一种独特的交流起重机调速方式———绕线电动机的液压推杆制动器调速系统

一种独特的交流起重机调速方式———绕线电动机的液压推杆制动器调速系统
1.概说
目前已对交流起重机的各种调速方式，划分为高（级要求）调速和低（级调速）两种电控设备[1]，高调速是指具有多级调速、适合多个象限、多种机构工作的可成其为系统的调速方式。

高调速中包括两种类型：一种是从输入端入手的，通过调压器、变频器等可调电源调节供电参数来改变电动机的机械特性，以满足不同转速时电磁转矩 = 负载转矩的平衡稳定条件。

称为控制电源调速（或称可调电源调速），如调压调速系统、变频调速系统等。

另一种是从输出端入手的，通过制动器调节制动转矩，以适应绕线电动机附加电阻变软的机械特性，取得在中低速时电磁转矩 = 负载转矩 + 制动转矩的平衡稳定条件。

称为控制制动调速（或称制动器调速）。

如涡流制动器调速系统，是利用与绕线电动机同轴连接的涡流制动器，改变直流励磁电流调节由涡流产生的电磁制动转矩，实现控制制动调速的。

本文涉及的液压推杆制动器调速系统属于高调速中控制制动调速类型。

作为起重机专用的机械制动装置，液压推杆制动器是继传统的电磁铁制动器以后应用的，抱闸部分并无变化均为常闭式瓦块制动器。

不同的是松闸部分由小鼠笼电动机（0.06～1.1kw，以下简称制动电机）来驱动液压推杆，取代只能实行开关控制的制动电磁铁，应该说是有了很大改进。

但是迄今多少年来，液压推杆制动器在控制上却一成不变和制动电磁铁一样，采用简单落后的开关控制。

控制器手柄处于非零位的其他挡位时，制动电机与主电机（机构的驱动电机）同时通电以工作转速运行，液压推杆推力最大制动器松闸；手柄回到零位时，制动电机与主电机同时断电停止，液压推杆推力消失制动器完全上闸，对主电机施加预调的定值制动转矩。

说明液压推杆制动器并无实质性改进，与电磁铁制动器同样仅有一级制动而失去控制制动作用，在制动过程中只能消耗动能急剧减速，而不能调速实现平稳地到位停车。

只是制动电机和油泵等转动体的转动惯量较大，其上闸时间较电磁铁制动器相对缓慢，对制动冲击有所缓解在运行机构上得到普遍应用；但也因此不能及时上闸进行支持制动，受重力作用会发生溜钩，除具有时序控制和直流制动功能的变频调速系统外一般不能在起升机构上应用。

说明改造液压推杆制动器性能扩展应用，关键在于解决其存在的控制问题，对此在生产实际中早就有过应用实例[2]。

用于铸造砂型合箱工作的起升机构，要求在1m/min以下的低速稳定运行，其液压推杆制动器的制动电机定子与绕线电动机转子电路路连线接通，由电动机转子发出随其转速变频的交流电供电。

在低速挡时电动机接入附加电阻机械特性变软，当电动机转速上升对制动电机供电的频率下降，则制动电机转速降低液压杆推力减小而制动转矩增大，使电动机下降到某一低转速稳定运行，此时的电磁转矩与负载转矩和制动转矩相平衡。

该例仅有一级20～30%的低速，并要改变制动器的结构加装辅助弹簧和阻尼装置，以避免转速振荡。

受当时技术发展水平的局限，手段简单技术含量低使用价值不高，但在实践上表明，液压推杆制动器潜在控制制动作用，具有改变制动转矩对绕线电动机实行调速的可能性。

如果进一步采用先进技术，
使其得到发挥就会取得明显的调速效果。

例如：用于热处理的淬火起重机起升机构，淬火工艺要求高温工件浸入淬火池中的下降速度应达到60m/min。

为此对其液压推杆制动器的供电实行调压，并组成包括给定器、比较器、晶闸管调压器、液压推杆制动器、主电动机和测速发电机的闭环自动控制系统。

依靠液压推杆制动器实施重载控制制动下降的过程是：令主电动机断电后，按要求的下降速度输入给定电压信号，调压器的晶闸管完全导通。

以额定电压为液压推杆供电制动器松闸，由淬火工件重力带动的电动机转速不断加快测速发电机发出的反馈电压信号不断提高，经比较器比较后输入到调压器的触发电压信号也不断减小；随之晶闸管导通角减小，制动电机的供电电压减小其转速降低，使液压推杆推力下降制动器上闸产生相应的制动转矩；当下降到需要的速度时，制动转矩增大到与重力转矩平衡，则以该速度稳定下降。

