具備鋼絲繩回繞功能，較好的滿足了現(xiàn)場應(yīng)用需求。

2 工裝試驗(yàn)及結(jié)果

圖7 預(yù)緊裝置操作界面

本文以直徑為24mm的鋼絲繩作為繞繩對象，利用該裝置進(jìn)行了多層卷繞鋼絲繩繞繩試驗(yàn)，具體過程如下。

2.1 試驗(yàn)條件

1）鋼絲繩型號：直徑為24mm，鋼絲繩破斷拉力為350kN；

2）滑輪型號：普通鋼制滑輪，滑輪直徑為310 mm，滑輪直徑與鋼絲繩直徑比值為12.9；

3）卷筒型式與規(guī)格：多層卷繞卷筒，卷筒槽底直徑600～1000mm；

4）鋼絲繩張力：設(shè)定試驗(yàn)中鋼絲繩安全系數(shù)為5，即試驗(yàn)過程中鋼絲繩的控制張力為7kN；

5）鋼絲繩線速度：0～30m/min。

2.2 試驗(yàn)過程

通過顯示屏輸入繞繩速度、繞繩長度及鋼絲繩類型，為了提高繞繩質(zhì)量，可先將鋼絲繩張力加到初始預(yù)緊力，初始預(yù)緊力可取實(shí)際預(yù)緊力的60%～100%，本實(shí)驗(yàn)過程取90%（630kg），一鍵啟動繞繩，進(jìn)入恒線速度和恒張力繞繩模式，當(dāng)繞繩長度等于設(shè)置長度時，停止繞繩。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖8為繞繩過程中鋼絲繩的張力實(shí)際檢測值，從鋼絲繩張力控制結(jié)果可知，繞繩過程中能保證鋼絲繩張力值控制在±10%以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的繞繩效果。

圖9為繞繩過程中變頻器輸出力矩值百分比，在120s時，人為將繞繩速度提高到中速，為了保持張力恒定，變頻器通過調(diào)節(jié)輸出力矩，使系統(tǒng)在較短時間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，同時，保證鋼絲繩的張力恒定。

3 結(jié)論

圖8 鋼絲繩張力（700kg）

圖9 張力電機(jī)輸出力矩百分比

鋼絲繩預(yù)緊裝置作為批量生產(chǎn)時所使用的工裝，不僅“省人、省時”，還能精確控制繞入起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩的長度，提高了工作效率，施加預(yù)緊力后的鋼絲繩卷筒，能改善排繩效果，提高鋼絲繩的壽命，為客戶節(jié)省鋼絲繩的使用成本，具有較好的推廣及應(yīng)用價值。

[1] Utting W.S.Survey of literature on the behavior of steelwire ropes ( Part One)[J].Wire Industry,1994,22(9):633-635.

[2] 胡志輝,胡吉全,胡勇,等.多層卷繞鋼絲繩疲勞磨損試驗(yàn)裝置的研制[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2014,33(10):153-154.

[3] 朱有為,羅護(hù),金忠慶.新型鋼絲繩精密傳動的設(shè)計與研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2007(06):6-8.

[4] 周建洪,楊玉杰.漿紗機(jī)織軸的恒張力控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2004(6):145-146.

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New wire rope pretightening device based on tension closed loop control

LI Yong-feng

TP29

：B

1009-0134(2017)03-0017-03

2016-11-17

李永豐（1981 -）男，湖南長沙人，工程師，碩士，主要從事工程機(jī)械電氣控制研究。