袁 聰 趙 華

1 上海振華重工電氣有限公司 2 上港集團(tuán)振東分公司

1 引言

輪胎式集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱輪胎吊)是集裝箱碼頭所使用的傳統(tǒng)起重機(jī)，提高其行走機(jī)構(gòu)的定位精度和能效成為當(dāng)下輪胎吊的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)由立式安裝于轉(zhuǎn)向平臺(tái)上的異步電機(jī)、減速器以及鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)組成[1-2]。在啟停時(shí)由于鏈條張緊與松弛的狀態(tài)變化，導(dǎo)致輪胎吊大車的響應(yīng)慢于輪邊驅(qū)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，由于1臺(tái)輪胎吊的4套行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的差異，鏈條長(zhǎng)度的不同等因素，容易產(chǎn)生行駛偏移，需要頻繁糾正偏移量，加重了操作負(fù)擔(dān)。為此設(shè)計(jì)了一種安裝于輪胎吊行走車輪輪轂范圍內(nèi)，電機(jī)、減速器、制動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)變壓器等高度集成的行走驅(qū)動(dòng)裝置。

2 輪邊大車驅(qū)動(dòng)方式

新型驅(qū)動(dòng)裝置采用了永磁同步電機(jī)、輪轂內(nèi)齒輪驅(qū)動(dòng)橋的直插式高集成度一體化設(shè)計(jì)(見圖1)，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、定位準(zhǔn)、承載能力大。電機(jī)方面采用永磁同步電機(jī)代替常規(guī)使用的三相異步電機(jī)，使系統(tǒng)的響應(yīng)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(zhuǎn)矩輸出，同時(shí)還擁有更高的功率因素、機(jī)械效率和能效比。

1.車架主體 2.齒輪驅(qū)動(dòng)橋 3.永磁同步電機(jī) 4.行走車輪圖1 新型輪邊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

3 輪邊驅(qū)動(dòng)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 電機(jī)參數(shù)

根據(jù)輪胎吊行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)機(jī)械計(jì)算書選擇表1參數(shù)的永磁同步電機(jī)。電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)速(1 700 r/min)下的最大輸出轉(zhuǎn)矩為220 Nm(>157 Nm)，啟動(dòng)加速階段最大短時(shí)峰值輸出轉(zhuǎn)矩為460 Nm(>385 Nm)，能夠滿足常規(guī)輪胎吊應(yīng)用工況需求。

表1 永磁同步電機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2 電氣硬件回路設(shè)計(jì)

圖2為大車行走機(jī)構(gòu)變頻器部分原理圖，輪胎吊系統(tǒng)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(jī)構(gòu)變頻器部分原理圖

圖3為大車行走機(jī)構(gòu)電機(jī)部分原理圖，輸出電抗器經(jīng)過接觸器，向電機(jī)供電。

圖3 大車行走機(jī)構(gòu)電機(jī)部分原理圖

圖4為大車行走機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器硬件回路，電源取自380 VAC電源，經(jīng)過接觸器和熱繼向制動(dòng)器的整流模塊供電，整流模塊的直流電輸出至制動(dòng)器線圈。

圖4 大車行走機(jī)構(gòu)制動(dòng)器部分原理圖

其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。動(dòng)力電部分變頻器取自輪胎吊系統(tǒng)的直流母線，經(jīng)過高頻電抗器輸出至電機(jī)。控制上PLC通過通訊控制變頻器，“緊?！奔啊皢?dòng)允許”則由硬件點(diǎn)來(lái)控制以保證安全性。制動(dòng)器接觸器通過PLC進(jìn)行控制。

3.3 電氣控制軟件設(shè)計(jì)

