利用PLC程序解決起重機大型減速器齒輪嚙合沖擊問題

供稿|王榮強 /

作者單位：本鋼板材股份有限公司煉鋼廠，遼寧 本溪 117000

內容導讀

文章對本鋼板材煉鋼廠接受跨區(qū)域260 t鑄造起重機的主起升機構減速器存在的齒輪沖擊問題進行了深入研究，分析對比了兩種解決方案的優(yōu)劣，確定利用PLC程序對主起升機構運行中實時采集的各種數據信息進行邏輯運算，實現(xiàn)對主起升機構運行狀態(tài)的判定、操作優(yōu)化等功能，從而調整主起升運行狀態(tài)并最終將齒輪沖擊消除。該方案邏輯清晰、科學合理、執(zhí)行方便、簡單經濟，且最大限度地避免了人為干預，無安全隱患，對大型減速器的安全運行和技術改造有著積極的借鑒意義。

本鋼板材煉鋼廠6臺260 t橋式鑄造起重機主起升機構采用長減速器結構、PLC控制系統(tǒng)及變壓調速裝置實現(xiàn)運行控制。在特定的運行方式下，起重機主起升機構減速器齒輪嚙合存在較大沖擊，已嚴重威脅到了設備的安全穩(wěn)定運行。

減速器齒輪嚙合沖擊的出現(xiàn)

260 t橋式鑄造起重機主起升系統(tǒng)構成

260 t鑄造起重機的主起升傳動系統(tǒng)由兩臺電動機共同驅動，電動機將力矩傳送至一臺長減速器的兩個快速軸上，經減速器變速后，再將力矩輸出至兩個慢速軸，以帶動兩個雙聯(lián)卷筒卷動鋼絲繩，從而實現(xiàn)吊鉤的升降作業(yè)(圖1)。

圖1 主起升系統(tǒng)結構圖

電機采用頻率反饋變壓調速方式，四個控制檔位，速度分別為10%、20%、30%和100%(100%為全速運行)。機構的運行是由控制器發(fā)出指令后，信號進入PLC系統(tǒng)，然后輸出給指令繼電器，由調速裝置根據指令控制正反向接觸器和電機定子電壓，自動完成啟動、制動、調速、反接等動作。變壓調速裝置通過電機的轉子頻率反饋信號與裝置內部固化的數據模型進行比較[1]，自動控制電機的定子電壓以及方向接觸器的切換。制動系統(tǒng)原由四套直流電磁式制動器及制動輪構成，由于該制動器存在制動力矩不足的缺陷，于2015年對其進行技術改造，采用制動盤配以液壓盤式制動器組成新的制動系統(tǒng)。新系統(tǒng)具有制動力矩大、抱閘快速、維護方便等優(yōu)點。

減速器齒輪嚙合沖擊現(xiàn)象

新制動系統(tǒng)輕載運行時，當機構從四檔(全速)直接扳回零位(以下簡稱“回零”)，制動器迅速將制動盤抱住(以下簡稱“抱閘”)，而慢速軸所帶動的卷筒會慣性運行一段后停止。同時，減速器內部傳出兩次強烈的異響，并伴有劇烈震動，齒輪嚙合沖擊極為嚴重。而主起升系統(tǒng)在其他運行方式時基本正常，沒有明顯的嚙合沖擊。

發(fā)生嚙合沖擊的原因

經過深入研究確定：主起升減速器的傳動間隙是造成嚙合沖擊的根本原因[2]。機器高速上升時，快速軸帶動慢速軸高速運行，如圖2(a)；當回零時，快速軸立即被制動器抱死，因存在傳動間隙，慢速軸仍向上慣性運行，從而產生第一次嚙合沖擊，如圖2(b)；之后，由于吊鉤自重(24 t)的作用，卷筒帶動慢速軸回落，形成第二次沖擊，如圖2(c)。在改造前，由于電磁式制動器的制動力矩不足，快速軸能克服制動力矩再轉動一段距離，從而形成了一定的緩沖。

圖2 齒輪嚙合沖擊示意圖

嚙合沖擊的危害

減速器齒輪的嚙合沖擊將損傷齒輪，嚴重時會造成斷齒、啃齒等故障發(fā)生。對于從事液態(tài)熔融金屬吊運的大型鑄造起重機來說，起升機構減速器若出現(xiàn)上述故障，將導致重大設備事故或人身傷害事故。

嚙合沖擊的解決方案

對6臺起重機的減速器進行更換可消除傳動間隙，但投資巨大，施工周期長，不具有可行性。經過對設備的調試發(fā)現(xiàn)：當制動器抱閘前，若能確?？刂破髟谏仙粰n停留一定時間，就可以大幅降低慢速軸的慣性勢能，從而減輕或避免嚙合沖擊現(xiàn)象。

