浅谈抓斗过载保护在桥式抓斗卸船机的调试运用

沈世超+黄雷+刘寿恩

摘 要：桥式抓斗卸船机具有自动化程度高、作业效率快、运用范围广等特点，是国内外散货港口的重要设备。抓斗系统包含钢丝绳、卷筒、移动小车等机械机构，也包括变频系统、称重传感单元及PLC等电气机构，它的稳定可靠性对作业效率有着直接的影响。而在设备维护管理和生产作业中，抓斗过载保护更是有着重要作用。它既是抓斗钢丝绳、卸扣、连接绳套等设备的安全保障，也直接关系到抓取和提升物料的快慢。因此，如何对桥式抓斗卸船机的抓斗过载保护进行调试运用具有重要意义。

关键词：桥式抓斗卸船机；抓斗过载保护；调试运用；

Abstract： Bridge-type grab ship unloader is a type of high automation 、high efficiency and widely used machine， which is also a important equipment in the bulk ports both at home and abroad.Grab system contains the mechanical institutions ，like the steel wire rope、 drum、 moving car agency，it also contains the electrical institutions，like frequency conversion system 、weighing sensor unit and PLC. Its stability and reliability has a direct effect on working efficiency. Grab overload protection play a important role in the equipment maintenance and production operation.It is the security guarantee of grab steel wire rope、shackle、pear shaped rope slings and so on，which is directly related to the speed of material fetching and ascension. However，how to debug and applicate grab overload protection is quite important for the bridge-type grab ship unloader.

神華粤电珠海港煤炭码头有限责任公司有桥式抓斗卸船机4台，额定作业效率为1800T/H，采用对双颚瓣抓斗，系统为四卷筒差动补偿牵引小车形式。主要作业船型为7-15万吨散货船型，作业煤种较为广泛，既有神华内部各煤种、又有国外进口煤种，因含水率和密度变化较大，故对单斗作业量及格栅漏斗通过率都有不同的影响，也直接关系着抓斗过载保护的调试设定。

1抓斗系统的机械结构

1.1抓斗系统

现场抓斗为四索双颚瓣抓斗，其中2根钢丝绳控制抓斗起升，2根钢丝绳控制抓斗开闭，在颚瓣两侧还配备有可拆卸的3级增容板，便于对斗容进行调节控制，抓斗自重18400kg。

驱动系统由五台安川提供的交流电机控制，由高速轴齿形联轴节、圆盘制动器、行星差动减速箱、卷筒轴联轴器、单层卷筒、滚动轴承座及底架等主要部件组成。本系统经过电机驱动行星齿轮减速箱，带动四只独立的卷筒，输入两组对应的不同旋向的组合运动，使得抓斗起升、开闭及小车运行，既可以独立运动，又可以复合运动，实现 “三合一”运动组合。

1.2小车起升、开闭钢丝绳缠绕及工作原理图

如图1所示，抓斗系统4根？42.5钢丝绳的端头分别由钢丝绳压板固定在卷筒上，其中二根钢丝绳指向海侧，二根钢丝绳指向陆侧，它们的另外二端分别经海、陆侧端梁上的改向滑轮组，再经由主小车的开闭、起升滑轮组，绕向抓斗头部，与抓斗的起升绳绳套和开闭绳梨形绳套、快速接头相连接，重量传感器便安装于后大梁的过渡滑轮支座下，为销轴式传感器。通过起升、开闭卷筒的旋转配合，达到抓斗小车移动及抓斗起升开闭的目的。

2抓斗系统的电气及控制原理

神华珠海港采用的控制系统为日本安川整套控制系统，包含供配电柜、上位机、安川PLC等，通过参数设置，可实现恒转矩、恒转速输出或恒加速度输出等，也可对加减速的时间斜坡进行设置。通过驱动电机、差动减速箱电气控制及配合，实现起升运动、小车牵引运动和复合运动。

与之配套的操作手柄为德国品牌Spohn+Burkhardt，通过齿轮啮合与同轴滑动变阻器进行匹配，同时以手柄上触点判断起升开闭方向，输出的模拟量信号通过PLC控制变频器，实现钢丝绳卷筒按照设定工况进行工作，手柄的最大行程设定的速度即为最大速度。抓斗的起升和开闭位于同一操作手柄，基本行程为十字形布置，同时，也具有复合功能，即手柄可以以360度的圆面旋转，同时输出起升和开闭指令。按照现场的实际情况，抓斗卸船机设计调试为恒加速度控制模式，即当手柄指令输出时，无论此时抓斗处于何种状态，都以同一数值的加速度进行加速或减速。在实际作业中，抓斗由静止到最大速度150m/min用时为3.3s，加速度即为0.7576m/s2。

