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摘要：基于系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，給出了寬厚鋼板電磁起重系統(tǒng)的組成原理，介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與單元設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；重點(diǎn)論述了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的約束條件、總體布局設(shè)計(jì)原則及其采取的措施、耐高溫專(zhuān)用線(xiàn)性電磁鐵的設(shè)計(jì)思路和電控子系統(tǒng)的工作原理；特別是在電磁起重技術(shù)領(lǐng)域引人了精確調(diào)磁的概念，并付諸于設(shè)計(jì)實(shí)踐中；同時(shí)給出了一個(gè)總體分布實(shí)例及其電磁鐵的設(shè)計(jì)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電磁鐵；起重技術(shù)；寬厚板

寬厚鋼板在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中具有極為重要的地位；然而，在寬厚板起重技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，我國(guó)還處在起步階段川。為滿(mǎn)足某特大工程項(xiàng)目的需要，基于系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，作者對(duì)寬厚板起重系統(tǒng)的技術(shù)方案進(jìn)行了較深人研究，并研制了寬厚板電磁起重系統(tǒng)的樣機(jī)。

寬厚板的特點(diǎn)是大而重。如外形尺寸13000mmx4900mmx50mm的鋼板，其重量達(dá)25t。一般的鋼材吊運(yùn)，通常采用一個(gè)或幾個(gè)電磁鐵進(jìn)行起重。但對(duì)寬厚板而言，需要幾十個(gè)起重單元協(xié)同工作，而不是一堆電磁鐵的簡(jiǎn)單組合，由此給電磁起重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列特殊問(wèn)題，如電磁鐵的布局合理性，成組電磁鐵的選擇與協(xié)同工作，需滿(mǎn)足不同被吊物的磁力調(diào)節(jié)，系統(tǒng)安全防護(hù)與故障診斷，等等。作者就此進(jìn)行了闡述。

1系統(tǒng)組成

起重電磁鐵是以被吸物作為銜鐵的一種直流電磁鐵。將n臺(tái)電磁鐵通過(guò)電控系統(tǒng)有機(jī)地組合在一起，便形成了電磁起重系統(tǒng)。電磁起重系統(tǒng)的工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，工作時(shí)根據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)的指令，電控系統(tǒng)控制全部或部分電磁鐵協(xié)同工作，達(dá)到吸放鋼板的目的。

電磁起重系統(tǒng)由電磁鐵、電控子系統(tǒng)和機(jī)械組件構(gòu)成，如圖1所示。電控主電路由plc主控單元、變壓器、可控整流模塊和接觸器組成。plc主控單元通過(guò)控制可控整流模塊實(shí)現(xiàn)電磁鐵調(diào)磁，而各吸盤(pán)通斷電選擇由plc控制接觸器實(shí)現(xiàn)。由這些主電路構(gòu)成調(diào)磁保磁控制屏和自動(dòng)充電屏，加上免維護(hù)蓄電池組，構(gòu)成了三位一體的電控子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)切換、互為備用，能實(shí)現(xiàn)恒充、浮充、自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)調(diào)整。

圖1電磁起重系統(tǒng)的組成

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束條件

電磁起重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)和單元設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)包括目標(biāo)分析與分解、總體布局設(shè)計(jì)、電控原理確定等；單元設(shè)計(jì)包括機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電磁鐵的設(shè)計(jì)、電控單元設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)電磁起重系統(tǒng)時(shí)，除了滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求外，應(yīng)重點(diǎn)考慮下述約束條件。

1)被吊物方面：①滿(mǎn)足最大載荷要求(即電磁鐵負(fù)載滿(mǎn)足要求)；②鋼板的最大、最小外形尺寸：長(zhǎng)x寬x厚；③鋼板的材質(zhì)(不同的材質(zhì)，其導(dǎo)磁率和飽和磁密不同影響吸力)；④鋼板的溫度(影響鋼材的導(dǎo)磁率及飽和磁密，鋼板的撓度增大)；⑤鋼板的撓度；⑥鋼板的表面質(zhì)量、氧化層厚度。