改变给定电压信号大小可调节下降速度，操纵方便安全可靠。

另外，有的厂家曾生产QEIT（与凸轮控制器配套）、 QEIS QEIY（与主令控制器配套）等型号液压推杆制动器调速柜的产品。

GB3811–83《起重机设计规范》将液压推杆制动器调速规定为交流起重机的六种调速方式之一。

以上说明该种调速方式尚处在初级阶段，缺乏技术优势适用性不强，属于低（级要求）调速范畴，不能成为一个独立的调速系统在应用中得到普及提高。

本文涉及的液压推杆制动器调速系统，是在上述技术背景的基础上构建的，力求运用现代成熟的自动控制和电子技术，发挥液压推杆制动器潜在的控制制动，和绕线电动机潜在的调速性能，充分显示出其独具的特点：交流起重机现有高调速系统的调速，无不是电磁作用的结果，具有一定调速范围，都不能在零速时取得稳定；在电动机断电停止期间，必须依靠具有支持制动的常闭式机械制动装置，克服重力或风力作用止动防溜保持停止。

而该系统的调速则是机械摩擦作用的结果，利用摩擦自然具有对运动和运动趋势的反抗性，通过控制进行调速直接有效实用可靠。

该系统的调速是一个控制制动过程，在电动断电机停止期间，制动转矩达到最大的额定值，能及时充分地实施支持制动保持停止。

也就是在零速时实现稳定。

调速范围 = 最高转速/最低转速 = 工作转速/零转速 = 无穷大。

2 系统的结构组成及各部作用
图1是液压推杆制动器调速系统的结构组原理图，表达了系统结构组成及其内外各部件之间，在电气控制、信号传递和机械连接上的作用关系。

现按该系统采用的技术手段，对其结构组成及各部作用简要说明如下：
（1）以原绕线电动机的电磁控制系统为基础
该系统的电磁控制部分用于控制电磁转矩方向和大小，与原绕线电动机电磁控制系统基本相同，仍由控制器1直接或通过电磁控制柜2中的各接触器和继电器，分别控制三相交流主电路，包括绕线电动机11的定子电路和串联电阻器3的转子电路以及制动电机12的定子电路。

与原来比较的主要区别是：制动电机12定子电路上串联有可调电源7为其供电，以调节液压推杆制动器的的制动转矩。

为利用附加电阻时变软的机械特性，充分发挥绕线电动机潜在的调速性能，将电阻器3的电阻段数减少为两段。

附加全部的两段电阻应产生最大的起动转矩，这时的机械特性曲线在中速以下均可满足电磁转矩 = 负载转矩 + 制动转矩的平衡条件，可实行分级或无级调速，附加一段电阻时用于中速到工作转速的过渡。

简化和调整电磁控制柜2并受限速器10控制，接受来自测速发电机8的反馈信号，用于起升机构重载制动下降的自动转换和防止超速，以及大车运行机构自动实施防风的紧急制动。

（2）采用可调电源对制动电机调速
制动电机12是很小鼠笼电动机，带动的13油泵单向运行并且是平方律类型的负载，很容易利用可调电源（变频器或调压器）7实现调速。

由制动电机12带动油泵13产生的油压力即液压推杆推力按其转速平方成正比的关系变化。

带动制动臂18使闸瓦19抱紧制动轮20产生制动转矩的上闸力是，作用在弹簧17上预先调定的上闸力与由液压推杆推力经杠杆16转换为松闸力的差值。

所以通过制动电机调速，来改变液压推杆推力就能调节制动转矩，转速提高制动转矩减小，转速降低制动转矩增大。

如果预调弹簧达到额定制动转矩，利用可调电源对制动电机实行无级调速，则制动转矩可由零到额定制动转矩之间连续调节，充分发挥出液压推杆制动器潜在的控制制动作用。

（3）组成具有转速负反馈的自动控制系统
该系统是一个以绕线电动机控制对象11的闭环自动控制系统[3]，正向输入通道自给定部件给定器4、比较部件比较器5、经放大部件可调源控制器6和可调电源7、执行机构的驱动元件制动电机12、执行机构液压推杆制动器到控制对象绕线电动机11；反馈输出通道从检测部件测速发电机8经反相器到比较部件比较器5。

由给定器4正向输入的电压信号和测速发电机8反馈输出的电压信号，分别表示绕线电动机11的转速给定值和转速实际值，通过比较器5得到的偏差信号经可调源控制器6和可调电源7进行电压和功率放大，由液压推杆制动器执行不断校正存在的偏差量，排除外部干扰防止转速振荡，自动控制绕线电动机11按给定的转速稳定运行。

（4）统一操纵联合工作
由原控制器1和给定器4联动组成调控器，作为统一的操纵装置同步控制附加电阻和给定电压信号值，以保证该系统电磁控制部分和自动控制部分协调地联合工作。

