國產(chǎn)500 kW 短波轉動天線制動系統(tǒng)原理及運維探索

郭德軍,關 吉

（國家廣播電視總局二〇二二臺，新疆 喀什 844000）

引言

隨著廣播電視業(yè)務的不斷發(fā)展,自2010 開始國產(chǎn)500 KW 短波轉動天線在廣電總局多個發(fā)射臺站應用,相配套的與北京北廣科技股份有限公司生產(chǎn)的DF-500A 型短波發(fā)射機配合使用,經(jīng)過不斷的改進和升級現(xiàn)已正式投入使用。轉動天線機械傳動機構中的制動系統(tǒng)屬于關鍵核心器件,價格昂貴,技術精度高,動作頻繁,發(fā)生故障時可造成轉動天線控制系統(tǒng)癱瘓和停播事故的發(fā)生。做好轉動天線制動系統(tǒng)的研究和維護工作可以為升級改造,打破進口核心器件壟斷奠定基礎,為更好的保障安全播出提供技術支撐。

1 制動器的選型計算

結合轉動天線的特性和技術參數(shù),制動器的選型要需要進行理論計算,以滿足轉動天線正常轉動、制動和特殊環(huán)境下的運轉。轉動天線高78 m,總重量308.8 t,技術性能要求天線風荷載,可工作風速＜120 km/h；最大調整方位角度：±180°；最大調整方位時間：200 s ；最高轉速：1.12°/s ；最大加速時間：14 s ；最大減速時間：14 s ；生產(chǎn)廠家設計轉動天線控制系統(tǒng)制動器的動作控制電壓為-24VDC。在制動器的選擇上主要考慮制動器制動扭矩的問題,根據(jù)系統(tǒng)工作要求,制動器所能提供的制動力矩必須大于扭矩限制器所設定的扭矩值,即T制N＞T扭N。先選擇轉動天線扭矩限制器,考慮兩方面因素,轉動天線在加減速和勻速轉動過程中產(chǎn)生的扭矩,在加減速過程中,根據(jù)轉動天線主要技術指標的要求：最高轉速1.12°/s 加速時間14 s ,減速時間14 s。

回轉支承大齒輪轉速ω2 (勻速過程)：

加速過程的角度加速度：

減速過程的角加速度：

塔身轉動慣量：J=28 130 369 kg.m2,電機,聯(lián)軸器及減速機的當量轉動慣量較小,此處忽略。

根據(jù)廠家提供的轉動天線傳動系統(tǒng)的基礎支撐數(shù)據(jù),在風速與天線屏分別成0°、45°、90°時所承受的風載扭矩不同,在承受最大風速180 km/h,0°時轉動天線所承受的風載扭矩最大,M+=1 067 kN.m。因此為保證轉動天線在規(guī)定的風載扭矩條件下發(fā)生轉動,要求制動器的制動力矩滿足最大風載扭矩。

其中：

M+—在風速與天線屏成0°時,風速180 km/h 時風載扭矩（kN.m）；

Mp—轉動天線慣性部分加速轉矩（kN.m）；

i12—轉動天線大小齒輪轉動比；

i減—減速機實際減速比。

按照T制N＞T扭N的原則,制動器所能提供的制動力矩必須大于扭矩限制器扭矩123.7 N.m,扭矩限制器聯(lián)軸器扭矩設定范圍為30 N.m～210 N.m,所以T制N＞T扭N=210 N.m。制動器選擇德國麥爾電磁制動器,型號Gr.7/894.21.1,工作電壓-24VDC,制動扭矩2000 N.m,見圖1 所示。

圖1 電磁制動器

制動器選型計算的研究能為制動器的維護和升級改造工作提供理論數(shù)據(jù)參考。

2 制動系統(tǒng)在轉動天線傳動系統(tǒng)中的組成及作用

2.1 傳動系統(tǒng)的組成

傳動系統(tǒng)主要由齒輪傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)共四部分組成,見圖2。

圖2 傳動系統(tǒng)

天線通過回轉支承與天線基座相聯(lián),回轉支承的天線部分有個內齒大齒輪①,天線轉動、制動所需的力矩正是由齒輪①傳遞過來的。與齒輪①相嚙合的外齒小齒輪②,行星減速機③,扭力限制器④,制動系統(tǒng)⑤,聯(lián)軸器⑥,驅動電機⑦,角度測量系統(tǒng)⑧,潤滑系統(tǒng)⑨。

系統(tǒng)由驅動電機⑦提供動力,通過聯(lián)軸器⑥、扭力限制器④與行星減速機③相連,把電機的輸出扭矩傳遞到與行星減速機③相連的小齒輪②上,最后通過小齒輪②與大齒輪①相嚙合來帶動天線轉動。

