寬厚鋼板電磁起重系統(tǒng)的方案設計

1、寬厚鋼板電磁起重系統(tǒng)的方案設計摘要：基于系統(tǒng)集成的設計思想，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)的總體設計與單元設計中的幾個關鍵問題；重點闡述了系統(tǒng)總體設計的約束條件、總體布局設計原那么及其采取的措施、耐高溫專用線性電磁鐵的設計思路和電控子系統(tǒng)的工作原理；特別是在電磁起重技術領域引人了準確調磁的概念，并付諸于設計理論中；同時給出了一個總體分布實例及其電磁鐵的設計結果。關鍵詞：電磁鐵；起重技術；寬厚板寬厚鋼板在國民經濟和國防建立中具有極為重要的地位；然而，在寬厚板起重技術的研究和應用方面，我國還處在起步階段川。為滿足某特大工程工程的需要，基于系統(tǒng)集成的設計思想，作者對寬厚板起重系統(tǒng)

2、的技術方案進展了較深人研究，并研制了寬厚板電磁起重系統(tǒng)的樣機。寬厚板的特點是大而重。如外形尺寸13000 x4900 x50的鋼板，其重量達25t。一般的鋼材吊運，通常采用一個或幾個電磁鐵進展起重。但對寬厚板而言，需要幾十個起重單元協(xié)同工作，而不是一堆電磁鐵的簡單組合，由此給電磁起重系統(tǒng)的設計帶來一系列特殊問題，如電磁鐵的布局合理性，成組電磁鐵的選擇與協(xié)同工作，需滿足不同被吊物的磁力調節(jié)，系統(tǒng)平安防護與故障診斷，等等。作者就此進展了闡述。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臺電磁鐵通過電控系統(tǒng)有機地組合在一起，便形成了電磁起重系統(tǒng)。電磁起重系統(tǒng)的工作原理相對簡單，工作時

3、根據上層網絡的指令，電控系統(tǒng)控制全部或部分電磁鐵協(xié)同工作，到達吸放鋼板的目的。電磁起重系統(tǒng)由電磁鐵、電控子系統(tǒng)和機械組件構成，如圖1所示。電控主電路由PL主控單元、變壓器、可控整流模塊和接觸器組成。PL主控單元通過控制可控整流模塊實現(xiàn)電磁鐵調磁，而各吸盤通斷電選擇由PL控制接觸器實現(xiàn)。由這些主電路構成調磁保磁控制屏和自動充電屏，加上免維護蓄電池組，構成了三位一體的電控子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動切換、互為備用，能實現(xiàn)恒充、浮充、自動跟蹤和自動調整。圖1電磁起重系統(tǒng)的組成2系統(tǒng)設計的約束條件電磁起重系統(tǒng)的設計包括總體設計和單元設計。總體設計包括目的分析與分解、總體布局設計、電控原理確定等；單元設計包括機

4、械子系統(tǒng)的設計、電磁鐵的設計、電控單元設計等。設計電磁起重系統(tǒng)時，除了滿足技術指標的要求外，應重點考慮下述約束條件。1)被吊物方面：滿足最大載荷要求(即電磁鐵負載滿足要求)；鋼板的最大、最小外形尺寸：長x寬x厚；鋼板的材質(不同的材質，其導磁率和飽和磁密不同影響吸力)；鋼板的溫度(影響鋼材的導磁率及飽和磁密，鋼板的撓度增大)；鋼板的撓度；鋼板的外表質量、氧化層厚度。2)起重系統(tǒng)本身：電磁鐵的自重；平安系數2；通電持續(xù)率60%；系統(tǒng)的響應時間(吸放時間)3s；電磁鐵內部溫升問題；吊運偏心問題(對正問題)10%；成組電磁鐵的共平面問題；長短掛梁的共用電控問題；與掛梁的接口；電控系統(tǒng)內部干擾問題；長

