寬厚鋼板電磁起重系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1、寬厚鋼板電磁起重系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)摘要：基于系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，給出了寬厚鋼板電磁起重系統(tǒng)的組成原理，介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與單元設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的約束條件、總體布局設(shè)計(jì)原那么及其采取的措施、耐高溫專用線性電磁鐵的設(shè)計(jì)思路和電控子系統(tǒng)的工作原理；特別是在電磁起重技術(shù)領(lǐng)域引人了準(zhǔn)確調(diào)磁的概念，并付諸于設(shè)計(jì)理論中；同時(shí)給出了一個(gè)總體分布實(shí)例及其電磁鐵的設(shè)計(jì)結(jié)果。關(guān)鍵詞：電磁鐵；起重技術(shù)；寬厚板寬厚鋼板在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建立中具有極為重要的地位；然而，在寬厚板起重技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，我國(guó)還處在起步階段川。為滿足某特大工程工程的需要，基于系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，作者對(duì)寬厚板起重系統(tǒng)

2、的技術(shù)方案進(jìn)展了較深人研究，并研制了寬厚板電磁起重系統(tǒng)的樣機(jī)。寬厚板的特點(diǎn)是大而重。如外形尺寸13000 x4900 x50的鋼板，其重量達(dá)25t。一般的鋼材吊運(yùn)，通常采用一個(gè)或幾個(gè)電磁鐵進(jìn)展起重。但對(duì)寬厚板而言，需要幾十個(gè)起重單元協(xié)同工作，而不是一堆電磁鐵的簡(jiǎn)單組合，由此給電磁起重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列特殊問(wèn)題，如電磁鐵的布局合理性，成組電磁鐵的選擇與協(xié)同工作，需滿足不同被吊物的磁力調(diào)節(jié)，系統(tǒng)平安防護(hù)與故障診斷，等等。作者就此進(jìn)展了闡述。1系統(tǒng)組成起重電磁鐵是以被吸物作為銜鐵的一種直流電磁鐵。將n臺(tái)電磁鐵通過(guò)電控系統(tǒng)有機(jī)地組合在一起，便形成了電磁起重系統(tǒng)。電磁起重系統(tǒng)的工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，工作時(shí)

3、根據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)的指令，電控系統(tǒng)控制全部或部分電磁鐵協(xié)同工作，到達(dá)吸放鋼板的目的。電磁起重系統(tǒng)由電磁鐵、電控子系統(tǒng)和機(jī)械組件構(gòu)成，如圖1所示。電控主電路由PL主控單元、變壓器、可控整流模塊和接觸器組成。PL主控單元通過(guò)控制可控整流模塊實(shí)現(xiàn)電磁鐵調(diào)磁，而各吸盤通斷電選擇由PL控制接觸器實(shí)現(xiàn)。由這些主電路構(gòu)成調(diào)磁保磁控制屏和自動(dòng)充電屏，加上免維護(hù)蓄電池組，構(gòu)成了三位一體的電控子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)切換、互為備用，能實(shí)現(xiàn)恒充、浮充、自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)調(diào)整。圖1電磁起重系統(tǒng)的組成2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束條件電磁起重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)和單元設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)包括目的分析與分解、總體布局設(shè)計(jì)、電控原理確定等；單元設(shè)計(jì)包括機(jī)

4、械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電磁鐵的設(shè)計(jì)、電控單元設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)電磁起重系統(tǒng)時(shí)，除了滿足技術(shù)指標(biāo)的要求外，應(yīng)重點(diǎn)考慮下述約束條件。1)被吊物方面：滿足最大載荷要求(即電磁鐵負(fù)載滿足要求)；鋼板的最大、最小外形尺寸：長(zhǎng)x寬x厚；鋼板的材質(zhì)(不同的材質(zhì)，其導(dǎo)磁率和飽和磁密不同影響吸力)；鋼板的溫度(影響鋼材的導(dǎo)磁率及飽和磁密，鋼板的撓度增大)；鋼板的撓度；鋼板的外表質(zhì)量、氧化層厚度。2)起重系統(tǒng)本身：電磁鐵的自重；平安系數(shù)2；通電持續(xù)率60%；系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間(吸放時(shí)間)3s；電磁鐵內(nèi)部溫升問(wèn)題；吊運(yùn)偏心問(wèn)題(對(duì)正問(wèn)題)10%；成組電磁鐵的共平面問(wèn)題；長(zhǎng)短掛梁的共用電控問(wèn)題；與掛梁的接口；電控系統(tǒng)內(nèi)部干擾問(wèn)題；長(zhǎng)