制動系統(tǒng)⑤保證天線在未被驅動電機⑦驅動的條件下平穩(wěn)靜止,保證天線在有除電機以外的力矩作用下靜止不動。角度測量系統(tǒng)⑧為天線提供準確定位,潤滑系統(tǒng)⑨為回轉支撐提供良好的潤滑[1]。

減速機系統(tǒng)主要由三部分組成：減速機(已裝小齒輪)、減速機座、減速機微調及支撐裝置。

制動系統(tǒng)由兩部分組成：制動器、制動器座。轉動系統(tǒng)在傳動系統(tǒng)中十分重要,是轉動系統(tǒng)中不可缺少的一部分,整體聯(lián)動相互配合。

2.2 傳動系統(tǒng)的控制

傳動系統(tǒng)采用高精度的絕對值編碼器對天線的實際方位信號進行實時采集。通過H1000 系列的變頻器對驅動天線轉動的兩只馬達進行驅動。在給變頻器輸入標稱頻率為48 Hz 時,會產(chǎn)生一個積分電路：起始頻率從0 Hz 開始,線性增加,至最高頻率為48 Hz的信號,此信號控制著馬達速度按照線性加速,驅使天線轉動。當輸入的標稱頻率值為0 Hz 時,又會產(chǎn)生一個積分電路：起始頻率從最高向0 Hz 線性減小的信號,此信號會使馬達的速度線性減速。在天線選用自動控制操作模式時,編程中選擇的最高頻率為48 Hz,最低頻率為4 Hz[2]。

驅動馬達是根據(jù)給定的標稱值和實際值決定轉動的。當選定了天線頻率、程式和工作方向,并且發(fā)出了對應的啟動信號后,控制系統(tǒng)將對標稱值和實際值信號進行比較,然后確定出天線需要轉動的角度,并將一些必要的控制指令傳送給變頻器。這些控制指令保證了天線將自動按照標稱值,以最短的路徑轉動到設置位置。圖3 天線轉動的角度≥17°,天線的電動剎車啟動程序設在距離需要的方位位置9°處開始啟動剎車。然后轉動系統(tǒng)就會逐漸減速,在天線轉動到距離新的位置1°時,速度約達到最高速度的10%。在最后這1°的間隔中,是以一個非常小的轉速調整。當天線轉動的標稱值和實際值一致時,驅動系統(tǒng)的電源仍然會保持一定時間。此后,由于變頻器的初始頻率減至為0 Hz,變頻器就停止了工作。傳動系統(tǒng)穩(wěn)定后,制動器閉合,切斷驅動系統(tǒng)供電。定位結束[3]。

圖3 轉動角度＞=17°的曲線

圖4 天線轉動的角度＜17°時,系統(tǒng)將不必要達到全速運轉的情況,而只是根據(jù)輸入的標稱值和實際值的角度差,給出適宜的電壓,驅動馬達作加速度和減速度轉動到位。在接近標稱的位置前,也要控制最高速度的10%運轉,然后由制動系統(tǒng)將天線制動[4]。無論角度差是否大于17°,均能確保天線精確定位。

圖4 轉動角度＜17°的曲線

在自動控制模式下,系統(tǒng)根據(jù)給定的角度值,自適應地確定天線轉動的加速、平穩(wěn)轉動、減速、制動過程。

在一體機界面上輸入角度后,點擊“啟動”按鈕,控制系統(tǒng)根據(jù)選擇的天線角度,自動將主驅動風扇開啟,制動系統(tǒng)制動釋放,主驅動馬達得電,變頻器得電,通過變頻器輸出的變頻曲線,控制電機的轉速和方向,使天線轉動到預定位置。

3 制動系統(tǒng)的控制原理

轉動天線安裝有兩個制動器,兩個制動器的控制原理相同。以制動器1 為例,如圖5,CB13 的1、2 到PLC 的IQ2-6 為制動器電磁線圈供電檢測線路,當下達天線倒換指令后,PLC 的IQ5-2 由24V 高電平變?yōu)?V 低電平信號,使K13 繼電器線包得電,K13 繼電器常開節(jié)點8-12、5-9 分別導通,制動器得電由吸合狀態(tài)變?yōu)獒尫艩顟B(tài),使制動器檢測行程開關S13 導通,經(jīng)濾波板Z4 送到PLC 的IQ3-0 端,PLC 收到制動器完全釋放信號后,開始執(zhí)行天線角度倒換指令。

圖5 制動器控制原理圖

待天線倒換到位后,PLC 的IQ5-2 端由低電平0 V 變?yōu)楦唠娖?4 V,使K13 線包的13、14 端電壓差變?yōu)? V,K13 繼電器8-12、3-9 常開節(jié)點斷開,制動器因失電而執(zhí)行制動,檢測行程開關S13 斷開。PLC收到制動器制動信號,完成制動過程。