5、掛梁的伸縮問題；起吊加速度及擾度突出邊的動態(tài)壓力問題。3)環(huán)境方面：環(huán)境溫度；外界干擾等。4)其他方面：突然斷電、整流器故障；某一個電磁鐵出現(xiàn)故障，等。3電磁鐵總體布局的原那么根據被吊鋼板的參數確定電磁鐵的總體布局，根本原那么是：用最少的電磁鐵個數，平安可靠地滿足起重要求，并確保板材的變形量最校為此電磁鐵總體布局設計從下述3方面展開：進展力學分析。對薄板而言，電磁鐵的分布適宜布置在長板材的“愛里點上；對厚板而言，電磁鐵布置必須滿足在布置間隔內對最重板的吸力要求。分析國外同類產品的參數，如意大利TENAGNETE公司、德國ALKER公司和美國STANVER公司的寬厚板電磁起重系統(tǒng)等。用常規(guī)電磁鐵

6、作板材吸吊實驗，通過實臉找出板材變形量與電磁鐵分布間的規(guī)律。綜合上述3方面的結果，同時考慮到板材規(guī)格的變化，進而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對鋼板(尺寸為：厚度5-50、寬度1。34。9、長度6。0-45。0)的起吊，當長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個電磁鐵。圖2電磁鐵的總體分布綜合上述3方面的結果，同時考慮到板材規(guī)格的變化，進而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對鋼板(尺寸為：厚度5-50、寬度1.34.9、長度6.0-45.0)的起吊，當長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個電磁鐵。4電磁鐵的設計1)專用電磁鐵設計寬厚板的

7、起重通常以單張進展。由于常規(guī)電磁鐵的磁力特性是強烈非線性的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，為此需要設計專用電磁鐵。額定載荷P確實定P=ax/n(1)式中：ax為被吊鋼板的最大重量；n為電磁鐵的個數。平安系數K確實定K=F/P(2)式中F為單個電磁鐵的電磁力。電磁力F的計算(3F=B2A/(20)(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(2)；0為真空中的磁導率(4x10-7H/)。根據式(1),(2)，平安系數取2.5，就可以確定最大電磁力。根據式(3)，合理選擇B值，就能確定A值，這樣就對應確定了線圈芯的截面尺寸。為確保電

8、磁鐵在高溫下能正常工作，對電磁鐵進展了耐高溫設計。設計要點在于既要把內部線圈產生的電阻熱散發(fā)出去，又要阻止外部鋼板的熱量傳進來。所采取的措施有：采用耐高溫的電磁線；增加導熱絕緣層和外部傳導熱阻斷層；采用防輻射隔熱層；加大散熱面積并設計了外部散熱風道。鑒于每次只吊運單張鋼板，而鋼板規(guī)格的變化范圍很大，針對不同厚度的鋼板，電磁鐵需要輸出不同的電磁力，因此需要對電磁鐵進展無級調磁。為此，提出了“準確調磁的概念，并開發(fā)了相應的技術。要實現(xiàn)無級準確調磁，對電磁鐵而言，其關鍵是在保證足夠透磁深度的情況下，電磁鐵的磁力曲線FII要有較寬的線性范圍4。對應圖2所示鋼板，滿足鋼板溫度t=600條件下，所設計的專

9、用電磁鐵采用多個線圈，全密封焊接式長方體鋼板構造，根本參數為：外形尺寸2700 x240 x320、額定起重量6.5t、平安系數K2.5、工作電壓為直流D220V、防護等級IP54。這種電磁鐵透磁深度相對較淺、線性好、重量輕、功率校2)電磁鐵性能一致性為確保準確調磁、準確吸吊對應的鋼板，要求成組電磁鐵之間性能具有高度的一致性。對同一臺吊車所用的電磁鐵，經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。對成組電磁鐵的根本要求是：保證磁極的底平面處在同一平面內。這個問題在厚板起吊中是個貌似簡單卻非常重要的問題。由于厚鋼板是平直不易變形的，假設磁極工作面

