下旋转电磁挂梁的防摆设计及研究

房师平 张淑新

下旋转电磁挂梁的防摆设计及研究

房师平 张淑新

（山起重型机械股份公司技术中心，青州 262515）

本文介绍了下旋转电磁挂梁的常规钢丝绳绕绳方式及创新的绕绳方式，对柔性绳索的防摆分类及控制方式的发展进行综述，展望防摆技术的未来发展方向。

起重机下旋转 十字框架 防摆

冶金企业的起重设备在金属冶炼和轧制过程中起着和生产设备同样重要的作用，冶金起重机的生产效率和可靠性对冶金企业的产量和产品的质量有着直接的影响。世界上每一个工业发达的国家每年用于物料搬运的费用都很高。例如，日本每年用于物料搬运的费用为生产总费用的10%左右；美国每年用于物料搬运的费用为生产总费用的20%～25%。世界各国不仅努力开发各种大型、高效、可靠、经济而又安全的起重运输机械，而且日益朝着工业企业机械化、半自动化与自动化的物料搬运系统的方向发展。作为吊运钢坯、钢板等物料的旋转电磁挂梁起重机的吊装工作效率直接影响企业的生产效率，其中下旋转电磁挂梁旋转吊具的防摆设计成为影响行车工作效率的重要环节之一，必须引起起重机设计人员的高度重视。

1 起重机钢丝绳吊具产生晃动的原因

起重机小车加减速和负载的提升动作以及风、摩擦引起的扰动等会引起负载的来回摆动，这不但增加了事故发生的可能性，而且严重影响生产作业效率的提高。长期以来，起重机负载的摆动问题一直是困扰起重机快速装运的一个难题。

过去，消除吊车摆动的方法大多是利用吊车司机的操作经验。这种方式不但操作人员的劳动强度大，而且人工控制方法精度差、效率低，以远远不能满足现代化生产、运输的需要。其次，在一些特殊场合，对吊车运行过程中的摆动有严格的生产要求。例如：在冶金浇注车间，将盛着金属液的吊车运抵浇注口的上方进行浇注，这一过程要求吊车的动作快速准确。如果吊车行走时摆动，增加了吊车的运行时间，将会造成金属液过早冷却，从而降低产品质量和生产效率，甚至会导致金属液溅到浇注口外引发事故。

针对实际应用的要求，研究钢丝绳吊运重物时如何消摆问题，不仅可以保证安全生产，而且会对提高货物调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高产品质量带来客观的经济效益。

2 下旋转电磁挂梁的钢绳防摆结构特点

目前，多数下旋转电磁挂梁小车起升机构采用双卷筒布置形式，单电机通过单减速机驱动两侧双卷筒，电机和减速机之间采用齿轮联轴器连接，结构紧凑，便于装配和维修。卷绕系统是由卷筒组、固定在小车架上的定滑轮组和旋转吊具上的动滑轮通过钢丝绳连接而成，如图1、图2和图3所示。通过矩形起吊框架及下部可转动吊梁的旋转，实现工件的摆放或码垛。

图1　小车架上卷筒组与定滑轮组布置

图2　矩形起吊框架吊具吊点布置

图3　钢丝绳缠绕示意图

从上图分析知钢丝绳的绕绳方法如下：（1）第一根钢丝绳一端从起升卷筒一端下侧外引出，在第一组起吊矩形框架上的滑轮组上下绕行后，向上通过钢丝绳绳端装置悬挂在小车架一角上。（2）第二根钢丝绳一端从同一起升卷筒一端下侧外引出，在第二组起吊矩形框架上的滑轮组上下绕行后，向上通过钢丝绳绳端装置悬挂在小车架另一角上。（3）用同样的绕绳方式完成起吊矩形框架另两角的钢丝绳悬挂。

