起重机工作速度的控制方案与原理

起重机工作速度的控制方案与原理
为了提高生产率以及适应各种工作的要求,起重机的工作速度应该是可控制的.尤其是起重机起升机构,当轻载和空钩下降时,在大起升高度升降重物时,为节省时间,需较高的工作速度,当吊运危险物品、重载以及进行安装工作时,为了安全可靠和准确定位,则要求较低的工作速度甚至微速.因此,起重机一般设有速度调节装置,且要求其工作平稳可靠、结构简单、操作方便、调速范围大等.根据起重机不同类型,不同传动方式,有不同的调速方法.以下列举几种起重机中常用或具发展前途的调速方法并进行分析比较.
1 机械变速
变速减速器在减速器高速轴上安装牙嵌式离合器(图1)或采用滑动齿轮进行速度转换.这种方式一般用于要求两个速度的起升机构上,且只能在无载情况下换速.当需要在有载情况下换速时,
必须装设闭锁装置或在中间轴安装制动装置,以避免在离合器或滑动齿轮脱开时发生重物坠落事故.
双电动机—行星减速器图2为该变速方式的一种传动简图.由电动机1和电动机2分别带动内齿圈b和太阳轮a,再经差速器的系杆H,经一级开式齿轮减速带动卷筒旋转.若以i表示传动比,以n表示轮速,由简图可得下式:
ibHa=（nH-n b）／（na-nb）(1) 解出系杆转速nH=n a／ibaH+n b／iabh (2) 式中n a／ib aH=nbH—轮b固定,轮a带动系杆H的转速;
N b／iabH=naH—轮a固定,轮b带动系杆H的转速。

由公式(2)可得卷筒四种速度:
nⅠ=n1／i1iabHi2 电动机1开动,电动机2停;
nⅡ=n2／ibaHi2 电动机2开动,电动机1停;
nⅢ=n1+nⅡ电动机1和2同时开动、转向相同;
nⅣ=nⅠ-nⅡ电动机1和2同时开动、转向相反.
式中,i1,i2—分别为电动机1到差速器、差速器到卷筒之间的传动比;
n1,n2—分别为电动机1,2的转速.
双电动机—行星减速器调速方式用于要求四种速度的起升机构.行星减速器结构紧凑、传动比大、重量轻,一些起重机已越来越多地采用它.
2液压传动速度控制
图3为轮胎起重机起升机构液压系统图.采用了换向阀节流与调节发动机油门相结合的速度控制方法.主起升机构换向阀a处于位置Ⅱ时,泵A压力油经阀a进入主起升马达1 驱动主卷筒提升重物,阀a处于位置Ⅰ时,起升卷筒反转,重物下降.通过操纵换向阀a的运动速度及发动机油门可使卷筒平稳起动、制动以及调节升降速度.同理,操纵换向阀C可控制副起升卷筒的升降速度.系统中b为重力下降与合流阀,当b 处于位置Ⅰ时,泵A与泵B合流,此时若操纵阀a处于位置Ⅰ或Ⅱ,则可使主起升马达增速,实现快速升降.当b处于位置Ⅱ时,为重物下降.此时泵B压力油通过阀b打开双向阀d进入主卷筒离合器液压缸4,打开离合器,使卷筒与马达脱开,同时松开制动器,卷筒在重物作用下高速下降.
液压调速方法简单、可靠、调速范围大,可实现无级调速和速度的微调.缺点是节流功率损失较大,且液压系统也较复杂,制造成本较高.
3电气调速
3．1直流电动机拖动的起重机
其传动系统通常采用直流发电机—电动机组.工作速度的控制一般采用改变电机和电动机激磁来实现.调整性能好,可无级调速,操作轻便,但设备较复杂,成本高、体积大、噪音大,故通常只用在大型高速起重机上.以下介绍起重机中几种常用的或具有发展前景的交流调速方法.
3．2转子电路串电阻调速
绕线式交流异步电动机转子电路串接不同电阻时的机械特性如图4所示.其中,电阻R2>R1>R,当电动机负载转矩M 相同时,转速随电阻增大而降低.即串接电阻后电动机同步转速n0和最大转矩Mmax不变,转差率S增大,转速降低.利用此方法可改善电动机的起动特性和控制工作速度.这种方法调速简单可靠,成本低,方便维修,缺点是有级调速,冲击大,在外接电阻器上功率损耗大,低速时机械特性软,不易获得稳定的轻载低速,下降工况时调速困难,故一般与制动器配合使用.
3．3涡流制动器调速
涡流制动器与起升机构电动机轴同轴连接,由与电动机同轴转动的电枢和与电动机底座装在一起的定子感应器组成.在定子激磁线圈中通以直流激磁电流,则磁极产生磁通.当电动机带动电枢转子旋转时切割磁力线,在电枢表面产生涡流,在涡流与磁场相互作用下产生与转子反向的制动力矩.控制涡流制动器定子的激磁电流,可改变制动力矩的大小,从而起到调速作用.涡流制动器励磁调速控制型式较多.最简单的是采用凸轮控制器操纵的开环系统.这种方式通常设上升二档,下降二至三档速度.开环控制系统制简单可靠,但特性较差,在同一档速度给定而载荷变化时,速度变化大.而涡流控制器闭环控制系统可获得较硬的机械特性.图5为闭环控制特性曲线,系统机械特性由电动机机械特性和涡流制动器机械特性合成.上升时合成特性曲线为AB,下降时合成特性曲线为CD,起升机构空载上升或重载下降时速度都很快,电动机机械
特性软,但与涡流制动器机械特性合成后的系统机械特性变硬.图中阴影部分为涡流调速的速度调节区.图6为涡流调速闭环控制原理.涡流制动器的励磁可由有放大器的带反馈的晶闸管输出的涡流控制提供,反馈信号可取自测速发电机,经比较电路后通过放大器进行速度反馈.
不论何种型式的涡流制动器调速,由于它的制动力矩产生于电磁力,轴上无机械磨损,可无级调速.上升、下降均可调速,且速比可达1:20,结构较简单,工作可靠,所以在国内外越来越多地应用于各类起重机机构中.
3．4晶闸管定子调压调速
将三组反并联的晶闸管分别接入电动机三相定子绕组中,通过改变晶闸管的导通角,控制电动机定子电压,以达到调速目的.为了保证低速时的机械特性较硬,又能保证一定的负载能力,一般在调速系统中采用转速负反馈构成闭环系统.图7为其控制系统原理框图.图中晶闸管调压系统根据控制信号U将电源电压U1变为可变电压U’x。

