周月才

河北港口集团港口机械有限公司

1 引言

国内北方港口散货移动设备的机上环保除尘用水大部分以地面水槽做水源,利用固定在单机上的吸水泵取水,通过管道将水送到除尘水箱,供单机除尘用水。冬季水槽冻冰无法给单机供水,对环保除尘造成很大影响。为解决以上问题,将橡胶柔性水缆缠绕在卷盘上,水缆一端与地面换向处的供水管路相连,另一端与机上除尘水箱相连,利用保温伴热和机电控制方案使水缆内水温保持在0℃以上,可保障全年不间断给移动单机供水(见图1)。

1.上水阀 2.加热罐 3.流量计 4.循环泵 5.水缆图1 水缆连接图

目前,使用较广泛的水缆卷盘为磁滞联轴器式卷盘,主要由电动机、磁滞式联轴器、行星减速箱、主减速箱、卷盘等组成。磁滞式联轴器为同步差速机构,利用磁力耦合原理保证卷盘在收缆和放缆时速度始终与单机行走同步。磁滞联轴器式卷盘由电动机将动力传至磁滞联轴器,经行星减速箱、主减速箱二级变速后,将放大的转矩传至卷盘。卷盘工作时,电动机始终向收缆方向旋转,当单机从中间换向点向远离方向运动时,通过对水缆拖拽克服磁滞联轴器上的磁场扭矩,使磁滞联轴器内部永久磁钢与感应盘之间磁场产生滑差,将卷盘上的水缆放下。由于磁力耦合的作用,放缆过程中水缆始终处于张紧状态[1-2]。当单机向中间换向点运动时,卷盘向设定的卷取方向旋转而收缆。

磁滞联轴器式卷盘在运行过程中存在以下问题:①在单机启动的瞬间,卷盘系统很难响应,水缆的跟随效果较差,容易对水缆造成伤害;②当单机收揽时,磁滞联轴器提供的收揽速度跟不上单机的行走速度而发生松缆故障;③卷盘全程收缆时转矩不可调,放缆运行时需要克服与收揽时一样的转矩,水缆上的张力很大;④在换向点处要让收揽运行的卷盘瞬间反向运转变为放缆运行,克服电机转矩的张力全部作用到水缆上,容易造成水缆损坏;⑤调节收缆转矩工序复杂,且需定期调整,费时费力。

为了解决磁滞联轴器式卷盘存在的问题,开发了PLC变频式卷盘,实现水缆卷取和放缆。

2 基于PLC变频控制的水缆卷盘

2.1 PLC变频控制系统组成

变频式卷盘由PLC、变频器、变频电机、减速箱、电机编码器、行走编码器、行走编码器减速箱、卷盘组成,控制原理图见图2。

图2 变频器控制原理图

单机行走过程中,变频式卷盘动力系统采用变频器控制,用转矩控制方式驱动一台带增量式编码器的变频电机,通过减速箱向卷盘提供动力。行走编码器用来记录卷盘从中间换向点开始放出的水缆长度数值,通过联轴节与行走编码器减速箱相连。行走编码器减速箱通过链条与卷盘旋转轴相连,对行走编码器进行多级减速,确保单机行走整个行程而行走编码器不超过其量程。行走编码器类型为单圈绝对值型,读数变化连续准确。

2.2 PLC变频控制工作原理

在单机行走过程中,水缆卷盘需要跟随单机行走,因而在运行过程中会形成2种动作,即收缆动作与放缆动作。在整个单机行走路程中水缆卷盘的半径在路程中间位置上处于最大值,所以卷盘的换向点设置在单机行走路程的中间位置。

卷盘收揽与放缆过程中的水缆采用恒张力控制,卷盘收揽时,卷盘上水缆增多、卷径变大,电机驱动卷盘的转矩逐渐增大;卷盘放揽时卷盘上水缆减少、卷径变小,卷盘克服电机的转矩逐渐减小。设备在换向点处水缆卷盘半径最大为rmax,在行走极限处水缆卷盘半径最小为rmin。根据转矩计算公式:

T=F×r

(1)

式中,T为转矩;F为力;r为转矩半径。当水缆张力F不变,换向点处卷盘转矩最大为Tmax,在行走极限处水缆卷盘转矩最小为Tmin,转矩变化量为Tmax-Tmin=T0。将T0分成行走编码器最大读数的等份,计算出行走编码器每变化一个值所对应的转矩值,卷盘收揽时根据行走距离来增加编码器值所对应的转矩值。

根据此力学数学模型,利用PLC模拟量模块将转矩数据传送给变频器,在电机轴上输出合适的转矩,保证大机在收缆时任意位置下水缆的张力恒定不变。在卷盘放缆时,利用PLC模拟量模块将一个极小的转矩数据传送给变频器,在电机轴上输出很小的转矩,此转矩只用来确保在卷盘放缆时水缆不会自由脱落。在实际调试过程中,根据现场试验结果,确定最优的水缆张力,确保卷盘工作过程中水缆均匀的排布在卷盘上,实现稳定地卷取和放卷水缆,有效地防止水缆过度拉伸,延长水缆的使用寿命,能够实时自适应大机行走的控制要求。

3 结语

在某港口的装船机安装此驱动技术的水缆卷盘,1年多来水缆卷盘运行良好,未出现水缆松缆、水缆过张力等异常情况。经过2个冬季的严寒天气,在极端低温-21℃时,PLC变频式卷盘依然运行稳定。此驱动方式卷盘结构简单,便于维护,首次调试正常后无需再定期调试,维护量小,维护费用低,易损件大大减少,在散货移动单机设备上具有推广应用价值。