俞静华 周 崎 龚 挺
上海振华重工(集团)股份有限公司
摘 要：鉴于造船门式起重机的刚腿和柔腿的大车位置同步是其安全运行的关键，本文阐述了大车偏差的危害、产生的原因以及纠偏的原则、思路和方法，详细说明了采用位移传感器方式与绝对值编码器共同纠偏的过程和技术方案。
关键词：造船门式起重机； 大车位置偏差； 大车纠偏
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。
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。
3.1 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。
图1 大车绝对值编码器安装图
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。
图2 柔腿超前刚腿1‰示意图
龙门吊作为船厂重要的起重设备，其安全性和可靠性是必须保证的，一般都采用双保险的方式，即2种方法采集刚柔腿的行走偏差，一个直接参与纠偏，另一个作为参照比对。目前常用的做法是位移传感器方式与绝对值编码器共同纠偏。
绝对值编码器的特点是，输出的信号即编码值在一圈或多圈运转的过程中，都有与之一一对应的位置或者角度，如此便具备了掉电记忆功能。绝对值编码器是直接输出数字量的传感器，具有Profibus-DP、CAN、Internet等多种通信方式，省去了A/D的转换，可直接参与PLC的程序控制。多个绝对值编码器可以采用Profibus-DP总线控制的方式，大大节省成本。
分别在刚腿和柔腿的大车从动轮上安装绝对值编码器，记录轮子的转动圈数，通过Profibus-DP的总线通讯方式，连接到PLC的DP模块。考虑到轨道不平、电机的转速差异、机械的传动比等各方面因素，在大车的两侧轨道旁，每隔100 m设置置位点，每个置位点都采用磁铁，以二进制编码的方式排列，预埋在地上。每个点都有代表其位置的唯一的二进制编码，大车在行进过程中，磁铁感应限位感应到二进制的信号时，PLC就将该位置所代表的距离赋值给绝对值编码器。这样，大车在每行走100 m后，就可以获得一个准确的位置，为纠偏提供可信的数据。
位移传感器是一个电感式位移定位系统，可以检测出传感器表面上滑动的检测片的位置，并以电流或电压信号的方式输出给PLC。位移传感器安装在柔性铰的顶部，通过一套传动装置将主梁相对于柔腿顶部的旋转量以弧长的方式反应出来。因为弧长的半径远远大于弦长本身，因此可以用弦长来代替。当柔腿大车在+3‰～-3‰之间摆动时，位移传感器上的检测片也将随之摆动，这个检测片的摆动范围，就可以作为纠偏的参考值。
PLC程序中纠偏主要以位移传感器为依据，在经过一系列的数据分析和计算后，得出柔腿是否超前或滞后，是否需要纠偏，然后向柔腿驱动器发出指令，加快或减慢柔腿大车的行走速度，从而实现“追上”刚腿的目的。
同时，位移传感器计算出来的偏差值还要与2个大车绝对值编码器计算出来的偏差相比较，如果发现二者相差超过1.5‰，大车会停车，需要技术人员确认刚腿和柔腿的实际偏差无误，并重新赋值给相应的绝对值编码器。
此外，在位移传感器传动装置的两侧，还装有2个机械限位，分别为大车的偏差左右极限，一旦位移传感器失灵，就能起到最后一道安全保护的功能。当该限位触发时，大车行走的硬件控制回路被切断，大车将会立即停止行走。
龙门吊大车纠偏的方式很多，一般会采用2种或者多种方式组合，以提高安全性和可靠性。随着科学技术的进步，将来还会有更为经济高效的纠偏方法。
参 考 文 献：
[1] 马天平.大跨度门式起重机的纠偏装置[J].起重运输机械,1999(10):31-32.
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[5] GB/T28264-2012起重机械安全监控管理系统[S].
俞静华： 200125,上海市浦东新区东方路3261号
Rectification and Analysis of the Cart Walking Mechanism for Shipbuilding Gantry Crane
Yu Jinghua Zhou Qi Gong Ting
Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd.
Abstract：The position synchronization of the cart of shipbuilding gantry crane with rigid and flexible legs is the key factor for the safe operation. The damage caused by the cart deviation as well as the reasons, the principle, idea and approach of deviation rectification are described. The rectification process and technical scheme combining both displacement sensor and absolute encoder are specifically illustrated.
Key words：shipment gantry crane; cart position deviation; cart rectifying
收稿日期：2016-11-15
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.01.010
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