控制信号U由给定信号Ug和测速反馈信号Ufn之差来调节.此方案能平滑调节速度.且低速时特性较硬.调速范围可达1:10,上升、下降均可调速.但系统较复杂.
3．5晶闸管变频调速
变频调速即通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速.由公式
n=n0(1-s)=60f(1-s)/p (3) 可知,异步电动机的转速n与转差率s、频率f和极对数p有关.式中n0为同步转速.前述转子串电阻,定子调压均为改变
转差率实现调速的方法.当转差率与极对数不变时,电动机转速随频率降低而降低.在变频调速系统中,为了得到更好的调速性能,可将恒转矩调速与恒功率调速结合起来.在恒转矩调速中,要求电压与频率比值U/f=定值,在恒功率调速中,要求U/f=定值.因此根据U/f协调控制方法不同,可得不同调速特性.图8为电压型变频调速系统原理框图.其中晶闸管整流、移相触发电路、脉冲放大器、反馈环节电路及原理与直流调速类同.速度给定与频率发生器用来将给定电压变换为一定频率脉冲信号的电路.该输出脉冲分别送至环形计数器及频率/电压(F/V)变换器中.环形计数器实质是一分频器,它将来自频率发生器的脉冲按组依次分配,经脉冲放大后顺序触发逆变器的6只晶闸管,从而实现逆变。

F/V变换器用以实现电压与频率的协调控制,它将脉冲信号变换成与频率成线性关系的矩形波.即当脉冲信号频率增高时,其输出电压也增高,控制晶闸管整流器的控制角α前移,使晶闸管整流器的输出电压也增高.该系统中最重要的器件是变频器.它主要包括整流器与逆变器.整流器将工频交流电整流成直流电,经中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电供给交流电动机,以达到调速目的.
晶闸管变频调速可采用磁通矢量控制技术或大转矩提升技术,适合起重机起动转矩大、低速大扭矩及负载变化大的工况.另外,在调速过程中,从高速到低速都可以保持有限的转
差功率,因而具有高效率,宽范围和精度高的调速性能.可实现平滑启动与制动、运行稳定可靠.可以认为,晶闸管变频调速是异步电动机调速最具发展前途的一种方法,也是起重机最理想的调速方案之一.这种调速形式在国外已引起广泛重视,如日本日立公司生产的全自动起重机就采用了该项技术.目前,在国内虽不多见,但无疑会有广阔的应用前景.。