周月才

河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司

1 引言

國內(nèi)北方港口散貨移動設(shè)備的機(jī)上環(huán)保除塵用水大部分以地面水槽做水源,利用固定在單機(jī)上的吸水泵取水,通過管道將水送到除塵水箱,供單機(jī)除塵用水。冬季水槽凍冰無法給單機(jī)供水,對環(huán)保除塵造成很大影響。為解決以上問題,將橡膠柔性水纜纏繞在卷盤上,水纜一端與地面換向處的供水管路相連,另一端與機(jī)上除塵水箱相連,利用保溫伴熱和機(jī)電控制方案使水纜內(nèi)水溫保持在0℃以上,可保障全年不間斷給移動單機(jī)供水(見圖1)。

1.上水閥 2.加熱罐 3.流量計(jì) 4.循環(huán)泵 5.水纜圖1 水纜連接圖

目前,使用較廣泛的水纜卷盤為磁滯聯(lián)軸器式卷盤,主要由電動機(jī)、磁滯式聯(lián)軸器、行星減速箱、主減速箱、卷盤等組成。磁滯式聯(lián)軸器為同步差速機(jī)構(gòu),利用磁力耦合原理保證卷盤在收纜和放纜時(shí)速度始終與單機(jī)行走同步。磁滯聯(lián)軸器式卷盤由電動機(jī)將動力傳至磁滯聯(lián)軸器,經(jīng)行星減速箱、主減速箱二級變速后,將放大的轉(zhuǎn)矩傳至卷盤。卷盤工作時(shí),電動機(jī)始終向收纜方向旋轉(zhuǎn),當(dāng)單機(jī)從中間換向點(diǎn)向遠(yuǎn)離方向運(yùn)動時(shí),通過對水纜拖拽克服磁滯聯(lián)軸器上的磁場扭矩,使磁滯聯(lián)軸器內(nèi)部永久磁鋼與感應(yīng)盤之間磁場產(chǎn)生滑差,將卷盤上的水纜放下。由于磁力耦合的作用,放纜過程中水纜始終處于張緊狀態(tài)[1-2]。當(dāng)單機(jī)向中間換向點(diǎn)運(yùn)動時(shí),卷盤向設(shè)定的卷取方向旋轉(zhuǎn)而收纜。

磁滯聯(lián)軸器式卷盤在運(yùn)行過程中存在以下問題:①在單機(jī)啟動的瞬間,卷盤系統(tǒng)很難響應(yīng),水纜的跟隨效果較差,容易對水纜造成傷害;②當(dāng)單機(jī)收攬時(shí),磁滯聯(lián)軸器提供的收攬速度跟不上單機(jī)的行走速度而發(fā)生松纜故障;③卷盤全程收纜時(shí)轉(zhuǎn)矩不可調(diào),放纜運(yùn)行時(shí)需要克服與收攬時(shí)一樣的轉(zhuǎn)矩,水纜上的張力很大;④在換向點(diǎn)處要讓收攬運(yùn)行的卷盤瞬間反向運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)榉爬|運(yùn)行,克服電機(jī)轉(zhuǎn)矩的張力全部作用到水纜上,容易造成水纜損壞;⑤調(diào)節(jié)收纜轉(zhuǎn)矩工序復(fù)雜,且需定期調(diào)整,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為了解決磁滯聯(lián)軸器式卷盤存在的問題,開發(fā)了PLC變頻式卷盤,實(shí)現(xiàn)水纜卷取和放纜。

