铁路门式起重机电子减摇控制技术的研究与应用

刘庆渔

(北京铁路局 北京装卸管理部，北京 100045)

铁路门式起重机电子减摇控制技术的研究与应用

刘庆渔

(北京铁路局 北京装卸管理部，北京 100045)

在阐述铁路货场门式起重机减摇控制现状的基础上，从力学模型、作业流程、系统结构、技术原理及应用效果 5 个方面分析门式起重机电子减摇控制技术，利用系统变频器中的“减摇前馈模糊算法”，通过调整起重机大、小车的运行状态消除门式起重机吊重的摇摆现象，为门式起重机减摇控制提供参考。

门式起重机；减摇；力学模型

门式起重机作为铁路货物装卸作业的主要设备，其装卸能力、装卸速度和运行平稳性直接决定货场作业的劳动生产率和安全系数。但是，现阶段门式起重机在进行装卸作业时，受大、小车加速或减速运动状态的突变及外界干扰等方面的影响，吊具及货物容易发生来回摆动现象，影响起重机装卸作业效率，同时存在发生碰撞事故的隐患，造成严重经济损失，难以满足国内物流业对货物运输装卸设备安全性能提出的更高要求。研究显示，门式起重机吊具电子减摇控制技术对于降低其装卸作业安全风险，提高风险管理水平具有重要作用[1]。因此，迫切需要进一步研究铁路门式起重机电子减摇控制技术。

1 铁路货场门式起重机减摇控制现状

1.1 普通门式起重机

长期生产实践表明，熟练的操作人员可以利用门式起重机所装卸货物的悬挂点变动差异抵消起重机吊重的摇摆，使起重机吊重将要停落在落点时其摇摆能够迅速停止。然而，截至目前只有具备熟练技巧和经验丰富的操作人员才能顺利完成该操作，而在特殊情况下，即使是有经验的操作人员仍然需要多次调整落点才能最终消除门式起重机吊具的摇摆[2]，特别是引进越来越高速运行的新型装卸设备后，该项操作将变得更加困难。

1.2 集装箱门式起重机

目前铁路货场集装箱门式起重机均要求安装减摇装置，普遍采用交叉钢丝绳 8 绳减摇和力矩电机 4 绳减摇等机械式减摇系统。但是，由于机械式减摇系统

通常需要通过机械手段消耗门式起重机吊重的摆动能量以实现消除起重机吊重摇摆的目的，并没有将起重机吊重减摇和大、小车运行状态结合起来考虑，因而是一种被动式减摇方式。这种被动式减摇方式不仅耗时，而且集装箱门式起重机的减摇效果与司机的操作经验密切相关，即使是操作熟练的工作人员也无法长期处于最佳工作状态。

2 门式起重机电子减摇控制技术

门式起重机电子减摇控制技术是一种主动式减摇方式，将门式起重机吊运货物的减摇与其大、小车运行状态结合起来综合考虑，不再单纯依赖于司机的操作经验[3]，从而有效提高门式起重机装卸作业效率和安全性。考虑到门式起重机大、小车与吊重的防摇控制原理及控制方式相同，并且起重机大、小车的力学模型相互分离，不会产生干扰、耦合，因而可以分别控制和计算，以下在力学模型和系统流程部分仅以起重小车与吊重的防摇控制为例进行研究。

2.1 力学模型

将门式起重机运行小车、钢丝绳及吊重(吊具与货物)组成的系统近似看作一种偏摆系统[4]，以下简称“起重小车-吊重偏摆系统”，其力学模型如图 1所示。其中，M 和 m 分别为起重小车和吊重的质量，L 为起升钢丝绳长度，x 为起重小车在水平方向上的位移，θ 为吊重偏离竖直方向的摆角，F 为起重小车运行牵引力，f 为起重小车运行静阻力，g 为重力加速度 (取值 9.8 m/s2)。

由于 L、x、θ 3 个变量相互独立，将其作为广义坐标，并设起升钢丝绳的张力为 T，对小车建立运动微分方程为

“小车-吊重偏摆系统”的线性化模型为

由于门式起重机在进行装卸、运行作业时为了减少起重机吊重的偏摆幅度以避免碰撞事故的发生，往往都是先由起升机构将吊重上升到一定高度，然后再通过走行电机驱使小车运行。因此，在整个起重小车运行过程中，起升钢丝绳长度 L 的变化可以不作考虑，假定在整个运行过程中 L 始终保持恒定不变，而且只考虑在操作点 θ(0) = 0 附近只有很小的 θ 变化，可以得到

式中：t 为时间。

由此得出，门式起重机吊重的摆动随时间 t 作周期性变化，吊重偏离竖直方向的摆角 θ、偏摆角速度与起重小车运行加速度成比例，在摆长 L 已知的情况下，只要计算出小车运行加速度的大小与方向(不好确定时可以选用其他与有关的变量代替)，吊重的偏摆角度 θ、偏摆角速度 也就会随之相应确定。因此，可以通过以上信息建立反馈控制系统，对所获取的反馈信息进行处理，从而控制起重小车的运行，调整起重小车运行速度，最终实现控制门式起重机吊重的偏摆，达到起重机吊重减摇目的[5]。

