青島前灣集裝箱碼頭公司　潘　廣

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岸橋傾轉(zhuǎn)及掛艙保護改造

青島前灣集裝箱碼頭公司潘廣

摘要：針對早期70 t岸橋的傾轉(zhuǎn)問題提出了改造方案，在后大梁上安裝4個具有傾轉(zhuǎn)及掛艙保護功能的液壓油缸，通過計算得出傾轉(zhuǎn)油缸的速度與比例閥電流的關(guān)系后進行組態(tài)編程，形成穩(wěn)定安全的傾轉(zhuǎn)及掛艙裝置，解決了以前易出現(xiàn)傾轉(zhuǎn)故障及沒有掛艙保護功能的安全隱患。

關(guān)鍵詞：傾轉(zhuǎn)； 掛艙； 比例閥； 電磁線圈； 組態(tài)

某公司使用的上海港機早期生產(chǎn)的3臺70 t-70 m岸橋，其吊具下到20 m深的船艙吊運集裝箱時，易發(fā)生掛艙問題，由于沒有相應(yīng)的保護裝置，致使鋼絲繩接近其破斷力，同時對整機機械結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)造成破壞，因此需要對傾轉(zhuǎn)機構(gòu)進行改造。

1傾轉(zhuǎn)機構(gòu)構(gòu)成及傾轉(zhuǎn)運動

岸橋由卷筒帶動4根鋼絲拉動吊具。將吊具的海左定義為B、海右為C、陸左為A、陸右為D。改造時，去除前大梁接線箱、 3個絲杠及減速箱電機部分，將鋼絲繩在前大梁上用壓板壓住，保留重量傳感器。在后大梁上加裝4個具有傾轉(zhuǎn)及掛艙保護功能的油缸，從左到右依次為1、2、3、4。岸橋起升鋼絲的運行情況見圖1。

圖1　起升的整體示意圖

在裝卸集裝箱的過程中，由于船艙傾斜、集卡停位傾斜等原因，司機要經(jīng)常用到左傾、右傾、前傾、后傾、左旋、右旋6個動作。這6個動作以下簡稱為傾轉(zhuǎn)，見圖2。

圖2　吊具傾轉(zhuǎn)動作示意圖

2傾轉(zhuǎn)與掛艙保護的設(shè)計及改造

2.1硬件配置

硬件配置見表1。

2.2后大梁機械部分的設(shè)計及安裝

在后大梁的起升鋼絲滑輪部位安裝油缸底座、斜拉桿等裝置。當(dāng)傾轉(zhuǎn)油缸伸縮時，通過拉桿帶動滑輪前后運動，調(diào)節(jié)鋼絲實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)動作。后大梁實際安裝后的情況見圖3。

表1　傾轉(zhuǎn)改造所需要的硬件配置

圖3　后大梁油缸機械結(jié)構(gòu)

2.3傾轉(zhuǎn)與掛艙動作工況設(shè)計

2.3.1吊具傾轉(zhuǎn)比例方向閥線圈S1至S8工況設(shè)計

比例方向閥(三位四通閥)通過比例電磁線圈控制油液的方向和流量。以油缸1為例，每一個比例方向閥有2個比例電磁線圈，共有S1-S8共8個比例電磁線圈。輸入電壓為24 V DC，輸入指令電流為4～20 mA；PLC程序?qū)l(fā)信號控制相應(yīng)的電磁線圈，由信號量控制比例閥的開口量，決定油缸行走的方向和速度。

(1)指令電流為12～20 mA, 相應(yīng)的比例電磁閥的流向為P′A, B′T，即電磁線圈S2、 S4、 S6、 S8得電，指令值愈大，比例閥輸出愈大，通過比例閥的流量愈大，油缸外伸的速度愈快。

(2)指令電流為4～12 mA, 相應(yīng)的比例電磁閥的流向為：P′B, A′T，即電磁線圈S1、 S3、 S5、 S7得電，指令值愈小，比例閥輸出愈大，通過比例閥的流量愈大，油缸內(nèi)縮的速度愈快。