（5）依靠液压推杆制动器控制实施重载制动下降
起升机构在重载下降时，令绕线电动机11断电；依靠液压推杆制动器的控制动作用，调节制动转矩与重力转矩相平衡，对下降过程进行无级调速。

3 系统的优点和相关问题的说明
综上所述，液压推杆制动器调速系统具有以下优点：
（1）系统采用大都为起重机专用部件，历经生产实践考验标准化程度高，具有不可多得的优点。

如绕线电动机是冶金起重专用电机，具有过载能力强（一般最大转矩为额定转矩的3倍），附加附加电阻可增大起动转矩，适合起重机的满载起动，能满足抓斗起重机等起升机构对起动和过载的更高要求。

（2）适于操纵功能齐全，可控制电动机运行和断电停期间全过程。

起动时通过操纵可实时控制起动过程（原起动电阻分级加速时的手柄不能在中间挡位停留），进一步改善了起动性能。

稳定运行期间能按需要调到足够的低速，也能得到超常数倍高的降速，以满足某些工艺性起重机的特殊要求。

制动时可从工作转速开始通过操纵实时控制制动过程，利用液压推杆制动器兼有支持制动和控制制动，其制动转矩越大电动机的转速越低，直至达到额定制动转矩时电动机停止并保持停止。

其调速范围为无穷大，以保证停准停稳，减少点动解缓解冲击振动，杜绝溜钩和实施防风制动。

（3）适用性强不受用途和规格的限制，广泛适用于各种类型起重机的各个机构，适合对大
量的在用交流起重机的改造升级。

（4）以原电磁控制系统为基础，对原有电控设备只需减化和调整，新增设的变频器（或调压器）、测速发电机等均属于小功率的自动化元件。

因此其结构简明，适宜生产制作安装调试，方便使用维修，容易推广普及。

（5）造价低廉，性价比高。

其成本估算随电动机功率增大而降低，平均大致与原电控设备相当。

而其各方面的性能都不亚于现有其他高调速系统，具有很高的性价比，该系统的应用将会取得相当大的技术经济效果。

现对与该系统相关的几个问题说明如下：
（1）机械控制制动调速的闸瓦磨损问题
所用的闸瓦附有衬料（闸皮），采用早已研制成功的粉末冶金等摩擦新材料，具有耐压、压磨、耐高温及摩擦系数大而恒定等优点，足以适应重载高速工况下（如淬火起重机以超常数倍的速度下降）的调速要求。

常规的调速均在工作转速以下，高转速时为轻载低转速时才是重载。

原电磁控制系统经常在高转速下实施制动，并反复不断的点动和反车，闸皮磨损比起调速来更大。

因此不会因闸瓦磨损问题影响调速。

（2）绕线电动机低速运行的效率问题
绕线电动机附加电阻并施加制动转矩，获得低速运行的效率相对较低，但这是为机构工作需要达到整机效能的提高，属于正常的能源消耗。

交流起重机的各机构交替间歇工作，绕线电动机为断续周期工作制，为保证作业效率应力求在工作转速运行，实行调速的主要目的是为在制动过程中停准、停稳；各机构的工作行程不长，实际低速运行时间很短，所消耗能源比重甚小。

即使对整个运行效率也并不严格，无明确的指标要求。

对调速系统的要求，侧重于调速性能、操纵性能、适用性和可靠性等方面。

（3）关于液压推杆制动器调速系统的其他问题
推出液压推杆制动器调速系统具有原创性质，涉及诸多问题，如其调速基本原理尚需严格的解析论证，主要机构的典型控制电路图有待提供等。

限于本文篇幅不可能一一给出，笔者将在后续的一系列文章中解决这些问题。

感谢中国工控网这一平台，能通过互动求教于广大网友，特别欢迎提出质疑的意见。

参考文献
1 裘为章. 实用起重机电气技术手册. 北京：机械工业出版社，2001.
2 杨长揆. 起重机械. 北京：机械工业出版社，1982.
3 顾树生. 自动控制原理. 北京：冶金工业出版社，2001.
液压推杆制动器调速系统
的结构组成原理图 （图1）
1.控制器，
2.电磁控制柜，
3.电阻器，
4.给定器，
5.比较器，
6.可调电源控制器（变频器控制电路或调压器的触发器），
7.可调电源（变频器或调压器的主电路），
8.测速发电机， 9.反相器， 10.限速器，
11.绕线电动机， 12.制动电机， 13.油泵，
14.油缸， 15.推杆， 16.杠杆，
17.主弹簧， 18.制动臂， 19.闸瓦，
20.制动轮， 21.工作机构。

点划线框内表示：
液压推杆制动器是标记为12～19部件的组合体，调控器是标记为1和4部件的组合体。