基于PLC的集裝箱橋式起重機(jī)防陣風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為應(yīng)對沿海地區(qū)集裝箱橋式起重機(jī)防陣風(fēng)改造需求，本文基于PLC系統(tǒng)，使用夾輪器作為具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，風(fēng)速儀作為輸入傳感器，提供了防陣風(fēng)系統(tǒng)改造案例。本文的設(shè)計(jì)可以為有需求的岸橋防陣風(fēng)改造提供具體的實(shí)現(xiàn)路徑及參考。

Abstract： In order to meet the needs of anti-typhoon reconstruction of container bridge cranes in coastal areas， this paper， based on the PLC system， uses the wheel clamp as the specific actuator and the anemometer as the input sensor to provide a case of anti-typhoon system reconstruction. The design of this paper can provide the concrete realization path and reference for the required bank bridge anti-typhoon reconstruction.

關(guān)鍵詞：夾輪器;防陣風(fēng)系統(tǒng);PLC

Key words： wheel clamp;anti-typhoon system;PLC

0 ?引言

軌道式集裝箱橋式起重機(jī)因其運(yùn)行可靠、使用便捷，載重量大，被大量應(yīng)用于沿海港口。作為應(yīng)用于陣風(fēng)高頻發(fā)生區(qū)域的高空特種設(shè)備，隨其大量使用帶來的是起重機(jī)防陣風(fēng)問題。為了降低港口起重機(jī)在遭遇陣風(fēng)時(shí)的損失，已有諸多學(xué)者、專家研究和思考解決方法。比如文獻(xiàn)[1]研究了一種電液輪邊制動器，文獻(xiàn)[2]研究了一種電子機(jī)械式輪邊制動器，文獻(xiàn)[3]研究了作為防風(fēng)裝置使用的一種防風(fēng)鐵楔，文獻(xiàn)[4]比較了各種防風(fēng)裝置的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[5]研究了港口起重機(jī)械防風(fēng)性能檢驗(yàn)防風(fēng)，文獻(xiàn)[6]研究了對制動裝置和防風(fēng)裝置的要求，文獻(xiàn)[7]提出了門座式起重機(jī)防風(fēng)性能評估方法研究。這些文獻(xiàn)都從各自角度闡述了防風(fēng)裝置的使用及相關(guān)原理。但是，目前大部分的文獻(xiàn)對于實(shí)際生產(chǎn)中所需要的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹較少。為此，本文特提出一種基于PLC的集裝箱橋式起重機(jī)防陣風(fēng)系統(tǒng)，介紹其具體實(shí)現(xiàn)過程。

1 ?抗陣風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

遭遇陣風(fēng)時(shí)，軌道式橋式起重機(jī)常見的事故有：滑移、側(cè)翻、脫軌等等。為了應(yīng)對這些問題，主要提出的措施有使用采用夾軌器、頂軌器、防風(fēng)鐵楔、夾輪器、錨定裝置等等。其中夾輪器利用設(shè)備自重在車輪與軌道之間產(chǎn)生摩擦抗風(fēng)阻力，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)制動，動態(tài)制動，且具有安裝方便，動作迅速，制動可靠等優(yōu)點(diǎn)。以45T40M式軌道式橋式起重機(jī)為例，本文主要采用起重機(jī)自帶制動器及夾輪器作為實(shí)現(xiàn)抗陣風(fēng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。

夾輪器為常閉式制動機(jī)構(gòu)，失電時(shí)在彈簧力作用下抱死行走輪，得電時(shí)在液壓缸作用下克服彈簧力打開制動襯墊。夾輪器液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 ?受力計(jì)算及設(shè)計(jì)要求

2.1 設(shè)計(jì)要求

要求起重機(jī)在大車運(yùn)行速度45m/min時(shí)，最大迎風(fēng)面積上受到35m/s平行陣風(fēng)同向推動，能在6s內(nèi)停車。

2.2 計(jì)算參數(shù)

本文涉及的防風(fēng)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.3 夾輪器需求數(shù)量