5、掛梁的伸縮問(wèn)題；起吊加速度及擾度突出邊的動(dòng)態(tài)壓力問(wèn)題。3)環(huán)境方面：環(huán)境溫度；外界干擾等。4)其他方面：突然斷電、整流器故障；某一個(gè)電磁鐵出現(xiàn)故障，等。3電磁鐵總體布局的原那么根據(jù)被吊鋼板的參數(shù)確定電磁鐵的總體布局，根本原那么是：用最少的電磁鐵個(gè)數(shù)，平安可靠地滿足起重要求，并確保板材的變形量最校為此電磁鐵總體布局設(shè)計(jì)從下述3方面展開(kāi)：進(jìn)展力學(xué)分析。對(duì)薄板而言，電磁鐵的分布適宜布置在長(zhǎng)板材的“愛(ài)里點(diǎn)上；對(duì)厚板而言，電磁鐵布置必須滿足在布置間隔內(nèi)對(duì)最重板的吸力要求。分析國(guó)外同類產(chǎn)品的參數(shù)，如意大利TENAGNETE公司、德國(guó)ALKER公司和美國(guó)STANVER公司的寬厚板電磁起重系統(tǒng)等。用常規(guī)電磁鐵

6、作板材吸吊實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)臉找出板材變形量與電磁鐵分布間的規(guī)律。綜合上述3方面的結(jié)果，同時(shí)考慮到板材規(guī)格的變化，進(jìn)而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對(duì)鋼板(尺寸為：厚度5-50、寬度1。34。9、長(zhǎng)度6。0-45。0)的起吊，當(dāng)長(zhǎng)短掛梁凈起重量均為26t，其電磁鐵的總體分布如圖2所示，共采用17個(gè)電磁鐵。圖2電磁鐵的總體分布綜合上述3方面的結(jié)果，同時(shí)考慮到板材規(guī)格的變化，進(jìn)而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對(duì)鋼板(尺寸為：厚度5-50、寬度1.34.9、長(zhǎng)度6.0-45.0)的起吊，當(dāng)長(zhǎng)短掛梁凈起重量均為26t，其電磁鐵的總體分布如圖2所示，共采用17個(gè)電磁鐵。4電磁鐵的設(shè)計(jì)1)專用電磁鐵設(shè)計(jì)寬厚板的

7、起重通常以單張進(jìn)展。由于常規(guī)電磁鐵的磁力特性是強(qiáng)烈非線性的2要從一疊鋼板中可靠地吸吊起單張鋼板，采用常規(guī)電磁鐵是不適宜的，為此需要設(shè)計(jì)專用電磁鐵。額定載荷P確實(shí)定P=ax/n(1)式中：ax為被吊鋼板的最大重量；n為電磁鐵的個(gè)數(shù)。平安系數(shù)K確實(shí)定K=F/P(2)式中F為單個(gè)電磁鐵的電磁力。電磁力F的計(jì)算(3F=B2A/(20)(3)式中：F為電磁力(N)；B為工作氣隙處的磁通密度(T)；A為有效吸附面積(2)；0為真空中的磁導(dǎo)率(4x10-7H/)。根據(jù)式(1),(2)，平安系數(shù)取2.5，就可以確定最大電磁力。根據(jù)式(3)，合理選擇B值，就能確定A值，這樣就對(duì)應(yīng)確定了線圈芯的截面尺寸。為確保電