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

考慮到行走機(jī)構(gòu)在安全上的特殊性，在保護(hù)層面上所有與大車行走相關(guān)的故障均為機(jī)械停車。主要有以下幾方面的保護(hù)：

(1)硬件供電：大車主電源斷路器、接觸器故障，制動(dòng)器主電源、接觸器故障。

(2)傳感器：電機(jī)溫控信號(hào)、旋變信號(hào)故障，制動(dòng)器釋放信號(hào)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(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)大車的控制方法、邏輯、保護(hù)等保持基本一致，無(wú)需額外耗費(fèi)大量精力重新設(shè)計(jì)軟件并驗(yàn)證軟件的可靠性。由于變頻器參數(shù)缺乏參考標(biāo)準(zhǔn)，將在實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)行調(diào)整。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以模擬輪胎吊在實(shí)際作業(yè)過程中的受力情況，主要由3個(gè)部分組成：

(1)加載裝置。加載裝置通過加載油缸對(duì)輪胎進(jìn)行加載，用于模擬行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中所受到的徑向力。

(2)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置由行走車架、輪胎、輪轂、電機(jī)及減速器組成，完全按照實(shí)際行走機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝。

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

受場(chǎng)地與成本等各方面因素制約，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用輪胎吊4個(gè)行走機(jī)構(gòu)中的1個(gè)主動(dòng)輪進(jìn)行模擬。

4.2 第一階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

由于實(shí)驗(yàn)電機(jī)數(shù)量只有1臺(tái)，因此第一階段實(shí)驗(yàn)分別用3種變頻器來(lái)進(jìn)行測(cè)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(yàn)證不同的變頻器在相同電機(jī)的表現(xiàn)性能，輸出穩(wěn)定的力矩、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速以及電流的情況是此次考察3款變頻器的基準(zhǔn)參數(shù)，主要采集的數(shù)據(jù)為負(fù)載、轉(zhuǎn)速和溫升。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)的數(shù)據(jù)見表2、表3、表4。

表2 輪邊驅(qū)動(dòng)行走實(shí)驗(yàn)變頻器A組數(shù)據(jù)

表3 輪邊驅(qū)動(dòng)行走實(shí)驗(yàn)變頻器B組數(shù)據(jù)

表4 輪邊驅(qū)動(dòng)行走實(shí)驗(yàn)變頻器C組數(shù)據(jù)

根據(jù)對(duì)這3組數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

(1)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出力矩符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的需求。

(2)A、B、C 3組變頻器在同轉(zhuǎn)速同力矩下對(duì)比A輸出最穩(wěn)定電流也最小，B、C電流相較于A偏大，且在高速時(shí)不穩(wěn)定或者輸出力矩受限。因此A表現(xiàn)最符合設(shè)計(jì)需求。

(3)表2、表3和表4中電機(jī)溫升均偏高，測(cè)試時(shí)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，在時(shí)間不超過35 min的情況下，散熱不良，需要改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)后在溫升方面重新實(shí)驗(yàn)。

4.3 第二階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

由于第一階段的測(cè)試結(jié)果中散熱一項(xiàng)難以滿足要求，因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)后增加第二階段的實(shí)驗(yàn)，專門測(cè)試電機(jī)的散熱改進(jìn)效果。在第一階段的實(shí)驗(yàn)下，變頻器A的表現(xiàn)最為優(yōu)異，因此在本次實(shí)驗(yàn)與后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中都只使用A變頻器。

針對(duì)電機(jī)溫升偏高問題，可以通過改變電機(jī)外殼材質(zhì)，增加散熱筋以增加散熱表面積等措施進(jìn)行改進(jìn)。第二階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 輪邊驅(qū)動(dòng)大車實(shí)驗(yàn)變頻器A組第二次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

對(duì)比第一次實(shí)驗(yàn)A組變頻器數(shù)據(jù)，在同等轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的情況下，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)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(yùn)行時(shí)間的情況下溫度僅增加了3.4 K、11.4 K、7 K，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的電機(jī)散熱能力已有了明顯改善，并且符合輪胎吊的運(yùn)用需求。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過設(shè)計(jì)、論證以及在原型機(jī)上的測(cè)試表明，該新型輪邊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)規(guī)范，能夠滿足輪胎吊行走機(jī)構(gòu)更高的定位精度及更高的能效要求，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。