一种全自动轧辊搬运起重机的电气关键技术

本文选自《起重运输机械》杂志，如需转载，请注明出处

作者：李 永，周 强，周静娴，常玉军，孙小高

摘 要：运行在型钢厂的一种轧辊搬运专用起重机，运行方式有两种：全自动、手动遥控。两种操作方式可在地面操作台上切换，具有互相连锁、起重机要求高精度定位毫米级、自动控制非常复杂、要求绝对可靠安全等特点。文中详细叙述了全自动轧辊搬运起重机电气控制的工作流程，阐述了其关键技术的内容及性能特点。

关键词：起重机；电气控制；高精度定位

中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2019）02-0119-02

Abstract: A roll-handling special crane used in a shaped steel mill is presented. The crane features two operation modes of full automation and remote hand control which can be shifted on ground operation table, interlocking, accurate positioning of millimeter-grade, complicated automation control, reliable and safe operation. The work flow of the crane’s electrical control is detailed, as well as the key technologies and performance.

Keywords: crane; electrical control; highly accurate positioning

0 引言

型钢广泛应用于国民经济建设中，建筑、机械制造、石油化工、电力等方方面面。中国既是型钢生产大国，又是使用大国。钢厂生产型钢的过程中，型钢的矫直是必不可少的工艺，需要矫直机、配套专用起重机进行轧辊的安装。此种专用起重机，技术含量高、控制复杂、定位精度要求毫米级。以前，掌握此种起重机设计、生产的国家仅有德国和日本。单机售价 2 000 3 000千万，维修、维护成本昂贵，单次维修、维护成本 500万元左右，其性价比严重不符合国情。然而，由于其在型钢矫直的工艺流程中存在不可替代性，又不得不采购。为了打破国外的垄断，卫华机械工程研究院研发制造出此种起重机，并在 2018 年 2 月应用到了河北某钢厂，至今运行安全、可靠，实现了百日内电气故障率为零的目标。

1 起重机搬运安装轧辊的流程

1）现场工位的布置通常为：起重机等待位、矫直机工作位、矫直机张开更换轧辊位、第一种待换轧辊存放位、第二种待换轧辊存放位、第三种待换轧辊存放位、从矫直机内取出的轧辊存放位。

2）起重机全自动作业流程为：换轧辊信号到达起重机等待位置等待作业换辊信号→起重机自动运行到“矫直机工作位”→起重机抓具抓取轧辊到位→起重机吊钩钢丝绳张力预置，轧辊受力→起重机自动运行到“矫直机张开更换轧辊位”→起重机吊起轧辊起升并运行到“从矫直机内取出的轧辊存放位”→根据作业要求起重机自动运行到某种“待换轧辊存放位”抓取轧辊→起重机自动运行到“矫直机张开更换轧辊位”下降穿辊到“矫直机工作位”→起重机吊钩微松释放张力，吊具松开轧辊，运行到等待位，作业结束。

3）起重机手动遥控作业较简单，遥控器上设置各工作位置的按钮，只要按下任意一个工位按钮，起重机即可从当前位置自动移动到目标位置，操作人员即可手动微调起升机构的升降来进行作业。手动遥控作业的主要功能是设备的检修和调试。在正常情况下，起重机都要作业在全自动模式。因为靠人工来进行换辊作业很不现实，矫直机内人员进入非常不安全，换辊的视线也不好。另外，靠人工经验进行位置微调，钢丝绳张力调节度，都不准确，可能损坏轧辊的穿轴或者使穿轴受力变形，效率非常低。每次换辊 10 个轧辊都要同时更换，若靠人逐个更换作业强度较大，需要多人配合作业。在我国仍有很多小型型钢厂采用普通起重机作业，一般换一次辊需要连续作业 42 48 h，而文中所述专用起重机的平均换辊时间现场实测是 20 30 min。目前，该起重机售价大约为德国产品价格的 1/4，日本产品的 1/3。现实是，同样功能的起重机，国内钢厂一般要求国内价格要低于国外价格的 1/5，市场才接受、认可。但是，随着这台已安装使用的起重机的长时间可靠运行，人们对它的关注度越来越高，市场前景看好。