2)起重系統(tǒng)本身：①電磁鐵的自重；②安全系數(shù)>2；③通電持續(xù)率60%；④系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間(吸放時(shí)間)<3s；⑤電磁鐵內(nèi)部溫升問(wèn)題；⑥吊運(yùn)偏心問(wèn)題(對(duì)正問(wèn)題)<10%；⑦成組電磁鐵的共平面問(wèn)題；⑧長(zhǎng)短掛梁的共用電控問(wèn)題；⑨與掛梁的接口；⑩電控系統(tǒng)內(nèi)部干擾問(wèn)題；@長(zhǎng)掛梁的伸縮問(wèn)題；⑩起吊加速度及擾度突出邊的動(dòng)態(tài)壓力問(wèn)題。

3)環(huán)境方面：①環(huán)境溫度；②外界干擾等。

4)其他方面：①突然斷電、整流器故障；②某一個(gè)電磁鐵出現(xiàn)故障，等。

3電磁鐵總體布局的原則

根據(jù)被吊鋼板的參數(shù)確定電磁鐵的總體布局，基本原則是：用最少的電磁鐵個(gè)數(shù)，安全可靠地滿(mǎn)足起重要求，并確保板材的變形量最小。為此電磁鐵總體布局設(shè)計(jì)從下述3方面展開(kāi)：①進(jìn)行力學(xué)分析。對(duì)薄板而言，電磁鐵的分布適宜布置在長(zhǎng)板材的“愛(ài)里”點(diǎn)上；對(duì)厚板而言，電磁鐵布置必須滿(mǎn)足在布置間隔內(nèi)對(duì)最重板的吸力要求。②分析國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的參數(shù)，如意大利tecnomagnete公司、德國(guó)walker公司和美國(guó)stanver公司的寬厚板電磁起重系統(tǒng)等。③用常規(guī)電磁鐵作板材吸吊實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)臉找出板材變形量與電磁鐵分布間的規(guī)律。

綜合上述3方面的結(jié)果，同時(shí)考慮到板材規(guī)格的變化，進(jìn)而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對(duì)鋼板(尺寸為：厚度5-50mm、寬度1。3^4。9m、長(zhǎng)度6。0-45。0m)的起吊，當(dāng)長(zhǎng)短掛梁凈起重量均為26t，其電磁鐵的總體分布如圖2所示，共采用17個(gè)電磁鐵。

圖2電磁鐵的總體分布

綜合上述3方面的結(jié)果，同時(shí)考慮到板材規(guī)格的變化，進(jìn)而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對(duì)鋼板(尺寸為：厚度5-50mm、寬度1.3^4.9m、長(zhǎng)度6.0-45.0m)的起吊，當(dāng)長(zhǎng)短掛梁凈起重量均為26t，其電磁鐵的總體分布如圖2所示，共采用17個(gè)電磁鐵。

4電磁鐵的設(shè)計(jì)

1)專(zhuān)用電磁鐵設(shè)計(jì)寬厚板的起重通常以單張進(jìn)行。由于常規(guī)電磁鐵的磁力特性是強(qiáng)烈非線(xiàn)性的[2]要從一疊鋼板中可靠地吸吊起單張鋼板，采用常規(guī)電磁鐵是不適宜的，為此需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用電磁鐵。

額定載荷p的確定

p=wmax/n(1)

式中：wmax為被吊鋼板的最大重量；n為電磁鐵的個(gè)數(shù)。

安全系數(shù)k的確定

k=f/p(2)

式中f為單個(gè)電磁鐵的電磁力。

電磁力f的計(jì)算(3]

f=b2a/(2μ0)(3)

式中：f為電磁力(n)；b為工作氣隙處的磁通密度(t)；a為有效吸附面積(m2)；μ0為真空中的磁導(dǎo)率(4πx10-7h/m)。

根據(jù)式(1),(2)，安全系數(shù)取2.5，就可以確定最大電磁力。根據(jù)式(3)，合理選擇b值，就能確定a值，這樣就對(duì)應(yīng)確定了線(xiàn)圈芯的截面尺寸。

