造船门式起重机的大车行走纠偏浅析

1 引言

随着我国造船业的发展，造船门式起重机(以下简称龙门吊)的起重量和跨距的记录也在不断地刷新。作为造船的重要配套设备，其安全性显得格外重要，特别是大车行走时，刚腿和柔腿的同步，更是重中之重。

龙门吊的大车在行走期间，刚腿和柔腿之间的位置偏差在一定范围内是允许的，一般不超过大车跨距的3‰，如果超出这个范围，就会产生以下危害：

(1) 大梁扭曲变形，对主梁的结构造成永久性损伤。

(2) 如果主梁变形的幅度超出其恢复能力，其起重量也将受到一定影响。

(3) 一般龙门吊的主梁与柔性腿的顶部采用柔性铰连接，而不是刚性的结合，如果刚腿和柔腿发生大的偏差，则会造成主梁相对于柔腿扭曲，有可能引发柔性铰座断裂，进而造成主梁摔落或整机倾翻的严重事故。

2 大车偏差产生的原因分析

龙门吊的刚腿和柔腿在行走过程中产生不同步，一般是由以下6个方面原因造成。

(1) 大车行走的机械传动装置存在着制造上的个体差异，每套传动装置都不可能完全一样，比如车轮的直径、减速箱的速比等。

(2) 驱动龙门吊刚腿和柔腿行走的电机，分别由2个相互独立的驱动器驱动，它们都是闭环控制，原则上是司机的指令给定多少速度，驱动器就输出相应的电压、电流和频率。但实际上，闭环控制不断地根据给定和反馈回来的转速，对驱动器的输出做出修正。这2个独立的驱动器，因为得到的反馈不一样，给出的修正也不同，这就造成了刚腿和柔腿的电机转速不完全一样。反应在轮子上，就是刚腿和柔腿的行走速度存在着细微的差异。

(3) 龙门吊的自身结构不具备纠偏能力，主梁与刚腿间的连接是硬性连接，但是它与柔腿之间的连接却是柔性连接的，当刚腿和柔腿发生偏差时，主梁无法将柔腿“拉回来”。

(4) 大车制动力矩和抱闸时间存在差异，导致刚腿和柔腿轮子停下来所需的制动时间不同。

(5) 龙门吊的重心移动，比如主梁上下小车位置的变化，以及所吊构件的重量大小及其位置，都会使整机的重心发生偏移，从而影响大车行走时的惯性。

(6) 受轨道影响，由于大车轨道在沉降或垂直度上不可能保证完全一致，或者轨道上存在异物或间隙，对于精确到厘米级的编码器监测装置来说，都会积累误差，形成软件控制上的偏差。

3 龙门吊大车的纠偏方法

3.1 纠偏的原则

行业内通用的做法是，以主梁的跨度为依据，比如主梁的跨度为100 m，刚腿和柔腿的偏差在1‰(即0.1 m)以内时，不进行纠偏；当刚腿和柔腿的偏差在1‰～2‰(即0.1～0.2 m)时，系统自动纠偏；当刚腿和柔腿的偏差在2‰～3‰(即0.2～0.3 m)时，大车速度减半(司机给定速度除以2)，系统开始快速自动纠偏；当刚腿和柔腿偏差达到3‰(即0.3 m)时，大车自动停车；当刚腿和柔腿偏差超过3‰达到4‰(即0.4 m)时，大车急停，司机室内不能操作大车行走，只能在大车本地操作站操作，进行手动纠偏。

3.2 纠偏的思路

(1) 纠偏一般以刚腿作为参照物，如果柔腿超前，则降低柔腿的速度，如果柔腿滞后，则提高柔腿的速度。

(2) 获取刚腿和柔腿间的偏差值，做出正确的判断。

(3)由于刚腿和柔腿分别由2套独立的驱动器驱动，因此，可以通过改变柔腿电机转速的方法，改变柔腿行走的速度，以起到纠正大车偏斜的目的。通常情况下，大车电机的全速都是取额定转速的95%，相差的5%则用来给柔腿纠偏使用，例如柔腿滞后时，柔腿驱动器将柔腿电机的转速从95%提高到100%。

3.3 纠偏的几种方法

纠偏的前提是掌握刚腿和柔腿的行走偏差，因此通常说的纠偏方法，就是获取“行走偏差”的方式。

3.3.1 采用增量型编码器和高速计数模块

通过电动机自带的增量型编码器、驱动器实时获取电机的转速，对电机进行闭环控制。同时PLC通过高速计数模块，统计电机旋转过程中，产生的脉冲数量，根据电机输出轴到大车轮子的传动速比，计算出大车的行走距离。为了保证大车行走距离的数据准确，在大车的刚腿侧和柔腿侧的轨道上，每隔一定距离，预埋“归零”或“校验”的磁铁。这种方法的优点是投资少；缺点是断电后数据会丢失，需重新置位。另外，由于是间接的获取行走距离，受机械结构和传动的影响较大。

3.3.2 采用绝对值编码器

在大车的从动轮上安装绝对值编码器(见图1)，通过计算轮子转动的圈数，来获取大车的行走距离。考虑到轮子打滑、轨道误差、编码器累积误差等因素的存在，也会通过在大车的轨道两侧，预埋“归零”或“校验”的磁铁，来进行位置的校准。这种方法的优点是投资少，且断电后编码器数据不会丢失；缺点是有时会受到轮子打滑和编码器传动机构方面的影响。

3.3.3 采用磁尺

分别在刚腿侧和柔腿侧的轨道旁预埋磁尺。这种方法可以准确地获取刚腿和柔腿的位置，但缺点是投入较高，且由于龙门吊的大车轨道上经常有叉车、平板车等交通工具通过，很容易将磁尺压坏。

3.3.4 采用位移传感器

大多数龙门吊的主梁和柔性腿之间，采用柔性铰连接，因此主梁相对于柔性腿是可以活动的，当柔腿相对于刚腿超前时，柔性铰就会产生一定的旋转。通过位移传感器获取旋转的变化量，找出它与柔腿大车行走超前和滞后之间的关系，即可用它来反应刚腿和柔腿间的偏差。当柔腿大车超前时的偏差量在1‰时，位移传感器上测得的偏移量是10 mm(见图2)，当柔腿大车超前时的偏移量在2‰时，位移传感器上测得的偏移量是20 mm；当柔腿大车超前时的偏移量在3‰时，传感器上测得的偏移量是30 mm，反之亦然。这些数值即可反应两腿的偏差量。由此，可以将传感器测得的数据(反应大车偏差-3‰～3‰)，用于设定大车纠偏的门槛值。这种方法的优点是，受大车行走机构的影响较小，可直接反应偏差状况；缺点是会受到风载的影响，使测量值存在误差，需另安装罩壳保护，且传动关节较多，易产生磨损和误差。