4 制動器的安裝調試及維護要點

4.1 制動器的安裝調試要點

4.1.1 制動器的安裝

由于制動器屬于干式摩擦,必須在無油狀態(tài)下工作,安裝前應清除異物油垢,否則影響轉動力矩,同時應盡量水平安裝[5]。

（1） 將制動器按照圖6 要求安裝到制動器座10上；

圖6 制動器結構示意圖

（2） 將整個制動系統(tǒng)用高強螺栓安裝到筒壁上,每個螺栓備一螺母,螺母壓緊前在天線筒固定板與制動器座之間加厚度為20 mm 的制動器墊塊11上；

（3） 緊固件(高強螺栓副8.8 級M20 預緊扭矩350 N·m),消除制動器座、墊板、天線筒固定板之間的間隙即可,制動器系統(tǒng)的調試與制動盤緊密相連。

4.1.2 制動系統(tǒng)的調試過程與要點

（1） 制動器通電（打開手動釋放桿）使摩擦襯片圖1 的距離達到最大；

（2） 制動盤 2 沿圖6 方向插入到制動器 9中,并用螺栓將制動盤2、扭矩限制器1 和聯(lián)軸器3固定在一起；

（3） 看制動器摩襯擦片是否與制動盤在徑向方向上完全接觸,如果未完全接觸可通過調整墊塊1 制動器的厚度,直到完全接觸；

（4） 在制動盤的上表面與制動器上摩擦片的下表面之間插入0.2 mm 厚的鋼板,即保證兩平面之間有0.2 mm 的間隙；

（5） 將固定制動系統(tǒng)的制動器底座10 高強螺栓完全擰緊；

（6） 將0.2 mm 的鋼板撤掉,手動轉動制動盤,并檢查與摩擦片之間是否有摩擦,如果有摩擦需要按照上述步驟重新調整,此項工作是為了保證制動盤與制動器安裝保持水平,根據(jù)制動器的機械參數(shù),制動器在釋放過程中即電磁吸合狀態(tài),壓力彈簧釋放機構的動作間隙僅為1.5 mm；

（7） 關掉制動器電源或手動釋放桿,此時制動器應完全閉合。

4.2 制動器的控制信號改造

制動器控制原理在第四部分已詳細介紹,在轉動天線實際運行過程中控制系統(tǒng)偶發(fā)性報“剎車馬達未打開”故障,制動器工作電壓DC-24V。在維護中通過檢查測量剎車馬達端電壓為16 V,電流9 A。檢查發(fā)現(xiàn)為制動器的電源電纜為2X0.75 mm,因工作電流較大,電纜較細,且長度較長,造成電纜壓降較大。電源端電壓為24 V,剎車制動器端的電壓降為16 V。造成剎車制動器電源電壓低,不滿足工作條件,最終致使轉動天線報警“剎車未打開”。造成發(fā)射機停播。通過不斷的摸索,進行整改：

（1） 增加剎車制動器供電的獨立電源,DC24V、10 A 開關電源；

（2） 剎車制動器電源線更換4 mm 電纜,解決壓降大問題；

（3） 更換兩組繼電器RU4S（K13,K23）為直流接觸器CJX4-0910Z。原繼電器型號為RU4S-D24,觸點工作電流最大只有3 A,不能滿足剎車制動器日常工作。更換直流接觸器型號為CJX4-0910Z。觸點工作電流最大為9 A。改善繼電器觸點工作電流較大燒壞繼電器；

（4） 電源控制開關CB13,CB14 有原6 A 更換為10 A 的空氣開關。整改后經(jīng)過測試,制動器電磁控制正常,解決因控制和電源問題造成制動器不動作故障；制動器端電源電線測量電壓為22 V,電壓降由原16 V 提高至22 V,工作電流6 A,進一步增強了制動制動器的工作穩(wěn)定性。

4.3 制動器常見故障和應急應急處置方法

常見的制動系統(tǒng)控制及供電故障可以結合圖5按照圖紙測量進行排除,在這里著重介紹制動器狀態(tài)檢測故障和機械故障。轉動天線在轉動的過程中也是制動器帶電工作的過程,制動器不工作轉動天線將無法釋放制動器進行轉動。每個制動器上有一個行程開關,主要給控制系統(tǒng)反饋制動器的動作狀態(tài)信號,制動器制動狀態(tài)（OFF）時,制動器上的行程開關S13 為斷開狀態(tài),則PLC 的IQ3-1 處于24 V 高電位。當控制系統(tǒng)制定為釋放狀態(tài),行程開關S13 為閉合狀態(tài),將0 V 低電平信號經(jīng)濾波板送到PLC 的IQ3-1 端,系統(tǒng)顯示剎車為釋放狀態(tài)。轉動天線需要轉動時,檢測回路中行程開關損壞或行程開關頂桿無法使行程開關動作,系統(tǒng)顯示天線連鎖故障,轉動天線將無法啟動。在應急狀態(tài)下,可以使用螺絲刀對制動器行程開關舌片進行強制按壓或跳線短路,天線連鎖故障消除后,進行電控操作,天線到位后再恢復。