為確保電磁鐵在高溫下能正常工作，對(duì)電磁鐵進(jìn)行了耐高溫設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于既要把內(nèi)部線(xiàn)圈產(chǎn)生的電阻熱散發(fā)出去，又要阻止外部鋼板的熱量傳進(jìn)來(lái)。所采取的措施有：采用耐高溫的電磁線(xiàn)；增加導(dǎo)熱絕緣層和外部傳導(dǎo)熱阻斷層；采用防輻射隔熱層；加大散熱面積并設(shè)計(jì)了外部散熱風(fēng)道。

鑒于每次只吊運(yùn)單張鋼板，而鋼板規(guī)格的變化范圍很大，針對(duì)不同厚度的鋼板，電磁鐵需要輸出不同的電磁力，因此需要對(duì)電磁鐵進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)磁。為此，提出了“精確調(diào)磁”的概念，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)精確調(diào)磁，對(duì)電磁鐵而言，其關(guān)鍵是在保證足夠透磁深度的情況下，電磁鐵的磁力曲線(xiàn)fii要有較寬的線(xiàn)性范圍[4]。對(duì)應(yīng)圖2所示鋼板，滿(mǎn)足鋼板溫度t=600℃條件下，所設(shè)計(jì)的專(zhuān)用電磁鐵采用多個(gè)線(xiàn)圈，全密封焊接式長(zhǎng)方體鋼板結(jié)構(gòu)，基本參數(shù)為：外形尺寸2700mmx240mmx320mm、額定起重量6.5t、安全系數(shù)k>2.5、工作電壓為直流dc220v、防護(hù)等級(jí)ip54。這種電磁鐵透磁深度相對(duì)較淺、線(xiàn)性好、重量輕、功率小。

2)電磁鐵性能一致性為確保精確調(diào)磁、準(zhǔn)確吸吊對(duì)應(yīng)的鋼板，要求成組電磁鐵之間性能具有高度的一致性。對(duì)同一臺(tái)吊車(chē)所用的電磁鐵，經(jīng)分析其電磁性能一致性要求為98%。

3)電磁鐵吊掛高度一致性電磁鐵與掛梁的聯(lián)接采用鏈條聯(lián)接方式。對(duì)成組電磁鐵的基本要求是：保證磁極的底平面處在同一平面內(nèi)。這個(gè)問(wèn)題在厚板起吊中是個(gè)貌似簡(jiǎn)單卻十分重要的問(wèn)題。由于厚鋼板是平直不易變形的，如果磁極工作面參差不齊，不在同一水平面上，則必將造成舉高較低的電磁鐵相當(dāng)于“下沉”，不但不產(chǎn)生吸力，而且將“壓”在被吸鋼板上，形成“負(fù)吸力”。這樣一來(lái)，總的吸力明顯降低。為此采取措施：①電磁鐵裝配完成后，對(duì)磁極底面進(jìn)行精加工，確保每個(gè)電磁鐵的底平面平整；②為保證電磁鐵的吊掛高度一致，采用高度可調(diào)的懸掛裝置，該裝置系螺栓式機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安裝時(shí)，對(duì)成組吸盤(pán)進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，盡可能使成組電磁鐵的底平面在同一水平面里。

5電控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)工作原理系統(tǒng)的程序控制采用西門(mén)子s7-200plc主控單元(cpu226)。cpu226通過(guò)dp接口模塊em277接到profibus總線(xiàn)，與行車(chē)主plc通訊。人機(jī)界面采用254mm觸摸屏，采用simaticprotool組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，各控制功能在觸摸屏上顯示為菜單，只需簡(jiǎn)單觸摸，即可完成控制；觸摸屏通過(guò)通訊電纜聯(lián)接到cpu226的mpi接口。為確保控制系統(tǒng)在掉電時(shí)保持正常工作，系統(tǒng)的程序控制部分采用ups不間斷電源供電。