2 基于PLC變頻控制的水纜卷盤

2.1 PLC變頻控制系統(tǒng)組成

變頻式卷盤由PLC、變頻器、變頻電機(jī)、減速箱、電機(jī)編碼器、行走編碼器、行走編碼器減速箱、卷盤組成,控制原理圖見圖2。

圖2 變頻器控制原理圖

單機(jī)行走過程中,變頻式卷盤動力系統(tǒng)采用變頻器控制,用轉(zhuǎn)矩控制方式驅(qū)動一臺帶增量式編碼器的變頻電機(jī),通過減速箱向卷盤提供動力。行走編碼器用來記錄卷盤從中間換向點(diǎn)開始放出的水纜長度數(shù)值,通過聯(lián)軸節(jié)與行走編碼器減速箱相連。行走編碼器減速箱通過鏈條與卷盤旋轉(zhuǎn)軸相連,對行走編碼器進(jìn)行多級減速,確保單機(jī)行走整個(gè)行程而行走編碼器不超過其量程。行走編碼器類型為單圈絕對值型,讀數(shù)變化連續(xù)準(zhǔn)確。

2.2 PLC變頻控制工作原理

在單機(jī)行走過程中,水纜卷盤需要跟隨單機(jī)行走,因而在運(yùn)行過程中會形成2種動作,即收纜動作與放纜動作。在整個(gè)單機(jī)行走路程中水纜卷盤的半徑在路程中間位置上處于最大值,所以卷盤的換向點(diǎn)設(shè)置在單機(jī)行走路程的中間位置。

卷盤收攬與放纜過程中的水纜采用恒張力控制,卷盤收攬時(shí),卷盤上水纜增多、卷徑變大,電機(jī)驅(qū)動卷盤的轉(zhuǎn)矩逐漸增大;卷盤放攬時(shí)卷盤上水纜減少、卷徑變小,卷盤克服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩逐漸減小。設(shè)備在換向點(diǎn)處水纜卷盤半徑最大為rmax,在行走極限處水纜卷盤半徑最小為rmin。根據(jù)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式:

T=F×r

(1)

式中,T為轉(zhuǎn)矩;F為力;r為轉(zhuǎn)矩半徑。當(dāng)水纜張力F不變,換向點(diǎn)處卷盤轉(zhuǎn)矩最大為Tmax,在行走極限處水纜卷盤轉(zhuǎn)矩最小為Tmin,轉(zhuǎn)矩變化量為Tmax-Tmin=T0。將T0分成行走編碼器最大讀數(shù)的等份,計(jì)算出行走編碼器每變化一個(gè)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值,卷盤收攬時(shí)根據(jù)行走距離來增加編碼器值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值。

根據(jù)此力學(xué)數(shù)學(xué)模型,利用PLC模擬量模塊將轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)傳送給變頻器,在電機(jī)軸上輸出合適的轉(zhuǎn)矩,保證大機(jī)在收纜時(shí)任意位置下水纜的張力恒定不變。在卷盤放纜時(shí),利用PLC模擬量模塊將一個(gè)極小的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)傳送給變頻器,在電機(jī)軸上輸出很小的轉(zhuǎn)矩,此轉(zhuǎn)矩只用來確保在卷盤放纜時(shí)水纜不會自由脫落。在實(shí)際調(diào)試過程中,根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,確定最優(yōu)的水纜張力,確保卷盤工作過程中水纜均勻的排布在卷盤上,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地卷取和放卷水纜,有效地防止水纜過度拉伸,延長水纜的使用壽命,能夠?qū)崟r(shí)自適應(yīng)大機(jī)行走的控制要求。

3 結(jié)語

在某港口的裝船機(jī)安裝此驅(qū)動技術(shù)的水纜卷盤,1年多來水纜卷盤運(yùn)行良好,未出現(xiàn)水纜松纜、水纜過張力等異常情況。經(jīng)過2個(gè)冬季的嚴(yán)寒天氣,在極端低溫-21℃時(shí),PLC變頻式卷盤依然運(yùn)行穩(wěn)定。此驅(qū)動方式卷盤結(jié)構(gòu)簡單,便于維護(hù),首次調(diào)試正常后無需再定期調(diào)試,維護(hù)量小,維護(hù)費(fèi)用低,易損件大大減少,在散貨移動單機(jī)設(shè)備上具有推廣應(yīng)用價(jià)值。