比例閥有15%指令信號范圍遮蓋量，即指令信號的1.2 mA起始量內(nèi)比例閥沒有流量輸出，即比例閥指令信號大于或小于12±1.2 mA后，比例方向閥才有輸出，見圖4。

圖4　比例方向閥液壓方向及磁尺與指令的關(guān)系

2.3.2吊具傾轉(zhuǎn)動作時各閥得失電的設(shè)計

當(dāng)司機操作手柄進行傾轉(zhuǎn)動作時，電機M得電，經(jīng)過0.5 s后高壓閥S9得電，相應(yīng)的比例閥得電以完成指令動作(在任何情況下，只有當(dāng)掛艙油泵所用的蝶閥的行程開關(guān)RM閉合，表明油泵吸油口暢通時，油泵馬達M1才可得電運轉(zhuǎn))；吊具的傾轉(zhuǎn)由4個油缸的動作完成，油缸的運動方向由8個比例方向閥的電磁線圈控制。4個油缸的直線位移傳感器測量和控制4個油缸的運動位置。高壓閥S9用來控制傾轉(zhuǎn)油泵的壓力。當(dāng)8個比例電磁線圈中的任何一個得電時，S9必須得電。只有當(dāng)8個比例電磁線圈都失電時，電磁線圈S9才可以失電。

根據(jù)圖1、圖2所示傾轉(zhuǎn)鋼絲動作情況，以及吊具傾轉(zhuǎn)比例方向閥線圈S1至S8的伸縮情況，得出吊具傾轉(zhuǎn)時相應(yīng)閥的得電關(guān)系(見表2，+表示得電)。以上動作均通過PLC控制完成。

表2　吊具傾轉(zhuǎn)時相應(yīng)閥的得電關(guān)系

2.3.3傾轉(zhuǎn)速度控制設(shè)計

為了保證傾轉(zhuǎn)油缸運動時動作的準(zhǔn)確性(以前傾為例，要S2、S3、S5、S8得電)，4個傾轉(zhuǎn)油缸在相同的時間內(nèi)有預(yù)期的位移，如果有個油缸沒有到達預(yù)期位移，吊具可能就發(fā)生了旋轉(zhuǎn)動作，造成司機調(diào)不到預(yù)期的前傾位置)，因此PLC要一直控制4個油缸的速度，4個油缸必須在運動目標(biāo)上保持同時到達，即時間保持同步，誤差不能超過5%。

(1)變量的定義

Dn(其中n=1, 2, 3, 4，下同)為由油缸磁尺在線輸出的油缸絕對位移，油缸完全縮進時，為0；D0為油缸中位的絕對位移，根據(jù)傾轉(zhuǎn)行程人工輸入，并由控制系統(tǒng)記憶；Aa為無桿腔面積,Aa=314.1 cm2；Ab為有桿腔面積,Ab=160.3 cm2；Qp：油泵流量,Qp=75 L/min；ΔDn：油缸相對于O位(Home位)的相對位移，可以由控制系統(tǒng)計算出；ΔDn=Dn-D0，ΔDn>0表示油缸已伸出，ΔDn=0表示油缸在中位，ΔDn<0表示油缸已縮進；Qn為油缸應(yīng)進油的流量；Vn為油缸的速度。

(2)電流控制油缸的運動方向和速度控制

岸橋的PLC程序能夠控制每一個油缸的狀態(tài)(伸出或縮進)，輸出相應(yīng)的電流控制油缸的運動方向和運動速度?？刂圃頌椋?/p>

①系統(tǒng)首先檢測到每個油缸當(dāng)前位置和動作的目標(biāo)值，如：歸“0”動作的全部油缸會到“0”位和前后傾動作在同時間段內(nèi)按比例協(xié)調(diào)的向30 mm前進。

