抓斗卸船機起升重量保護裝置優化技術

李凱亮

（寧波港股份有限公司北侖礦石碼頭分公司，浙江 寧波 315000）

傳統抓斗式卸船機都設有起升重量保護裝置，其傳感器安裝在后大梁滑輪處，實時檢測支持、開閉兩根鋼絲繩所受負載數值是否超出安全設定值，從而保護卸船機及操作司機安全。但滑輪負載傳感器一般都采用偏心軸力臂式小型傳感器，雖然安裝方便、成本較低，但檢測波動較大，精度不高，經常誤報警或不報警，很難起到保護作用。

1 主要問題

偏心軸力臂式傳感器安裝如圖1 所示，正常運行時，后大梁滑輪受到鋼絲繩向左拉力，由于滑輪軸與支座軸有一定量的偏心距，在支座軸上會產生轉矩，該轉矩通過一個外伸力臂轉化到傳感器上的壓力，滑輪負載與傳感器負載關系為L傳感器×L力臂=F滑輪×L偏心距，其中，L力臂=800 mm，L偏心距=25 mm。

可得滑輪與傳感器感器負載關系為：

由上式可知傳感器端受力大小僅為鋼絲繩滑輪3%左右。

圖1 起升保護裝置安裝及機構圖（單位：mm）

雖然該檢測裝置將鋼絲繩滑輪大載荷通過力矩臂的方式轉化到小負載，但由于安裝精度、溫差變化、隨機振動等對力臂及傳感器影響，負載也會隨之增加。如何提高傳感器檢測精度是解決問題的關鍵所在。

2 方案選定

2.1 增加滑輪傳感器的數量

在前后大梁鋼絲繩滑輪都安裝傳感器，使前后大梁同時檢測。原來2 個傳感器只檢測2 根鋼絲繩的拉力，即抓斗一側的負載，當抓斗內物料分布均勻時檢測數據準確，平時作業時抓斗內物料擺放不均勻，檢測誤差較大。4 個傳感器可以避免由于抓斗內物料不均勻造成的前后滑輪組受力不同，檢測精度有所提高，但本質上無法解決力臂式傳感器誤差的影響。

2.2 滑輪銷軸式傳感器

將原滑輪普通銷軸更換為內置傳感器的銷軸，使傳感器直接檢測滑輪受力，檢測精度直接由傳感器精度而定，檢測精度較高[1]。但是該方案具有局限性，只能適用于獨立銷軸式滑輪，當兩個滑輪公用一根銷軸的時，檢測精度將會受到影響，而且該傳感器安裝更換較為困難，升級改造成本較高。

2.3 鋼絲繩滾筒轉矩

本方案與前兩方案思路不同，通過檢測鋼絲繩卷筒轉矩，從而計算出鋼絲繩上的拉力。起升電機通過減速箱驅動鋼絲繩卷筒，通過電機的變頻器實時轉矩參數、減速箱減速比及傳動效率、鋼絲繩卷筒直徑參數及矯正系數，計算出滾筒上鋼絲繩的拉力。該方案排除了遠端鋼絲繩抖動等問題，精度較高，且成本較低，優先考慮該方案。

3 滾筒上鋼絲繩拉力計算方法

直接檢測鋼絲繩滾筒轉矩難度較大，通過變頻器監控電機參數，結合差動減速箱傳動比及傳動效率，間接得出滾筒轉矩，結合砝碼設置矯正系數，最終得到鋼絲繩拉力，如圖2 所示。

圖2 鋼絲繩拉力計算流程

本項目以西門子電控系統的抓斗卸船機為例，首先建立PLC 與變頻器力矩信號通訊。在變頻器中，選擇電機力矩數值參數并記錄通訊字節位置，在對應PLC 讀取變頻器狀態字對應位置建立數據單元，即完成對應數據傳輸接口。

根據抓斗卸船機減速箱及滾筒機械圖紙，可得到起升機構齒輪傳動比、滾筒半徑。減速器主參數、齒輪分級參數分別如表1、表2 所示。鋼絲繩卷筒直徑如圖3 所示。

根據F鋼絲繩=T滾筒×r滾筒×φ修正系數=T電機×i傳動比×η傳動效率×r滾筒×φ修正系數，即可得F鋼絲繩=T電機×K系數，求得到關鍵系數K值，即可在程序實現檢測目的。

表1 減速器主參數

表2 齒輪分級參數

圖3 鋼絲繩卷筒直徑（單位：mm）

4 PLC 保護程序優化設計

在程序中設定好支持、開閉機構電機力矩數據地址，將力矩信號與得到的關鍵系數K相乘，可得到對應機構海陸側鋼絲繩拉力總和，支持、開閉機構拉力的和值即為起升重量負載值[2]。由于電機起升加速段轉矩較大，需要進行區分。正常額定負載狀態下，加速段時間為2.7 s，加速度1 m/s2，轉矩為額定轉矩的2 倍，設置加速段時間內超過3 倍負載并持續1 s 時判斷為超載或掛倉；勻速后在抓斗閉斗上升至漏斗上方前10 m 持續監測，由于該階段抓斗不進行拋物線甩斗動作，檢測精度較高；當負載超過1.1 倍并持續3 s 即為過載報警。小車水平移動及開閉斗階段不進行檢測。

5 結語

實際使用過程中，司機反映報警情況比之前較為合理，特別是一些有經驗的司機，可以通過目測估計抓斗是否超載，與報警情況相符。本項目還創新設計了起升重量檢測階段，把檢測范圍分段控制在加速階段及勻速直線上升階段，通過計算標定了各自的報警上限，過濾了其他檢測誤差較大報警較晚區域，報警更加優先合理。本項目主要采用現有軟件進行擴展編程，不需要采購增加硬件設備，其他電控系統卸船機也可借鑒。