優(yōu)化操作

制定相應的操作規(guī)定：在主起升輕載上升回零時，要求操作人員將控制器手柄在低速檔位上停留一段時間，再扳回零位，可避免沖擊。但當停留時間把握不好時，也偶有沖擊發(fā)生；當生產任務緊時，操作人員常常遺忘規(guī)定的操作，致使嚙合沖擊現(xiàn)象頻繁發(fā)生，對安全運行造成了嚴重影響。

優(yōu)化系統(tǒng)

新增一段PLC程序自動優(yōu)化上述操作，主要原理是：當主起升上升四檔回零后，通過PLC程序控制，確保主起升機構在降速后，繼續(xù)延時運行一段時間，以消除慢速軸的轉動慣性，然后再抱閘。在這個過程中，判斷依據是變壓調速裝置的狀態(tài)，無過多人為參與因素，可確保系統(tǒng)安全。

PLC程序設計

模塊結構設計

操作優(yōu)化應先判斷主起升運行于輕載全速上升后回零的狀態(tài)；確認狀態(tài)后，加入執(zhí)行程序優(yōu)化操作；操作循環(huán)結束后，要恢復PLC數據初始狀態(tài)(程序流程示意圖見圖3)。根據以上三個步驟，對應地將程序段劃分為：狀態(tài)判定模塊、優(yōu)化執(zhí)行模塊和復位模塊。

狀態(tài)判定模塊設計

當主起升輕載全速上升回零時，機構的上升慣性大于吊鉤的自重，速率下降較慢，調速裝置檢測后，會自動加入反向力矩(即輕載上升回零時，下降接觸器會短時吸合)，形成上升回零的反接制動(以下簡稱“上升電制動”)，使系統(tǒng)盡快降速。狀態(tài)判定模塊通過檢測主起升上升四檔回零的反饋信號同下降接觸器吸合信號進行邏輯“與”運算，從而確定調速裝置有上升電制動行為，則判定機構處于輕載上升全速回零的運行狀態(tài)，并將擴展脈沖定時器置位。

圖3 PLC程序流程示意圖

優(yōu)化執(zhí)行模塊設計

優(yōu)化操作的過程由未上電制動、施加電制動和電制動結束的三個時間段構成。未上電制動階段是在未出現(xiàn)上升電制動時，通過寄存器M91.3將指令先鉗位于上升1檔，確保優(yōu)化操作的連貫性。施加電制動階段是在有電制動出現(xiàn)時，將寄存器M91.2置1，將上升1檔指令擴展延時5 s，并啟動倒計時。電制動結束階段是在確認系統(tǒng)上升回零電制動工作循環(huán)已結束(下降接觸器復位，上升接觸器重新吸合)，將上升1檔指令(M91.2)再延續(xù)0.1 s后抱閘。PLC程序如圖4。

將優(yōu)化執(zhí)行寄存器M91.4與上升1檔指令存儲器以邏輯或的方式并聯(lián)，從而延緩上升1檔繼電器1K01的釋放，使系統(tǒng)在輕載上升全速回零的過程中有充分的減速時間，從而達到消除嚙合沖擊的目的[3]。

復位模塊設計

復位模塊是當系統(tǒng)執(zhí)行完優(yōu)化操作后，延時0.5 s后，對上述所有程序段總復位，恢復初始狀態(tài)，等待下一個工作循環(huán)的到來。

圖4 優(yōu)化操作執(zhí)行PLC程序模塊

實施效果

在主起升機構作業(yè)時，系統(tǒng)自動調用上述程序，使機構在2～3 s的時間內，順暢地完成全速—平穩(wěn)減速—最后抱閘停止的全過程。根據設備調試試驗繪制的時序圖(圖5)可知，新增的PLC程序實現(xiàn)了優(yōu)化操作的目的，機構狀態(tài)平穩(wěn)，減速器無嚙合沖擊，操作人員反映良好。

結束語

本鋼板材煉鋼廠6臺260 t起重機的主起升減速器因存在傳動間隙，造成齒輪嚙合沖擊較大。通過創(chuàng)新性地編譯PLC程序實現(xiàn)了自動優(yōu)化操作。該方案可行、執(zhí)行方便、簡單經濟、無安全隱患，對冶金企業(yè)設備管理提出了新思路、新方法，具有一定的創(chuàng)新性和借鑒意義。

圖5 數據量時序圖

攝影 賈大庸