②根據(jù)油缸位置和每個油缸動作的目標(biāo)值，計算出要求每個油缸同時達到目標(biāo)值要填充的油量。

③根據(jù)油泵最大供油量，計算出完成這些目標(biāo)值即完成這些填充油量所需的總時間。

④根據(jù)比例閥的屬性預(yù)選相應(yīng)閥的信號量。

⑤根據(jù)油缸在PLC掃描一個周期內(nèi)的位移和經(jīng)過的時間，計算油缸的瞬時速度。

⑥根據(jù)油缸實際輸出的速度與要求的速度的差值，計算出要增加或減少的流量。

⑦根據(jù)樣本的電流變化所引起的流量變化的比例關(guān)系，計算出要增加或減少的信號電流值。

⑧通知控制系統(tǒng)修正電流值，并且在目標(biāo)值到達以前，速度糾正在PLC周期中一直在循環(huán)，從⑤循環(huán)到此。

⑨為了糾正因速度糾正引起的積累誤差，每經(jīng)過若干PLC周期，重新檢測目標(biāo)值位置，從①重新循環(huán)，直到油缸在誤差范圍內(nèi)到達目標(biāo)值。

(3)電流控制油缸的運動方向和速度及位移的計算

以傾轉(zhuǎn)油缸作歸“0”運動為例：PLC首先檢測4個油缸的位置，得出D1、 D2、 D3、 D4，并根據(jù)存儲的“0”位，計算出油缸的向量位移。如果油缸是伸出的ΔDn>0，當(dāng)作復(fù)位動作時，這個油缸將要縮進到“0”位。油液從P-B,A-T，也就是電磁線圈S1、S3、S5、S7將得電，即給出電流值在12～4 mA。相反，如果油缸相對于“0”位是縮進的(ΔDn<0),當(dāng)作復(fù)位動作時，這個油缸將要伸出到“0”位。油液從P-A, B-T， 也就是電磁線圈S2、S4、S6、S8將得電，即給定電流值為12～20 mA。

已知：D1、 D2、 D3、 D4，計算ΔDn和|ΔDn| 。

相應(yīng)的油缸進油量應(yīng)為：

Qn=|ΔDn|×A/t, ，如果ΔDn>0, 油缸要回縮，A選擇油缸有桿腔面積Ab，如果ΔDn<0, 油缸要外伸，A選擇油缸無桿腔面積Aa。

根據(jù)REXROTH 比例閥的樣本，得出開口值與控制電流的關(guān)系：

ξn=〔(0.23Qn+5)/12.5〕,ξn(100%)，Qn(L/min，

I1=12±ξn×8

當(dāng)Qn=12.5 L，ξn=0.63=63%；

當(dāng)Qn=25 L，ξn=0.86=86%；

IfΔDn>0,II=12-ξn×8; within 12-4 mA; Whenξn=0.63=63%,II=6.96 mA,

IfΔDn<0,II=12-ξn×8; within 12-20 mA; Whenξn=0.86=86%,II=18.88 mA,

控制電流：II=12±ξn×8; 。該公式中“±”由ΔDn的正負來決定，當(dāng)ΔDn>0, 選擇“-”；當(dāng)ΔDn<0, 選擇“+”。但電流最大值不應(yīng)大于20 mA和小于4 mA。