这种绕绳方式可以有效地防止起吊矩形框架绕其中心转动，并能有效地防止因起吊重物偏心、偏吊及其他因素造成吊梁的摇摆晃动，杜绝了起吊及运行的安全隐患。

目前国内大多数下旋转电磁挂梁吊车钢丝绳防摆绕绳方式都如上所述进行绕绳，从一定程度上解决了钢绳吊运重物的消摆问题，如图4所示，但由于追求工作效率，大车起制动加速时间短，加速度快，引起吊运重物在大车运行方向仍有不同程度的晃动，其消摆效果与吊车司机的操作经验有很大关系，不但耗费时间长，而且阻碍了吊车工作效率的进一步提高。

图4　钢丝绳实际工作状态图

3 下旋转电磁挂梁钢绳防摆创新方法

2011年10月山起重型机械股份公司承接了河北承德建龙特殊钢有限公司的下旋转挂梁桥式起重机设备制造合同。该起重机安装于轧钢成品跨，用于抛丸机上下料及发运，起升速度12 m/min，小车运行速度42 m/min，大车运行速度90 m/min，并要求吊运货物的效率要高。因此旋转吊梁沿小车运行方向和大车运行方向的防摆功能要求就高了，矩形起吊框架钢绳防摆效果差、工作效率低的问题亟待解决。如何进一步通过机械手段来最大可能的消耗摆动能量以达到最终消除摆动的目的就摆在设计者的面前。

通过市场调研和技术分析，最终决定改变传统的下旋转矩形起升框架的结构，采用十字框架梁结构，通过钢丝绳交叉分布来解决吊梁的晃动问题。与之相适应，新改进的小车起升机构采用单电机，双减速机双卷筒布置。电动机和减速机之间采用齿轮联轴器和浮动轴连接，电动机同时驱动两侧的减速机，传动到两卷筒，同步起升下降。如图5、图6所示，卷绕系统是由卷筒组、固定在小车架表面的四个定滑轮组、固定在小车架内部的八个定滑轮组和十字旋转吊具上的动滑轮通过钢丝绳连接而成。采用四联卷筒，一个卷筒四只钢丝绳缠绕，钢丝绳一端通过钢丝绳压板固定在卷筒上，另一端通过花兰螺栓和破劲装置固定在小车架底部适当位置，花兰螺栓可自由调节此八只钢丝绳的长短，保持十字旋转吊具的水平状态，破劲装置将钢丝绳的扭转力卸载，保持钢丝绳自由悬垂状态。钢丝绳缠绕方法如图7所示。

图5　小车架上卷筒组与定滑轮组布置

图6　十字起吊框架吊具吊点布置

图7　钢丝绳缠绕示意图

从上图分析知钢丝绳的绕绳方法如下：①第一根钢丝绳的一端从起升卷筒的上侧外引出，通过小车架内部定滑轮a换向后，在第一组起吊十字框架的滑轮I1上下绕行后，向上通过钢丝绳端装置悬挂于小车架下表面一角Ⅰ上。②第二根钢丝绳的一端从起升卷筒的下侧外引出，通过小车架内部定滑轮d换向后，在第一组起吊十字框架的滑轮I2上下绕行后，向上通过钢丝绳端装置悬挂于小车架下表面一角Ⅲ上。③第三根钢丝绳的一端从起升卷筒的上侧外引出，通过小车架内部定滑轮b换向向上绕行小车架表面的定滑轮c后向下，在第二组起吊十字框架的滑轮I3上下绕行后向上，通过钢丝绳端装置悬挂于小车架下表面一角Ⅱ点处。④第四根钢丝绳的一端从起升卷筒的下侧外引出，通过小车架内部定滑轮e换向向上绕行小车架表面的定滑轮f后向下，在第四组起吊十字框架的滑轮I4上下绕行后向上，通过钢丝绳端装置悬挂于小车架下表面一角Ⅳ点处。⑤用同样的绕绳方法完成起吊十字框架上第二、三、四组滑轮上的钢丝绳的悬挂。