設(shè)夾輪器需求數(shù)量為N，則N可以由下列公式進(jìn)行計(jì)算（忽略坡道阻力及機(jī)械部件滾動阻力）：

N=Fz1/（μFn1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，F(xiàn)z1為需要夾輪器提供的總阻力，μ為滾輪與鋼軌之間的滑動摩擦系數(shù)，取0.12，F(xiàn)n1為平均輪壓，整機(jī)滿載質(zhì)量為765噸，主從動輪共計(jì)32個，平均輪壓Fn1=239.06kN。

Fz1可以由公式（2）計(jì)算得到：

Fz1=Fw+Fa-Fz2 ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，

Fz2為主動輪的制動阻力，F(xiàn)z2=（16×270×16.8×2）/0.63=230.4kN;

Fa為減速力，F(xiàn)a=ma=76.5×0.125×1000×10=95.625kN;

Fw為風(fēng)載荷，可以由Fw=CtAp[8]計(jì)算得到，Ct為風(fēng)力系數(shù)取1.3，p為計(jì)算風(fēng)壓，p=0.613v2，v為風(fēng)速，A為迎風(fēng)面積。可得Fw=0.613×1.3×461×352=450kN;

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入（1）（2）可得Fz1=315.225kN，N=10.9，取1.25倍安全系數(shù)，令N0=14作為最終的夾輪器個數(shù)。

2.4 夾輪器防滑計(jì)算

設(shè)車輪打滑臨界阻力為Ff1，則Ff1=μFn1=28.687kN，因此為保證夾輪器能抱死輪胎，需要夾輪器提供的制動力Fj1>28.687×0.315/0.31即Fj1>29.15kN，取夾輪器制動力為40kN，已經(jīng)足夠滿足需求。

2.5 最大靜態(tài)風(fēng)載計(jì)算

起重機(jī)靜態(tài)下主動輪和夾輪器都處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)需要克服主動輪的制動阻力以及帶夾輪器輪子的滑動摩擦力。忽略滾動阻力，設(shè)主動輪和夾輪器所能產(chǎn)生的最大抗風(fēng)阻力為Fz3，則Fz3=Fz1′+Fz2=（14×0.12×239.06）+230.4=632.02kN，此時(shí)能克服的風(fēng)載為632.02kN，對應(yīng)的風(fēng)速為41.47m/s。

3 ?防陣風(fēng)電氣系統(tǒng)組成

3.1 風(fēng)速儀的選型及參數(shù)

因需要測量的風(fēng)速范圍寬，對可靠性要求高，本文選取葉輪式風(fēng)速儀作為風(fēng)速傳感器。

3.2 PLC選型及參數(shù)

為便于維護(hù)保養(yǎng)及快速安裝調(diào)試，選用PLC控制單元為FX3U64MR在海陸兩側(cè)各增加一個控制柜，柜內(nèi)配有獨(dú)立于岸橋的PLC控制系統(tǒng)，分別用于控制一側(cè)的夾輪器。

4 ?控制設(shè)計(jì)及控制程序

4.1 控制設(shè)計(jì)

將風(fēng)速儀、夾輪器、液壓站及其它大車指令作為輸入信號傳遞到PLC控制器中，再通過PLC控制夾輪器及風(fēng)速報(bào)警儀作為輸出裝置。

當(dāng)風(fēng)速儀速度超過13.9m/s（對應(yīng)風(fēng)力7級）時(shí)，PLC系統(tǒng)命令2位四通換向閥泄壓，夾輪器抱死，實(shí)現(xiàn)自動防陣風(fēng)。

當(dāng)大車啟動時(shí)，夾輪器延時(shí)啟動。

當(dāng)大車驅(qū)動器零速信號超過1分鐘，夾輪器關(guān)閉。

4.2 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

5 ?結(jié)語

本文提出了基于PLC控制，利用夾輪器作為執(zhí)行元件的大型集裝箱起重機(jī)防陣風(fēng)系統(tǒng)。本文的設(shè)計(jì)可以為沿海港口陣風(fēng)高發(fā)區(qū)域的起重機(jī)防陣風(fēng)改造提供具體的技術(shù)參考，為后續(xù)起重機(jī)防陣風(fēng)領(lǐng)域更高級的研究提供較好的啟發(fā)。

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作者簡介：吳志婉（1983-），女，福建廈門人，本科，中級工程師，主要從事港口設(shè)備、設(shè)施改造項(xiàng)目管理，負(fù)責(zé)港口能源體系工作。