8、磁鐵在高溫下能正常工作，對(duì)電磁鐵進(jìn)展了耐高溫設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于既要把內(nèi)部線圈產(chǎn)生的電阻熱散發(fā)出去，又要阻止外部鋼板的熱量傳進(jìn)來(lái)。所采取的措施有：采用耐高溫的電磁線；增加導(dǎo)熱絕緣層和外部傳導(dǎo)熱阻斷層；采用防輻射隔熱層；加大散熱面積并設(shè)計(jì)了外部散熱風(fēng)道。鑒于每次只吊運(yùn)單張鋼板，而鋼板規(guī)格的變化范圍很大，針對(duì)不同厚度的鋼板，電磁鐵需要輸出不同的電磁力，因此需要對(duì)電磁鐵進(jìn)展無(wú)級(jí)調(diào)磁。為此，提出了“準(zhǔn)確調(diào)磁的概念，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)準(zhǔn)確調(diào)磁，對(duì)電磁鐵而言，其關(guān)鍵是在保證足夠透磁深度的情況下，電磁鐵的磁力曲線FII要有較寬的線性范圍4。對(duì)應(yīng)圖2所示鋼板，滿足鋼板溫度t=600條件下，所設(shè)計(jì)的專

9、用電磁鐵采用多個(gè)線圈，全密封焊接式長(zhǎng)方體鋼板構(gòu)造，根本參數(shù)為：外形尺寸2700 x240 x320、額定起重量6.5t、平安系數(shù)K2.5、工作電壓為直流D220V、防護(hù)等級(jí)IP54。這種電磁鐵透磁深度相對(duì)較淺、線性好、重量輕、功率校2)電磁鐵性能一致性為確保準(zhǔn)確調(diào)磁、準(zhǔn)確吸吊對(duì)應(yīng)的鋼板，要求成組電磁鐵之間性能具有高度的一致性。對(duì)同一臺(tái)吊車所用的電磁鐵，經(jīng)分析其電磁性能一致性要求為98%。3)電磁鐵吊掛高度一致性電磁鐵與掛梁的聯(lián)接采用鏈條聯(lián)接方式。對(duì)成組電磁鐵的根本要求是：保證磁極的底平面處在同一平面內(nèi)。這個(gè)問(wèn)題在厚板起吊中是個(gè)貌似簡(jiǎn)單卻非常重要的問(wèn)題。由于厚鋼板是平直不易變形的，假設(shè)磁極工作面

10、參差不齊，不在同一程度面上，那么必將造成舉高較低的電磁鐵相當(dāng)于“下沉，不但不產(chǎn)生吸力，而且將“壓在被吸鋼板上，形成“負(fù)吸力。這樣一來(lái)，總的吸力明顯降低。為此采取措施：電磁鐵裝配完成后，對(duì)磁極底面進(jìn)展精加工，確保每個(gè)電磁鐵的底平面平整；為保證電磁鐵的吊掛高度一致，采用高度可調(diào)的懸掛裝置，該裝置系螺栓式機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安裝時(shí)，對(duì)成組吸盤進(jìn)展高度調(diào)節(jié)，盡可能使成組電磁鐵的底平面在同一程度面里。5電控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)工作原理系統(tǒng)的程序控制采用西門子S7-200PL主控單元(PU226)。PU226通過(guò)DP接口模塊E277接到Prfibus總線，與行車主PL通訊。人機(jī)界面采用254觸摸屏，采用SIATIP

11、rTl組態(tài)軟件進(jìn)展組態(tài)，各控制功能在觸摸屏上顯示為菜單，只需簡(jiǎn)單觸摸，即可完成控制；觸摸屏通過(guò)通訊電纜聯(lián)接到PU226的PI接口。為確?？刂葡到y(tǒng)在掉電時(shí)保持正常工作，系統(tǒng)的程序控制部分采用UPS不連續(xù)電源供電。調(diào)磁系統(tǒng)采用智能三相全控整流模塊，將主電路與觸發(fā)電路集成為一體。系統(tǒng)設(shè)有電壓傳感器和電流傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊輸出電壓、電流，電壓傳感器和電流傳感器輸出通過(guò)A/D模塊讀人PL。PL將整流模塊輸出電流值與給定電流值進(jìn)展比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整D/A輸出。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)工作電流閉環(huán)控制，控制精度高，確保電磁鐵的吸力穩(wěn)定，從而保證按設(shè)定方式吊運(yùn)。調(diào)磁系統(tǒng)為邏輯無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)，充磁時(shí)正組可控硅導(dǎo)通，電能

