抓斗卸船机起升重量保护装置优化技术

李凯亮

（宁波港股份有限公司北仑矿石码头分公司，浙江 宁波 315000）

传统抓斗式卸船机都设有起升重量保护装置，其传感器安装在后大梁滑轮处，实时检测支持、开闭两根钢丝绳所受负载数值是否超出安全设定值，从而保护卸船机及操作司机安全。但滑轮负载传感器一般都采用偏心轴力臂式小型传感器，虽然安装方便、成本较低，但检测波动较大，精度不高，经常误报警或不报警，很难起到保护作用。

1 主要问题

偏心轴力臂式传感器安装如图1 所示，正常运行时，后大梁滑轮受到钢丝绳向左拉力，由于滑轮轴与支座轴有一定量的偏心距，在支座轴上会产生转矩，该转矩通过一个外伸力臂转化到传感器上的压力，滑轮负载与传感器负载关系为L传感器×L力臂=F滑轮×L偏心距，其中，L力臂=800 mm，L偏心距=25 mm。

可得滑轮与传感器感器负载关系为：

由上式可知传感器端受力大小仅为钢丝绳滑轮3%左右。

图1 起升保护装置安装及机构图（单位：mm）

虽然该检测装置将钢丝绳滑轮大载荷通过力矩臂的方式转化到小负载，但由于安装精度、温差变化、随机振动等对力臂及传感器影响，负载也会随之增加。如何提高传感器检测精度是解决问题的关键所在。

2 方案选定

2.1 增加滑轮传感器的数量

在前后大梁钢丝绳滑轮都安装传感器，使前后大梁同时检测。原来2 个传感器只检测2 根钢丝绳的拉力，即抓斗一侧的负载，当抓斗内物料分布均匀时检测数据准确，平时作业时抓斗内物料摆放不均匀，检测误差较大。4 个传感器可以避免由于抓斗内物料不均匀造成的前后滑轮组受力不同，检测精度有所提高，但本质上无法解决力臂式传感器误差的影响。

2.2 滑轮销轴式传感器

将原滑轮普通销轴更换为内置传感器的销轴，使传感器直接检测滑轮受力，检测精度直接由传感器精度而定，检测精度较高[1]。但是该方案具有局限性，只能适用于独立销轴式滑轮，当两个滑轮公用一根销轴的时，检测精度将会受到影响，而且该传感器安装更换较为困难，升级改造成本较高。

2.3 钢丝绳滚筒转矩

本方案与前两方案思路不同，通过检测钢丝绳卷筒转矩，从而计算出钢丝绳上的拉力。起升电机通过减速箱驱动钢丝绳卷筒，通过电机的变频器实时转矩参数、减速箱减速比及传动效率、钢丝绳卷筒直径参数及矫正系数，计算出滚筒上钢丝绳的拉力。该方案排除了远端钢丝绳抖动等问题，精度较高，且成本较低，优先考虑该方案。

3 滚筒上钢丝绳拉力计算方法

直接检测钢丝绳滚筒转矩难度较大，通过变频器监控电机参数，结合差动减速箱传动比及传动效率，间接得出滚筒转矩，结合砝码设置矫正系数，最终得到钢丝绳拉力，如图2 所示。

图2 钢丝绳拉力计算流程

本项目以西门子电控系统的抓斗卸船机为例，首先建立PLC 与变频器力矩信号通讯。在变频器中，选择电机力矩数值参数并记录通讯字节位置，在对应PLC 读取变频器状态字对应位置建立数据单元，即完成对应数据传输接口。

根据抓斗卸船机减速箱及滚筒机械图纸，可得到起升机构齿轮传动比、滚筒半径。减速器主参数、齿轮分级参数分别如表1、表2 所示。钢丝绳卷筒直径如图3 所示。

根据F钢丝绳=T滚筒×r滚筒×φ修正系数=T电机×i传动比×η传动效率×r滚筒×φ修正系数，即可得F钢丝绳=T电机×K系数，求得到关键系数K值，即可在程序实现检测目的。

表1 减速器主参数

表2 齿轮分级参数

图3 钢丝绳卷筒直径（单位：mm）

4 PLC 保护程序优化设计

在程序中设定好支持、开闭机构电机力矩数据地址，将力矩信号与得到的关键系数K相乘，可得到对应机构海陆侧钢丝绳拉力总和，支持、开闭机构拉力的和值即为起升重量负载值[2]。由于电机起升加速段转矩较大，需要进行区分。正常额定负载状态下，加速段时间为2.7 s，加速度1 m/s2，转矩为额定转矩的2 倍，设置加速段时间内超过3 倍负载并持续1 s 时判断为超载或挂仓；匀速后在抓斗闭斗上升至漏斗上方前10 m 持续监测，由于该阶段抓斗不进行抛物线甩斗动作，检测精度较高；当负载超过1.1 倍并持续3 s 即为过载报警。小车水平移动及开闭斗阶段不进行检测。

5 结语

实际使用过程中，司机反映报警情况比之前较为合理，特别是一些有经验的司机，可以通过目测估计抓斗是否超载，与报警情况相符。本项目还创新设计了起升重量检测阶段，把检测范围分段控制在加速阶段及匀速直线上升阶段，通过计算标定了各自的报警上限，过滤了其他检测误差较大报警较晚区域，报警更加优先合理。本项目主要采用现有软件进行扩展编程，不需要采购增加硬件设备，其他电控系统卸船机也可借鉴。