2 起重机的电气控制关键技术

该型起重机的电气控制关键技术包括：程控全自动化及起重机纠偏；X、Y、Z 方向定位皆要求 2 mm 以内；吊具平衡度要求必须保持水平，否则无法一次吊起全部轧辊；吊具进入矫直机内作业，须根据传感器信号，设计张力预置功能；高分辨率 0.01 mm 的线型编码器引用到起重机上做定位控制；高精度微型传感器应用到起重机抓具上，测量微动信号进入程序控制。

1）程控全自动化及起重机纠偏

该型起重机的核心技术是保证起重机两端运行到各个工位的平行，由于起重机挂梁下的两排上下 10 个抓具如何能可靠地同时抓取工位上的 10 个轧辊，起重机到位后不能出现两端偏斜，因为每个抓具与轧辊的允许空间余量仅在 3 5 mm 之间，所以起重机运行两端要分别控制，运行过程中要实时纠正，保证到位后两端的偏斜量都能控制在 2 mm 以内，电控系统只有在 10 个传感器信号都接收到，才能吊起进行下步作业。该型起重机端梁两侧都独立配置有高精度的定位线性编码器，以保证测量的精密性，程序中纠偏方法采用的是主从跟随法，一端定义为主、一端定义为从，运行过程中始终跟随，保证到达目标位置，起重机两端平行在允许范围内。

2）X、Y、Z 方向定位皆要求 2 mm 以内水平运行两端配置有高精度的定位线性编码器（分辨率 0.01 mm），升降机构配置有垂直拉绳编码器（分辨率 0.1 mm）。采取了以上这些技术手段，通过编程控制及现场调试，能够保证起重机在X、Y、Z 方向的定位在 2 mm 以内。

3）吊具平衡度要求必须保持水平，否则无法一次吊起全部轧辊

虽然抓具上都安装有微动传感器信号，但若一次性抓取成功率太低，达不到客户的要求，故吊具本身必须非常平行。目前，电气控制上没有特别好的方法，只有现场安装时，通过机械方法调整，如增加或减少抓具的垫片。

4）抓具进入轧机内作业，须根据传感器信号，设计张力预置功能

起重机抓具进入到矫直机横移取出轧辊时，需要有提升力，否则会造成轧辊的穿轴损坏。一般预置力的设置可在起升变频器内调整力矩限制来完成，但实际上现场要经过多次调整，最终要使轧辊能较轻松地退出穿轴，很难通过设定一个定值来完成，通过安装在抓具上的压力传感器可协助完成这一工作，但是如要把 10 个抓具上的压力传感器都调整的刚合适，难度大且费时，目前尚无特别好的技术手段，国外的起重机也是通过多次的调试来完成的。

5）采用高分辨率 0.01 mm 线型编码器作定位控制

毫米级位置测量技术很少应用到起重机上，国内也没有配套的测量仪器，只有选择国外的产品，安装在河北的这台起重机采用的是德国 SICK 的产品，具有抗干扰能力强、耐环境强、位置测量精度高等特点。

6）高精度微型传感器测量微动信号进入程序控制该型起重机会用到大量的微型传感器，测量位置信号和测量压力信号，选择合适的传感器也是起重机可靠完成作业的关键，目前仍建议采用国外的产品，可靠性还是比较有保障。

3 结论

该型起重机的电气控制国内厂商虽然取得了从无到有的突破，但仍有许多需要改进的地方，如张力预置需要现场大量的调试工作、抓具水平度需要机械调整、机械调整的缺点也很明显，使用一段时间内，由于抓具、起重机本体及钢丝绳的变形都会有影响，需要不间断的调整，如何能够采取一种液压或电控的方法，能够自动调整抓具的水平度，是未来需要研究的方向。

来源：起重运输机械