技術創新舉重若輕—起重機械最新技術亮相河南長垣

文|崔榮峰 河南起重機器有限公司

聶福全 衛華集團有限公司

技術創新舉重若輕—起重機械最新技術亮相河南長垣

文|崔榮峰 河南起重機器有限公司

聶福全 衛華集團有限公司

在首屆長垣國際起重裝備展覽會上展出了國內眾多企業推出的新產品樣機，其中一些技術具有世界首創、國際領先水平，如無齒輪起重機技術、電器防搖擺技術等。上述技術的應用對于實現起重機械輕量化設計、節能減排綠色設計及綠色制造技術的目標達成有著重要的意義和作用。

無齒輪起重機技術增效益

20世紀30年代歐美等先進制造業國家開始研究“無齒輪起重機”技術，由于沒有減速機，起重機的傳動裝置得到簡化，重量和體積得到大幅度減小。借助于PLC、變頻器等現代智能控制系統，實現電機驅動大扭矩、低轉速的特點。但由于電機技術的難度及起重機械使用的特殊性，一直未在起重設備上實際應用。展會上，江西工埠機械有限責任公司展出了世界首臺實用化的無齒輪起重機。該起重機顛覆了起重機械傳統的設計理念，消除了傳統起重機長期以來存在的漏油、噪聲大、斷齒、斷軸、效率低等現象，充分體現了節能節材、安全環保、智能控制等多種卓越性能，最大承重可達1 000t，最小可適合100kg。

該起重機核心技術是大扭矩、低轉速永磁電機及控制系統的研究、與起重機械適配性的研究、安全控制系統的研究、電器控制系統的研究等方面。直接技術體現為采用自主研制的低轉速、大扭矩、細長型永磁電機，設計的適合橋門式起重機工作特點的新型無齒輪驅動裝置。起重機的卷筒永磁電機的外轉子，在智能控制系統的指令下，通過電流和磁場的作用，直接產生低轉速、大扭矩，使卷筒負載運轉。該技術打破了我國將電機作為通用機械設備的設計和制造的傳統觀念，采用了電子、電氣、機械一體化傳動系統的設計和制造方案，將機械裝備的性能水平從以機械特征為主轉變為以電氣性能為主。在設計上體現了系統一體化最優。該類永磁同步無齒輪傳動裝置具有額定功率低、體積小、噪聲低、無潤滑油污染、使用壽命提高、可以實現遠程維護等特點。與國外同類技術產品相比，電機的最低恒轉矩頻率降至0.2Hz，是國際先進水平電機（2Hz）的1/10。

無齒輪起重機

在控制系統上，采用了毫米級的智能控制技術。可以實現多個行車同步運行，多臺小車、多個吊點同步起吊，無論是遠程控制或預先設定動作，都能實現精準操作。此外，還具有超載保護、糾錯保護、抗疲勞保護，低噪聲、節電、免維護等多種優良性能。

在安全控制上，采用了多冗余控制方法，即電機一級制動加卷筒盤式制動器二級制動的方式。其中電機制動采用了全新的制動技術，即使在制動器完全失靈同時又斷電的極端情況下，也能保證吊起重物不會失速下滑，迅速使下降速度減到小于額定下降速度，使吊物平穩落地，從而避免安全事故的發生。

沒有減速機可使起重機體積和重量大幅度降低。以32t起重機提升機構為例，傳統提升機構自重5.23t、體積1.39m3，而GBM無齒輪提升機構重量只有2.56t、減少51%，體積0.57m3、減少59%，使用鋼材節省20%以上。如國內起重機全部使用先進的無齒輪提升機構，可節約大量鋼材。同時因起重機高度降低，以DQ200t/25m跨度吊鉤橋式無齒輪起重機為例，整機大車軌道到小車頂部高度2.26m，比傳統起重機4.86m降低2.6m，即采用無齒輪起重機后，工房建設高度可降低2.6m。按照建設一座4 000m2的廠房計算，僅降低工房高度和載重量減小就可節省建設資金260萬元，相當于同樣提升重量普通起重機價格的120%。因此使用無齒輪起重機的效益巨大。

該無齒輪起重機造價僅為國際同類產品的一半以下，和國內普通起重機相比，造價也僅為80%，具有十分明顯的競爭優勢。同時無齒輪起重機的核心部件—無齒輪驅動裝置還可以廣泛用于電梯、起重、礦山、船舶、發電、海上重工、石油、航空等行業。對我國起重機行業轉型升級和技術創新，有著積極的引領和示范作用。

精確定位及防搖擺技術等自動化技術提效率

起重機在搬運物料達到目標位置時，由于受大車及小車加減速的影響，載荷會出現搖擺現象。過大的載荷搖擺對貴重的載荷以及現場作業人員的人身安全造成威脅。當載荷搖擺時，卸載作業就不能進行。近20年來，先后開發并應用了電氣防搖擺控制技術的公司有Innocrane（芬蘭），SmartCrane（美國），CePlus（德國）、ABB和SEOHO（韓國）等，但其防搖擺技術在起重機械行業沒有得到廣泛的應用。因此當需要起重機精確定位作業時，只有依靠熟練的操作，嚴重影響了生產效率，且不利于自動化物料搬運作業的實現。

基于此，國內起重機行業的一些龍頭企業如衛華集團等，先后投入大量人財物資源進行起重機電器精確定位和防搖擺技術的開發，目前已取得了顯著效果并廣泛應用于各行業的起重機物料搬運自動化應用領域。衛華集團已取得該技術發明專利，技術處于國際領先水平。衛華集團展出的一臺具有上述技術的樣機有以下特點。