3抓斗过载保护的调试运用

3.1销轴式压力传感器的工作原理及校正测试方案

卸船机使用的销轴式压力传感器采用德国Tecsis品牌，型号为F5308，工作量程为0.5吨到300吨，综合误差为≤±1%，输出为4～20ma的模拟量，总计2个，分别安装于后大梁的起升、开闭钢丝绳的过渡滑轮支座下。在抓斗闭合时，四根钢丝绳完全受力，滑轮中的销轴传感器示数总和即为抓斗（含钢丝绳）及抓斗物料的重量。因此在实际使用中，如何确保在量程范围内的线性，是提升计量精度的关键，也是确保过载保护准确的基础。在标定计量过程中，根据线性方程y=kx+b.确定斜率k和偏移量b，再与4～20ma的模拟量相对应即可。

首先，将抓斗完全放入卸船机漏斗格栅，再缓慢动作开闭及起升卷筒，将4根钢丝绳继续下放，直到达到松弛状态，这时，后大梁到移动小车的钢丝绳将不再受力，受力由大梁上的水平托辊承受，唯一受力为卷筒出绳处到后大梁卷筒处，滑轮此时受力总重约0.1t，远小于产品本身的±1%误差，所以在实际操作中，可直接以0.1吨作为标记，对应输出电流为4ma。值得注意的是，此时的状态并非作业时的状态，仅作为最终计算式的参考，不作为实际标定调数。

然后将抓斗闭合提升，提升至最高处保持静止，使得四根钢丝绳受力，此时传感器显示总数应为抓斗空斗重量18.6吨（含钢丝绳及附件重量约0.2吨）。此时的数值进行记录，作为一次函数的起点。

将抓斗下方至码头面适当高度，利用抓斗的吊取清仓推耙机的吊点，将标定集装箱通过吊索具与抓斗连接，此时集装箱中应放上砝码，集装箱总重为最大抓取物料量时的抓斗重量，现场为32.9t（含吊索具重量约0.1吨）。记录此时的数据，作为一次函数的终点。

再下放标定集装箱至码头面上，依次将内部砝码取出，现场砝码共6块，为钢结构包含混泥土块形式，每块重约5吨。每取出一块，重复空斗时的操作，进行测量并记录相关数据，此项操作应重复进行5次。在每移出一块砝码再标定的过程中，必须调整砝码分布，确保集装箱在的吊装过程中保持平衡，四根钢丝绳才能受力均衡。

测试完成后，根据记录的8组数据进行整理分析（其中一组为对比参考）。可利用excel表中的趋势线算法或者Origin等软件，进行多点拟合一元一次方程。其中，计算公式如下：

设直线为y=kx+b，已知的7个点为（xi，yi），i=1...7。

记x'=（x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7）/7， y'=（y1+y2+y3+y4+y5+y6+y7）/7为平均数，则多点拟合的一元一次方程结果为：

k=∑（|xi-x'|）（|yi-y'|）/∑（|xi-x'|）^2；

y'=kx'+b。

最后根据得出的方程，对实际重量和4～20ma的模拟量电流进行保存标定即可。

3.2抓斗过载保护的设定及程序优化

3.2.1过载保护的分析

在作业过程中，由于煤种及含水量等不同，以及操作人员水平的差异，每一抓斗的重量有着较大的不同，过载保护的最大意义在于对钢丝绳以及连接梨形绳套、快速卸扣的保护，避免抓斗移动和提升过程中，冲击载荷导致钢丝绳断裂和连接件损坏，发生各种安全事故。

通过变频器控制及手柄操作的速度配合原理可知，抓斗提升为匀加速度过程，所以在过载保护的设计中，满足最大极端工况下即可。即最大抓取量下，采用手柄可达到的恒加速度，从静止抓取到最大速度，再匀速上升的过程中，相关设备均在安全范围内。计算过程如下：