機械故障是較為常見的故障,制動器的工作間隙較小,隨著使用時間的延長,壓力彈簧釋放機構會出現(xiàn)輕微的卡死或卡頓現(xiàn)象,造成制動功能失效,將一直處于釋放狀態(tài),系統(tǒng)界面剎車狀態(tài)由OFF（制動）變?yōu)镺N（釋放）,并提示剎車未連鎖。在應急狀態(tài)下可按照圖1 中手動釋放桿反復操作多次,機械故障即可消除。要避免此類機械故障需要定期的保養(yǎng)測試維護。

4.4 制動器的日常維護方法及注意事項

制動器是一種閉路電流操縱的電磁釋放彈簧壓力制動器同時制動器也是一種失電制動的電磁安全制動器。此制動器具有體積小,結構緊湊,扭矩大,控制電壓小等特點,屬于精密設備,為了延長使用壽命,減少故障概率,必須進行定期的保養(yǎng)維護。

制動器對于工作環(huán)境的要求使用在干燥環(huán)境當中,避免油污及潮濕環(huán)境,如果油、油脂、水或類似物質以及其它異物落在摩擦面上,則力矩消失或降低。制動器較長時間停機時,摩擦片可能生銹和卡住,定期性的需要做測試。制動器安裝在轉動天線筒內,環(huán)境通風不暢,自然環(huán)境溫度相對較高,轉動天線轉動到位需要制動時,由于較高溫度的摩擦推動,摩擦襯片材料（樹脂粘合橡膠混合物）會老化。另外在日常維護測試過程中發(fā)現(xiàn)制動器制動間隙過大,無法有效實施制動,需要定期更換制動器襯片。

制動器針對易發(fā)故障主要是機械和行程開關的維護。

4.4.1 制動器機械結構的維護方法

無論是制動襯片（新的）摩擦時,還是制動急停時,視功能而定可能會產(chǎn)生磨損碎屑（摩擦片磨損）,如使用開啟式制動器,此時可能會產(chǎn)生細粉塵,制動盤也為鐵制,在不斷的摩擦過程中會產(chǎn)生鐵屑。制動器本身就是電磁制動器,動作間隙較小,所以誘發(fā)機械故障的可能性較大,一般的清潔使用吸塵器或濕抹布收集制動器的粉塵,不可使用吹風機之類維護工具,會加劇機械故障的概率。每年拆下制動器徹底清潔一次,方法是找一個容器將制動器放入容器中,使用汽油清洗劑反復沖洗制動器線包和機械彈簧釋放機構,會發(fā)現(xiàn)有較多雜質和鐵屑隨著沖洗流入容器中,倒掉清理物,反復多次,直至制動器無雜質和鐵屑流出即可,在干燥通風的環(huán)境中自然晾曬,重新安裝加電測試,此方法可以最大限度的降低制動器機械故障概率。

4.4.2 制動器行程開關的維護

圖7 行程開關屬于密封性器件,從結構上看沒有維護的必要性,常開、常閉節(jié)點檢測不正常直接進行更換,行程開關的使用壽命比較長,本身發(fā)生故障的概率不大,但是行程開關上的行程觸頭是日常維護的重點。在制動器靜止狀態(tài),利用塞尺測量好機械頂桿與行程開關觸頭的間距,一般應保持在1.8 mm～2 mm 之間,每個季度測量一次,間距大于2 mm 需要進行調整和處理,一般的方式有兩種,其一是調整機械頂桿,直接快速,弊端是需要經(jīng)常調整,而且存在誤差,廠家出廠前就已將距離調整好,調整位置用油漆封死,一般不建議采取此種方式。其二是修補行程開關的頂桿觸頭,開關觸頭頂端為半圓的聚氯乙烯圖層,由于頻繁動作觸頭造成磨損,加大了頂桿與觸頭之間的距離,使行程開關失效。采取的方法是用502膠水反復涂抹觸頭,直至達到記錄間隙數(shù)據(jù),這樣可以有效避免行程開關不到位造成的控制聯(lián)鎖故障。

圖7 制動器行程開關

5 結論

轉動天線制動系統(tǒng)維護方法的探索可以不斷積累制動器的維護經(jīng)驗,詳細掌握制動器的結構,運行技術參數(shù),控制動作原理,在實際安全播出運行維護工作中提高故障分析判斷能力,減少故障發(fā)生概率,延長制動器的使用壽命,為轉動天線安全、可靠的運行,確保安全播出提供有力的保障。