12、正向饋人電磁鐵；退磁時(shí)PL首先控制正組整流模塊移相至逆變狀態(tài)，將電磁鐵能量大部份回饋到電網(wǎng)；PL檢測(cè)電流值為0時(shí)，確認(rèn)正組整流模塊關(guān)斷，再觸發(fā)導(dǎo)通反組整流模塊，對(duì)電磁鐵反向去磁。系統(tǒng)取消了外接電阻器強(qiáng)迫去磁的方式，充磁退磁快，退磁效果好，實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)控制。2)電磁鐵選擇控制PL的輸出通過(guò)接觸器控制各電磁鐵通斷電，每個(gè)電磁鐵分3段控制，并對(duì)各電磁鐵的工作狀態(tài)進(jìn)展檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障立即報(bào)警。由于調(diào)流模塊僅在吊運(yùn)時(shí)輸出電流，所有接觸器都可以在主電路無(wú)電時(shí)由PL控制其通斷，接觸器觸點(diǎn)不易損壞，使用壽命長(zhǎng)。3)停電保磁系統(tǒng)采用免維護(hù)蓄電池作為備用電源，由自動(dòng)充電屏對(duì)電池自動(dòng)恒充、浮充，也可通過(guò)按鈕手動(dòng)控制主

13、充、浮充。自動(dòng)充電屏對(duì)電池欠電壓、過(guò)電壓自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)浮充主充自動(dòng)切換，并對(duì)電池定期活化放電。自動(dòng)充電屏能自動(dòng)限制充電電流，防止電流過(guò)大損壞蓄電池。系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤主電源狀態(tài)，保證在主電源斷電時(shí)蓄電池自動(dòng)投人使用。4)系統(tǒng)保護(hù)電路電源進(jìn)線采用過(guò)壓自動(dòng)脫扣斷路器保護(hù)，變壓器次級(jí)采用快速熔斷器限流保護(hù)，吊運(yùn)時(shí)假設(shè)斷路器脫扣或熔斷器熔斷，蓄電池自動(dòng)投人工作，確保平安吊運(yùn)，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。PL通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流輸出電壓、電流，并與給定值進(jìn)展比較，當(dāng)偏離限定值過(guò)大時(shí)(過(guò)壓或欠壓),PL自動(dòng)關(guān)斷整流模塊輸出，并控制蓄電池自動(dòng)投人工作。多個(gè)吸盤聯(lián)用時(shí)，當(dāng)某個(gè)電磁鐵發(fā)生故障導(dǎo)致其電流異常上升時(shí)，斷路器自動(dòng)切斷這個(gè)電磁鐵的電源，防止連鎖反響而影響其余電磁鐵的工作，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。整流模塊有完善的阻容保護(hù)和防雷擊防浪涌電壓沖擊的壓敏電阻保護(hù)。6完畢語(yǔ)寬厚板的起重，特別是多規(guī)格的高溫寬厚板的起重，是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。既有起重系統(tǒng)整體的技術(shù)問(wèn)題，又有單元技術(shù)難題。合理的電磁鐵總體布局、耐高溫的線性電磁鐵、準(zhǔn)確調(diào)磁技術(shù)以及無(wú)觸點(diǎn)電控系統(tǒng)，還有文中沒(méi)提及的可伸縮掛梁，都是技術(shù)關(guān)鍵。解決寬厚板起重技術(shù)難題，要以成熟的單元技術(shù)為根底，用系統(tǒng)集成的觀點(diǎn)去統(tǒng)籌考慮機(jī)械、電磁和電控問(wèn)題以及互相間的藕合問(wèn)題。參