一種四繩機械抓斗起重機鋼絲繩預緊的控制方法

趙麗媛 常中龍 李 力 張一然

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

隨著人們物質生活消費水平的提高，生活垃圾也愈加增多，對于垃圾的無污染處理亟需解決。目前，通過生活垃圾發電處理廠解決生活垃圾的無害利用問題。因此針對垃圾處理廠的工業配套設備也在不斷地增多，其核心設備垃圾抓斗起重機在生活垃圾處理方面也變得愈發重要。垃圾處理行業為24小時工作制，因此抓料設備的運行效率至關重要。針對目前四繩機械抓斗起重機運行效率低的問題，本文提出一種四繩抓斗起重機鋼絲繩預緊的控制方法，用以提高起重設備的運行效率。

1 四繩機械抓斗的結構及工作方式

上橫梁（含滑輪組）、下橫梁（含滑輪組）、拉桿和抓斗部為四繩機械抓斗的重要組成部分，并與起重機小車上帶有兩組卷筒的橋式起重機配合使用[1]。兩組卷筒分別為控制抓斗起升和控制抓斗開閉。如圖1所示，每組卷筒引出2根鋼絲繩，共4根鋼絲繩，其中2根鋼絲繩與抓斗頂部平衡粱連接，作為升降支持用；另外2根穿過抓斗頂部，與上橫梁與下橫梁的滑輪組連接，起抓斗開閉作用。

圖1 四繩機械抓斗

1.1 四繩機械抓斗的工作方式

1）抓料預備階段 升降鋼絲繩向上升提升抓斗，起升鋼絲繩受力；下橫梁鋼絲繩滑輪組下降，負責開閉抓斗鋼絲繩放松，抓斗打開。大小車運行至物料堆上方，此時抓斗的質量全部由起升鋼絲繩承受。

2）抓料進行階段 升降鋼絲繩下降放松，抓斗打開下落在物料上方，負責閉合的鋼絲繩開始起升，通過滑輪組帶動抓斗閉合以實現抓取物料。起升瞬間，閉合鋼絲繩單獨受力[2]，起升鋼絲繩處于松弛狀態，隨后開始逐漸收緊，負載的全部質量由起升鋼絲繩和閉合鋼絲繩共同承擔。

3）物料釋放階段 大小車及抓斗運行至卸料點上方。下降鋼絲繩及閉合鋼絲繩緩慢下降至卸料點位置，閉合鋼絲繩緩慢下降放松，抓斗隨之打開，物料釋放完畢。

2 四繩機械抓斗存在的問題

在抓料進行階段，為了提高抓料時的抓滿率，抓斗在下降時通常以較快的速度沖向物料，沉入物料內部，此時起升和開閉鋼絲繩處于完全松弛狀態。在四繩機械抓斗抓料閉合過程中，由于通常都是開閉電機先動作，帶動開閉鋼絲繩上升，升降鋼絲繩保持靜止，形成抓斗閉合動作。伴隨著閉斗動作的完成，開閉鋼絲繩繃緊逐漸上升受力，而升降鋼絲繩仍處于松弛狀態。取料完畢準備上升時，通常需要人工先調整升降鋼絲繩與開閉鋼絲繩同步緊繃平衡后再上升。或在上升的過程中，起升鋼絲繩加速去追趕開閉鋼絲繩，達到同步受力平衡后再保持速度一致。上述無論哪種方式，都將降低抓斗提升的工作效率，增加了操作的復雜程度，降低鋼絲繩的使用壽命。

本文提出一種針對四繩機械抓斗在抓料時開閉鋼絲繩上升過程中，同步預緊升降鋼絲繩的控制方法，使抓斗在閉合完畢時，升降鋼絲繩與開閉鋼絲繩均能保持繃緊狀態，同步受力均勻。

3 四繩機械抓斗預緊控制方法

四繩抓斗一般為物料的搬運吊具，可配備不同形式的抓斗起重機。由于生產效率的不同導致抓斗起重機設置的速度不同，其內部的控制系統也不同。四繩抓斗起重機由2臺變頻器控制，分別為負責起升鋼絲繩的變頻器和負責開閉鋼絲繩的變頻器[3]。本文設計一種四繩機械抓斗起重機抓料時鋼絲繩預緊的控制方法。主要解決常規四繩機械抓斗在抓料閉合時，升降鋼絲繩與開閉鋼絲繩不能自動保持同步繃緊狀態，導致升降、閉合機構工作效率低，操作較為復雜，鋼絲繩受力不均、使用壽命短等問題。

該方法中涉及的控制核心內容包括兩大主要系統：抓斗狀態檢測系統、抓斗開閉和升降控制驅動系統。抓斗狀態檢測系統主要功能為檢測抓斗實時質量信號，并將相關信號數據發送給控制驅動系統，用以判斷抓斗是否已經落在物料表面。該檢測系統是以安裝在起重機小車機構上的質量傳感器（見圖2），以及變送器、無線收發裝置為核心器件，將檢測到的質量信號經無線收發裝置傳輸給中央可編程控制器PLC，通過質量值來判斷抓斗是否處于落料狀態。

圖2 重量傳感器布置圖

起重機抓斗開閉和升降控制驅動系統是以PLC中央控制器為核心控制器件，以旋轉編碼器為位置檢測元件，以開閉變頻器和升降變頻器為調速裝置[4]，用Profibus現場總線將PLC與兩臺調速變頻器連接成控制驅動網絡，以開閉電機和升降電機為開閉鋼絲繩和升降鋼絲繩的驅動裝置組成控制驅動系統（見圖3）。PLC通過接收抓斗狀態檢測系統發送過來的質量信號并轉換為相關數據，通過PLC程序控制變頻器來驅動電機執行相關的動作。

圖3 控制驅動系統圖

鋼絲繩預緊控制方法是通過抓斗狀態檢測系統提供的質量信號來判斷抓斗是否已經落在物料上處于取料狀態，當PLC程序判斷抓斗確實落在物料上并開始取料時，起重機抓斗開閉和升降控制驅動系統的PLC在抓斗抓料閉合的過程中會通過升降變頻器自動給升降驅動電機分配一個小轉矩，使升降鋼絲繩緩慢上升并保持預緊狀態。當抓斗取料完畢后，開閉電機與升降電機同步上升時，開閉鋼絲繩與升降鋼絲繩將基本保持同步，受力均勻。

此控制方法可有效提高起重機工作效率，優化鋼絲繩工作狀態，大幅提高鋼絲繩使用壽命。結構簡單，易于實現，具有良好的通用性，適用于目前大多數的四繩機械抓斗起重機。

4 總結

本文通過對四繩抓斗起重機的抓斗機構及運行原理的分析，提出其運行效率低的可能原因，并提出一種鋼絲繩預緊的方法。該方法采用PLC及變頻器控制的方法，對開閉電機及升降電機進行協調控制，實現當抓斗取料完畢后，開閉電機與升降電機同步上升時，開閉鋼絲繩與升降鋼絲繩將基本保持同步，受力均勻。避免在抓料時，升降鋼絲繩處于松弛狀態，在上升的過程中，起升鋼絲繩無需加速去追趕開閉鋼絲繩，節省了時間，進而提升了四繩抓斗搬運物料的運行效率。