調(diào)磁系統(tǒng)采用智能三相全控整流模塊，將主電路與觸發(fā)電路集成為一體。系統(tǒng)設(shè)有電壓傳感器和電流傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊輸出電壓、電流，電壓傳感器和電流傳感器輸出通過(guò)a/d模塊讀人plc。plc將整流模塊輸出電流值與給定電流值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整d/a輸出。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)工作電流閉環(huán)控制，控制精度高，確保電磁鐵的吸力穩(wěn)定，從而保證按設(shè)定方式吊運(yùn)。調(diào)磁系統(tǒng)為邏輯無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)，充磁時(shí)正組可控硅導(dǎo)通，電能正向饋人電磁鐵；退磁時(shí)plc首先控制正組整流模塊移相至逆變狀態(tài)，將電磁鐵能量大部份回饋到電網(wǎng)；plc檢測(cè)電流值為0時(shí)，確認(rèn)正組整流模塊關(guān)斷，再觸發(fā)導(dǎo)通反組整流模塊，對(duì)電磁鐵反向去磁。系統(tǒng)取消了外接電阻器強(qiáng)制去磁的方式，充磁退磁快，退磁效果好，實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)控制。

2)電磁鐵選擇控制plc的輸出通過(guò)接觸器控制各電磁鐵通斷電，每個(gè)電磁鐵分3段控制，并對(duì)各電磁鐵的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障立即報(bào)警。由于調(diào)流模塊僅在吊運(yùn)時(shí)輸出電流，所有接觸器都可以在主電路無(wú)電時(shí)由plc控制其通斷，接觸器觸點(diǎn)不易損壞，使用壽命長(zhǎng)。

3)停電保磁系統(tǒng)采用免維護(hù)蓄電池作為備用電源，由自動(dòng)充電屏對(duì)電池自動(dòng)恒充、浮充，也可通過(guò)按鈕手動(dòng)控制主充、浮充。自動(dòng)充電屏對(duì)電池欠電壓、過(guò)電壓自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)浮充主充自動(dòng)切換，并對(duì)電池定期活化放電。自動(dòng)充電屏能自動(dòng)限制充電電流，防止電流過(guò)大損壞蓄電池。系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤主電源狀態(tài)，保證在主電源斷電時(shí)蓄電池自動(dòng)投人使用。

4)系統(tǒng)保護(hù)電路電源進(jìn)線(xiàn)采用過(guò)壓自動(dòng)脫扣斷路器保護(hù)，變壓器次級(jí)采用快速熔斷器限流保護(hù)，吊運(yùn)時(shí)若斷路器脫扣或熔斷器熔斷，蓄電池自動(dòng)投人工作，確保安全吊運(yùn)，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

plc通過(guò)電壓傳感器和電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流輸出電壓、電流，并與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)偏離限定值過(guò)大時(shí)(過(guò)壓或欠壓),plc自動(dòng)關(guān)斷整流模塊輸出，并控制蓄電池自動(dòng)投人工作。多個(gè)吸盤(pán)聯(lián)用時(shí)，當(dāng)某個(gè)電磁鐵發(fā)生故障導(dǎo)致其電流異常上升時(shí)，斷路器自動(dòng)切斷這個(gè)電磁鐵的電源，避免連鎖反應(yīng)而影響其余電磁鐵的工作，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。整流模塊有完善的阻容保護(hù)和防雷擊防浪涌電壓沖擊的壓敏電阻保護(hù)。

6結(jié)束語(yǔ)

寬厚板的起重，特別是多規(guī)格的高溫寬厚板的起重，是一個(gè)十分復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。既有起重系統(tǒng)整體的技術(shù)問(wèn)題，又有單元技術(shù)難題。合理的電磁鐵總體布局、耐高溫的線(xiàn)性電磁鐵、精確調(diào)磁技術(shù)以及無(wú)觸點(diǎn)電控系統(tǒng)，還有文中沒(méi)提及的可伸縮掛梁，都是技術(shù)關(guān)鍵。解決寬厚板起重技術(shù)難題，要以成熟的單元技術(shù)為基礎(chǔ)，用系統(tǒng)集成的觀點(diǎn)去統(tǒng)籌考慮機(jī)械、電磁和電控問(wèn)題以及相互間的藕合問(wèn)題。

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