2.2 作业流程

确定并且求解门式起重机起重小车吊重摆动的力学模型后，可以建立相应的控制系统流程。其中，门式起重机电子减摇控制系统流程图如图 2 所示。

当给门式起重机起重小车的运行力学模型一个初

始驱动力后，门式起重机电子减摇控制系统的部分功能会相应输出起重小车水平位移 x、起重小车速度、吊重偏摆角 θ和吊重偏摆角速度的值，系统将这些数据自动作为输入数据进行处理，得到相应输出驱动力控制起重小车运行速度，同时将该输出驱动力反馈给力学模型，由此门式起重机电子减摇控制系统会得到新的并且将其作为新的数据进行处理，如此反复、循环，最终实现门式起重机小车与吊重的减摇控制。

图 2 电子减摇控制系统流程图

2.3 系统结构

门式起重机电子减摇控制系统实际是智能变频电子减摇控制系统，其结构如图 3 所示，由 4 个变频器和 4 个异步电机组成，主要通过变频器控制异步电机输出转矩，同时配以门式起重机大、小车运行速度的调节，以达到在门式起重机吊重运行过程中减摇的目的。

图 3 变频电机减摇控制系统结构图

2.4 技术原理

门式起重机电子减摇控制系统采用可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller，PLC) 作为系统整体控制核心，以变频调速技术为依托，直接调用集成于变频器中的减摇力学模型，同时根据操作人员的操作指令及起重机的实时运行状态，计算出能消除起重机吊重摇摆的起重机大、小车运行速度，再利用现场总线通知变频器根据要求速度由电机驱动起重机大、小车运行，通过同时调整起重机大、小车的运行状态，逐步消除门式起重机吊重的摇摆现象[6]，具体体现在以下 2 个方面。

（1）由于门式起重机电子减摇控制系统采用变频器调节输出力矩，因而其输出力矩可以在0%～100% 的范围内任意调节，并配以调节门式起重机大、小车运行速度，同时通过“减摇前馈模糊算法”控制方法调节输出减摇力矩及门式起重机大、小车的运行加速度，力求达到更好的减摇效果[7]。①采用变频方式进行减摇控制，避免力矩电机控制系统中的谐波干扰、输出力矩调节范围偏小，以及输出电压波形不正弦等问题；②采用异步电机代替力矩电机，避免力矩电机输出力矩过小的问题。

（2）门式起重机电子减摇控制系统通过 PLC 采集司机对吊车的操作信息、货物的重量信息和货物的重心高度等信息，同时加入加速度传感器和陀螺仪以采集门式起重机吊钩的实时状态[8]。变频器中的减摇力学模型将这些信息汇总后通过 PLC 配以“减摇前馈模糊算法”分别调节 4 个力矩电机的力矩输出及门式起重机大、小车的运行变频器输出，并且根据门式起重机吊重的摇摆程度调节起重机大、小车驱动力的大小和减摇力矩的大小，以达到更好的减摇效果。

2.5 应用效果

目前，北京铁路局已经对既有 11 台 36 t 通用门式起重机进行变频、电子减摇控制改造。以吊运 20英尺集装箱为例，当门式起重机不带电子减摇控制系统，起重机大、小车分别全速运行制动时，20英尺集装箱的摆幅达到 400～500 mm，实现起重机吊具摆动完全静止需要耗时约 90 s，而在给门式起重机加装电子减摇控制系统后，相同条件下，起重机吊具的摆幅不超过 50 mm，并且能够在 10 s 内完全静止，减少起重机吊具摇摆幅度达 90% 以上，单项生产效率提高88%。门式起重机大车全速制动时，加装电子减摇控

制系统前后的吊重摆辐效果分别如图 4、图 5 所示。

图 4 加装电子减摇控制系统前

图 5 加装电子减摇控制系统后

3 结束语

门式起重机电子减摇控制技术主要是模仿起重机司机的操作经验，利用系统变频器中的“减摇前馈模糊算法”，通过调整门式起重机大、小车的运行状态以尽可能减少门式起重机吊重的偏摆角度。门式起重机大、小车刚开始运行时，系统可以采用中等驱动力驱动运行，考虑到门式起重机在工作过程中可能受绳长、空气阻力及其他随机因素变化的影响，再配以变频器控制减摇电机加大对门式起重机吊具摇摆的控制力度，使起重机吊重略靠后于大、小车；当起重机吊重接近目标时，减少驱动力，使起重机吊重位于大、小车稍前方；当吊重离目标很近时，再增大驱动力，使起重机吊重正好悬于目标之上，从而实现门式起重机吊运货物的平稳运行，对消除门式起重机制动冲击，减少电气维护，降低电能消耗，减小起动电流，以及保证门式起重机装卸作业的安全性具有重大意义。

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（责任编辑 金艳萍）

Research and Application on Electric Anti-rolling Control Technology for Railway Gantry Crane

LIU Qing-yu
(Beijing Loading and Unloading Management Department, Beijing Railway Administration, Beijing 100045, China)

This paper summarizes present situation of anti-rolling control technology for railway gantry crane, and analyses electric anti-rolling control technology from five perspectives of mechanical model, operation procedure, system structure, and technology principle and application effect, and avoids swing phenomenon of gantry crane through applying fuzzy algorithm of anti-rolling for system frequency transformer and adjusting operation status of gantry crane so as to provide

for anti-rolling control of gantry crane.

Gantry Crane; Anti-rolling Control Technology; Mechanical Model

1004-2024(2016)09-0049-05

U294.26

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.09.11

2016-09-02

刘庆渔(1964—)，男，天津人，大学本科。

中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2016X007-E)