10、參差不齊，不在同一程度面上，那么必將造成舉高較低的電磁鐵相當于“下沉，不但不產生吸力，而且將“壓在被吸鋼板上，形成“負吸力。這樣一來，總的吸力明顯降低。為此采取措施：電磁鐵裝配完成后，對磁極底面進展精加工，確保每個電磁鐵的底平面平整；為保證電磁鐵的吊掛高度一致，采用高度可調的懸掛裝置，該裝置系螺栓式機構。在現(xiàn)場調試安裝時，對成組吸盤進展高度調節(jié)，盡可能使成組電磁鐵的底平面在同一程度面里。5電控子系統(tǒng)設計1)工作原理系統(tǒng)的程序控制采用西門子S7-200PL主控單元(PU226)。PU226通過DP接口模塊E277接到Prfibus總線，與行車主PL通訊。人機界面采用254觸摸屏，采用SIATIP

11、rTl組態(tài)軟件進展組態(tài)，各控制功能在觸摸屏上顯示為菜單，只需簡單觸摸，即可完成控制；觸摸屏通過通訊電纜聯(lián)接到PU226的PI接口。為確保控制系統(tǒng)在掉電時保持正常工作，系統(tǒng)的程序控制部分采用UPS不連續(xù)電源供電。調磁系統(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)設有電壓傳感器和電流傳感器，實時檢測模塊輸出電壓、電流，電壓傳感器和電流傳感器輸出通過A/D模塊讀人PL。PL將整流模塊輸出電流值與給定電流值進展比較，根據比較結果調整D/A輸出。整個系統(tǒng)對工作電流閉環(huán)控制，控制精度高，確保電磁鐵的吸力穩(wěn)定，從而保證按設定方式吊運。調磁系統(tǒng)為邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)，充磁時正組可控硅導通，電能

12、正向饋人電磁鐵；退磁時PL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；PL檢測電流值為0時，確認正組整流模塊關斷，再觸發(fā)導通反組整流模塊，對電磁鐵反向去磁。系統(tǒng)取消了外接電阻器強迫去磁的方式，充磁退磁快，退磁效果好，實現(xiàn)了無觸點控制。2)電磁鐵選擇控制PL的輸出通過接觸器控制各電磁鐵通斷電，每個電磁鐵分3段控制，并對各電磁鐵的工作狀態(tài)進展檢測，發(fā)現(xiàn)故障立即報警。由于調流模塊僅在吊運時輸出電流，所有接觸器都可以在主電路無電時由PL控制其通斷，接觸器觸點不易損壞，使用壽命長。3)停電保磁系統(tǒng)采用免維護蓄電池作為備用電源，由自動充電屏對電池自動恒充、浮充，也可通過按鈕手動控制主

13、充、浮充。自動充電屏對電池欠電壓、過電壓自動檢測、報警，根據檢測結果實現(xiàn)浮充主充自動切換，并對電池定期活化放電。自動充電屏能自動限制充電電流，防止電流過大損壞蓄電池。系統(tǒng)自動跟蹤主電源狀態(tài)，保證在主電源斷電時蓄電池自動投人使用。4)系統(tǒng)保護電路電源進線采用過壓自動脫扣斷路器保護，變壓器次級采用快速熔斷器限流保護，吊運時假設斷路器脫扣或熔斷器熔斷，蓄電池自動投人工作，確保平安吊運，同時發(fā)出警報。PL通過電壓傳感器和電流傳感器實時監(jiān)測直流輸出電壓、電流，并與給定值進展比較，當偏離限定值過大時(過壓或欠壓),PL自動關斷整流模塊輸出，并控制蓄電池自動投人工作。多個吸盤聯(lián)用時，當某個電磁鐵發(fā)生故障導致其電流異常上升時，斷路器自動切斷這個電磁鐵的電源，防止連鎖反響而影響其余電磁鐵的工作，同時發(fā)出警報。整流模塊有完善的阻容保護和防雷擊防浪涌電壓沖擊的壓敏電阻保護。6完畢語寬厚板的起重，特別是多規(guī)格的高溫寬厚板的起重，是一個非常復雜的技術問題。既有起重系統(tǒng)整體的技術問題，又有單元技術難題。合理的電磁鐵總體布局、耐高溫的線性電磁鐵、準確調磁技術以及無觸點電控系統(tǒng)，還有文中沒提及的可伸縮掛梁，都是技術關鍵。解決寬厚板起重技術難題，要以成熟的單元技術為根底，用系統(tǒng)集成的觀點去統(tǒng)籌考慮機械、電磁和電控問題以及互相間的藕合問題。參