（1）全新的起重機電氣防搖擺控制理論和方法

在實際起重機應用中，由于成本、安裝、維護及其他技術因素的限制，要實現載荷搖擺角的精確測量及反饋非常困難，因而需要測量載荷搖擺角的閉環反饋控制方法不適用于起重機電氣防搖擺控制系統。該技術采用了簡單實用、易于推廣的開環控制方案。圖1所示為采用開環控制方案的起重機電氣防搖擺控制系統的示意圖。

圖1 防搖擺控制系統示意圖

該技術因按照不同的起重機有不同的穿繩方法、不同的固定支點、不同的吊具設計，故起重機載荷有不同的搖擺特性的特點。把簡單單擺的理想搖擺特性同起重機載荷的實際搖擺情況綜合起來，建立了高度貼近起重機載荷實際搖擺特性的數學模型，提高防搖擺控制精度和控制效果。

（2）將精確定位與防搖擺技術有效結合

起重機的基本任務是要把載荷搬運到目標位置，對于由剛性機械驅動的載荷，早已有成熟的自動定位控制方法和技術。但對于由柔性鋼絲繩懸吊的起重機載荷，其自動定位控制必須在有效的防搖擺控制的基礎上進一步開發研究出來。起重機載荷的防搖擺自動定位控制問題不是防搖擺控制和自動定位控制兩個問題的簡單組合，而是一個綜合在一起、難度更大的控制問題，因此通過各種新型算法和智能控制技術將兩種技術進行了有效的結合，確保“起重自動化”的實現。

（3）經濟實用的起重機電氣防搖擺自動定位控制系統

采用常規的PLC、變頻器及普通電機的控制方案，如圖2所示，以PLC作為控制器，采用位置速度雙變量反饋控制方法，實現起重機的防搖擺自動定位控制。防搖擺自動定位控制系統在控制執行機構運行時，不需要生成執行機構的運行軌跡，而只需計算輸出運行機構即時的目標速度，通過變頻器和電機的驅動，控制執行機構運行。該技術要用PLC控制程序來實現起重機防搖擺自動定位控制理論和方法，并由PLC計算輸出運行機構的目標速度，使運行機構在停止的同時能滿足以下兩個控制要求：一是精確地到達指定的目標位置；二是起重機載荷不搖擺。

圖2 防搖擺自動定位控制系統

由于該項技術具有極大的實用意義和較好的應用效果，目前已廣泛應用于航空航天、冶金、船舶等眾多行業對自動化程度或物料搬運精度有較高要求的高精度智能起重機上。經檢測，采用該技術的起重機載荷搖擺幅度減少超過95%以上，自動定位的控制精度達到5mm以內，消除等待載荷停止搖擺的時間，提高了起重機的工作效率，使起重機轉變成為“起重機器人”，實現物料搬運全自動控制，提高起重機的使用工作效率。圖3所示為應用該技術的鋼管自動分配起重機原理示意圖。

圖3 鋼管自動分配起重機原理示意

起重機輕量化技術降事故

我國現有起重機在整體重量、技術性能等方面與新型起重機相比存在很大差距，進行起重機輕量化設計研究和推廣應用將使起重機制造直接經濟效益達到50億元左右，由于節能減排降低廠房結構設計、運輸、原材料、能耗的二次經濟效益年可達200億元左右，因此起重機輕量化設計和制造有著極其重要的意義。本次展會上紐科倫（新鄉）起重機、新科起重機等企業均推出了自己的輕量化產品，其中紐科倫（新鄉）起重機推出的ND型標準起重機具有一定代表性，該技術充分利用了現代化的加工手段及先進的設備、模塊化的設計思想，保證了部件互換性及產品的質量。按安裝形式可分為低建筑單軌小車式（ND型，適用于單軌或電動單梁起重機）、雙軌小車式（NDS型，適用于雙梁起重機）和固定式。運行速度為2～20m/ min無級變頻調速，標準起升速度為5～0.8m/min，也可選用變頻調速，電動葫蘆啟、制動平穩，吊運物擺動小，定位精確，操作性能大大改善。ND型電動葫蘆總體布局為并聯C型結構，即卷筒裝置通過減速機與電機平行布置，使葫蘆的長度和極限尺寸小，結構緊湊，受力位置好，對電機減速機的安裝維護都很方便。ND型電動葫蘆采用獨特的反滾輪設計，起到了有效的平衡作用，取消了笨重的配重塊，減小了外形尺寸，降低了葫蘆自重。

ND型電動葫蘆采用超載限制、失壓保護、錯相保護、精密上下限位、使用次數累積計數、運行信息、狀態信息和故障信息適時存儲，使新系列更具安全可靠性，可實行有效的運行狀態監控、維修保養信息顯示、預防性診斷、故障自動識別和使用壽命預測，大大減小或消除事故發生可能性。

ND型起重機

全自動冶金上料起重機

全自動專用起重機研發技術破壟斷

衛華集團展示的用于不銹鋼冶煉的全自動上料起重機，具有在規定時間無人監控的情況下，通過程序控制完成整個工藝要求的上料過程。打破了國外起重機在該行業的壟斷，填補了國內起重機制造業的一項空白，在國內首次將起重機的控制無縫鏈接到自動化冶煉生產線中，整機采用中控室集中控制，具有高精度、全自動運行特點，實現無人控制自動工作。起重機自動上料、智能分辨料倉盈虧分料。通過電氣和機械復合防搖擺技術，有效解決了起重機啟動初始搖擺和運行過程搖擺。

為實現全自動運行控制過程的精確定位問題，通過研發位置編碼系統和絕對值編碼器相結合，實現動態三維坐標實時檢測，研發的“一種起重機精確自動定位控制系統”，使起重機定位精度誤差由人工操作的100～200mm，降低到大、小車運行±3mm，起升±5mm，可完全滿足起重機自動化運行時定位精度需要，并且提高生產效率3～4倍。