这种绕绳方式相对于起吊矩形框架的绕绳方式，在大车运行和小车运行两个方向上均实现倒三角稳定结构，如图8所示，通过钢丝绳水平方向的拉力相互抵消，实现十字吊具的机械防摇摆功能。

图8　钢丝绳实际工作状态图

4 起重机防摆技术的发展

起重机工作过程中由于大、小车的加减速和负载的起升下降动作以及风力、摩擦引起的扰动等导致负载的来回摆动，不仅严重影响作业效率，而且增加了起重机发生事故的可能性，为此起重机的防摆控制越来越受到广泛关注。

起重机防摆技术分为机械式防摆和电子式防摆两类。

机械式防摆主要通过机械手段消耗摆动的能量来达到最终消除摇摆的目的，例如上述下旋转电磁吊的两种交叉钢丝绳减摇装置等，传统的机械防摇设计在实际应用中仍存在停机时有振动的不足之处。

电子式防摆是通过各种传感器和检测元件将检测到的摆角、角速度等信息，从而控制小车运行方向和速度，将该摆动角度限制到最小，达到防摆的目的。电子防摆作为一种新兴的防摇措施，将减摆和小车运行结合起来，通过控制相应的输入力来达到降低摇摆的效果。这就可以实现自动控制，从而使减摇脱离了司机的操作经验，同时发展下去也可以实现无人操作，因此电子防摇技术得到了越来越广泛的重视。

另外随着起重机电气控制技术的发展，越来越多的起重机会用到比较先进的调速系统，如变频调速，对起重机的防摇摆功能得到进一步的加强。在大车低速轴（被动轮外侧）加装绝对值编码器，用于检测大车位置。大车位置信号通过编码器进入PLC计数模块，PLC将此信号输出给司机室内触摸屏式一体化人机界面，界面中显示大车位置信息。通过对大车变频器的自动控制，降低起重机在停车时吊具的摇摆度。根据大车运行速度、起吊吨位及高度，在PLC内部经过一系列算法，来控制大车变频器的停车模式，实现精确定位大车位置的同时，防止吊具的摇摆。此功能实现需要三个条件：（1）将起重量信号（即起吊吨位）输入到PLC中，最好起重量限制器具有此功能（通讯或者模拟量输出）；（2）将起升高度信号输入到PLC，此功能通过起升机构绝对值编码器实现；（3）将大车运行速度信号输入PLC，此功能通过大车变频器的选件卡与PLC通讯实现。

5 结束语

机械式防摆主要通过机械手段来消耗摆动能量以达到最终消除摆动的目的，因此是一种被动的防摆方式。电子式防摆是一种主动防摆方式，它能将防摆和小车运行控制相结合，不依赖于司机的操作经验，电子防摆技术越来越广泛的得到研究者重视。起重机先进的调速系统的飞速发展，将大车运行控制的越来越平稳，实现精确定位大车位置的同时，防止吊具的摇摆。研究柔性绳索的防摆控制技术，如何将起重机的准停和防摆联系在一起，有效迅速的消除摆动，提高控制效果，提高起重机的运行效率，已成为国内外研究人员共同努力的方向。

[1]张质文，王金诺，虞和谦，包起帆.起重机设计手册（第二版）[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[2]王晓军，邵惠鹤.基于模糊的桥式起重机的定位和防摆控制研究[J].系统仿真学报，2005，17（4）：936-939.

Anti-sway Design and Research Linked Rotating Electromagnetic Beams

FANG Shiping,ZHANG Shuxin
(Shandong Crane Heavy Machinery AG Technology Center , Qingzhou 262515)

This article describes the rotating electromagnetic beams hanging rope roping conventional methods and innovative way roping, classification and development of anti-sway control flexible cords were reviewed for the future development direction of the anti-sway technology in the future.

rotating crane, cross frame, anti-swing