静止状态下，最大抓取量下的总重量：G=32.8+18.4+0.2=51.4吨

其中，抓斗自重18.4吨，钢丝绳卸扣重量0.2吨，最大抓取量32.8吨。

满足匀加速度下的所需出力：F=G×A=51.4t×0.7576m/s2=38.9吨。

四根起升开闭钢丝绳的总拉力：T=G+F=51.4+38.9=90.3吨。

平均单根钢丝绳所受最大拉力：T单=90.3/4=22.58吨=221.3KN。（g取9.8m/s2）

3.2.2钢丝绳的强度校核

现场使用的钢丝绳为抗拉强度为1770MPa的钢丝绳芯钢丝绳，型号为IWRC 6×WS（36）左/右旋，直径42.5mm。钢丝绳的最小破断力为1230KN。按照钢丝绳使用安全系数推荐标准（抓斗吊机上的控制钢绳建议采用为4-5），对钢丝绳进行校核。

现场使用的钢丝绳为抗拉强度为1770MPa的钢丝绳芯钢丝绳，型号为IWRC 6×WS（36）左/右旋，直径42.5mm，最小破断力为1230KN。因此，平均单根钢丝绳的实际安全系数N=1230/221.3=5.56>5。由此可知，在最大载重量下，按照设计加速度，钢丝绳强度满足使用需求。

3.2.3过载保护程序的设计

在实际操作过程中，当抓斗打开后开始下降时，提升卷筒动作，这个过程是由2根起升钢丝绳受力，当打开的抓斗放至煤炭表面上后，开闭卷筒动作，抓斗逐渐闭合，抓取物料，这时开闭钢丝绳受力也逐渐加大，直至抓斗完全闭合，完全开始起升后，最终达到4根钢丝绳受力的理想状态。

由于全程是动态过程，除了煤种、含水率等、抓取位置等多种客观因素外，还有操作人员水平、视线问题等主观因素。所以抓取过程中，钢丝绳受力始终处于不规则的动态变化过程中。钢丝绳的最大冲击是在最大抓取量下，将手柄打至最大速度的极限位置，全速提升抓斗。这时的最大冲击时间约出现在操作手柄指令输出后的1秒左右，此时的受力数值和理论计算值接近，所以，设计过载保护的程序为：操作指令输出后的第1秒，两个传感器之和（即总测量值）受力不超过最大静止载荷的176%，即T/G=90.3t/51.4t=176%。

在提升阶段，由于达到最大速度150m/min用时为3.3s，为实现3.3秒时匀速提升，变频控制系统已经提前控制转矩，拉力T也随之减小，考虑在1～3秒起升的过程中，力矩变化较为复杂，因此，只需设定在即将到达最大速度时，即操作指令输出后的第3秒，两个传感器之和（即总测量值）受力不超过最大静止载荷的150%。

在稳定提升过程与到达适合高度位后的減速过程时，变频控制系统输出转矩较为稳定，即使出现停止手柄指令输出的情况，拉力T变化也不会太大，即满足操作指令输出后的第5秒，两个传感器之和（即总测量值）受力不超过最大静止载荷的125%。

这样，即可在钢丝绳的正常载荷与安全系数范围内，对抓斗作业的过载起到有效地保护作用，一旦两个传感器之和（即总测量值）超过设计程序的范围，联锁抓斗起升的控制条件，禁止起升，同时报出过载故障。为了更好保护钢丝绳及连接链条，快速卸扣等部件，在程序中还应加入断绳保护设定，即起升过程作业时，每个传感器数值不能突变为0。

4过载保护的运用及探索

在过载保护的调试运用当中，还应该充分考虑作业过程中的机械震动对传感器精度造成的影响，尤其是下料漏斗震动放料器的谐振影响。同时，因为传感器均设立在大臂后梁滑轮销轴处，抓取物料后，小车往后大梁移动时，虽然大梁通过小车承受了部分满载抓斗的重量，但是后大梁的销轴传感器同样受到加速度的影响，会存在报出过载故障的情况，因此，在设定完成后，还需要反复试验，对小车移动速度或过载报警倍率进行优化。

此种过载保护同样适用于桥吊、门机及其他各项钢丝绳起重机械中，能够对设备起到更加全面的保护作用。

参考文献：

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[3] 于祥春，张涛. 一种卸船机称重系统[P]. 中国发明专利， CN201020595549.7. 2011-05-18.