當(dāng)油缸外伸時，每增加和減小1 mA電流，油缸的速度將增加和減小0.36 cm，即0.36 cm/mA。

當(dāng)油缸內(nèi)縮時，每增加和減小1 mA電流，油缸的速度將增加和減小0.70 cm，即0.70 cm/mA；

按照此比例在PLC的編程中對油缸的速度進行再調(diào)整。

根據(jù)以上的計算過程，可得出傾轉(zhuǎn)的速度控制。前傾時S2與S8初始得電量18.88 mA (86%)，S3與S5初始得電量6.96 mA (63%)；后傾時S1與S7初始得電量6.96 mA (63%)，S4與S6初始得電量18.88 mA (86%)；左傾時S1與S3初始得電量6.96 mA (63%)，S6與S8初始得電量18.88 mA (86%)；右傾時S2與S4初始得電量18.88 mA (86%)，S5與S7初始得電量6.96 mA (63%)；右旋時S1與S5初始得電量6.96 mA (63%)，S4與S8初始得電量18.88 mA (86%)；左旋時S2與S6初始得電量18.88 mA (86%)，S3與S7初始得電量6.96 mA (63%)。上述值都是當(dāng)給出傾轉(zhuǎn)指令時比例閥的預(yù)先給定量，在傾轉(zhuǎn)動作進行過程中，這些值應(yīng)當(dāng)根據(jù)速度要求的自動控制程序自動進行調(diào)整[1]。

2.4掛艙工況

當(dāng)岸橋的負荷超過額定負荷的20%時，壓力繼電器H1～H4中任一個斷開發(fā)訊,發(fā)出掛艙信號,主起升即停?？刂齐娞⒏邠P聲報警。經(jīng)仔細檢查橋吊并手動控制復(fù)位后，吊具只能慢速“下降”而不能“上升”，吊具下降解除掛艙后，按下“掛艙復(fù)位”按鈕，油缸回中位，掛艙故障解除。

3PLC程序組態(tài)等的改造

在PROFIBUS分布式IO中插入ET200M，并命名為(12)LTC。ET200M是Profibus中的站點模塊，ET200M用于與標(biāo)準(zhǔn)的S7 400模塊一起組成遠程I/O站，IM153-1作為 ET200M的接口模塊，將ET200M作為從站連接到Profibus DP上，見圖5。

圖5　 Profibus插入的(12)LTC

IM153-1帶有2個AI模擬量輸入模塊，用于磁尺的位置輸入，電流為4～20 mA 。1個AO模擬量輸出模塊，用于控制比例閥，電流為4～20 mA 。3個點對點輸入模塊，相應(yīng)的地址系統(tǒng)自動分配，以方便程序的編寫[2]，見圖6。

4后大梁按鈕箱的安裝

為了便于對傾轉(zhuǎn)油缸的任意控制，在后大梁安裝控制箱，加裝按鈕。2個普通帶燈按鈕“控制合”(綠色)和“控制斷”(紅色)。1個2位選擇開關(guān)：“本地操作”和“司機室控制”。1個普通2位選擇開關(guān)：“油泵開”和“油泵關(guān)”。1個普通3位自動回中選擇開關(guān)“油缸伸”、“中位”和“油缸縮”。1個4位選擇開關(guān)，用于對4個傾轉(zhuǎn)油缸的選擇。

5結(jié)語

對3臺岸橋改造以后，由于取消前大梁模塊箱和傾轉(zhuǎn)電機絲杠裝置，消除了模塊故障和絲杠斷裂故障隱患，從而提高了裝卸效率。在后大梁加裝油缸后傾轉(zhuǎn)動作可靠、迅速，具有掛艙保護功能后，發(fā)生掛艙時能夠進行有效的緩沖，同時保證了整機機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定耐用，杜絕了安全隱患，提高了岸橋的使用壽命。

參 考 文 獻

[1]張利平.液壓閥原理使用與維護[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2015，324-338.

[2]陶權(quán). S7-300/400PLC基礎(chǔ)及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)[M] 北京:機械工業(yè)出版社，2015:191-210.

潘廣： 266033， 山東省青島市撫順路11號乙4號樓1-502

Transformation of the Rotation and Hanging Protection of Quay Crane

Qingdao Qianwan Container Terminal Co.,Ltd. Pang Guang

Abstract:By setting 4 hydraulic cylinders with rotating function and hanging protection on the back girder of quay crane, and making configuration programming based on the relationship between the speed of rotating oil cylinder and the electric current of proportional valve, this paper proposes a transformation method of the rotation problem on early 70 t quay crane and creates a stable and safe rotation and hanging protection device to removes the hidden danger.

Key words:rotation; hanging; proportional valve; solenoid coil; configuration

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.017

收稿日期：2015-07-28