Mechanical & Chemical Engineering 机械抓斗智能抓取技术 金 建 （南通润邦重机有限公司，江苏 南通 226013） 摘要：本文章介绍了一种港口四绳机械抓斗起重机智能自动抓取控制系统。这套系统可以根据卸载物料密度的不同进行设定，实现在不同工作半径下抓取相应工作半径下最大抓取量的功能。此技术可以大大降低起重机整机功率和自重的设计选型，针对中小型综合码头的移动式多功能起重机和门式抓斗起重机等应用广泛。此技术要求改起重机配置四绳机械抓斗、支持和开闭绳卷筒均安装有重量传感器、绝对值型高度编码器，司机室配置有人机界面进行机械抓斗的相关参数设定和自动学习功能。 关键词：智能自动抓取；自学习；机械抓斗；港口装卸；变幅式吊机；效率提升；自重减轻 在码头散料装卸设备中，根据码头散货装卸量和速度的不同，主要分为两大类：连续式和非连续式。装船的方式决定了装船设备基本都是连续式皮带机方案。但是卸船是从较大的散货船将物料卸载到码头上，难度要远远大于装船。由于取料空间有限的限制，大部分卸船设备都是非连续式的。其中应用广泛的就是抓斗抓取的方式。在某些比较大型的码头，采取抓斗卸船机和码头皮带机的方案。这种方式优点是抓斗容积大、起重能力强、卸船效率高，但是缺点是投入成本高、不方便需要直接装卡车的物料的卸船。这种方式一般应用于大型的电场或者矿场装卸码头。 针对粮食和化肥等物料，变幅式起重机搭配机械抓斗的装卸方案在中小型散料码头中占有非常大的占比。变幅式机械抓斗具有灵活性高，适应性强的优点。但某些码头受承载力的限制，同时又希望得到最大程度的卸载能力。这对起重机降低自重，提高效率提出了新的要求。起重机降低自重和提升能力后，受制于变幅式吊机的吊载曲线限制，随着幅度的增加吊机能够吊载的额定重量也逐渐降低，无法实现全幅度内的额定载荷机械抓斗抓取量。需要开发一套控制系统可以在不同工作幅度内实时计算控制抓斗抓取特定幅度内的最大重量的散料。避免在较大幅度时抓取过多物料而过载，在较小幅度时又无法满斗抓取，从而导致装卸效率的降低。 考虑到此种情况，研发了一种在不同幅度范围内根据力矩限制计算额定重量，计算抓斗开度的控制方法，实现在不同幅度机械抓斗的智能自动抓取，从而保障设备全幅度范围内，宽物料密度范围内的正常顺利操作。通过自学习功能实现针对不同物料密度的自学习调整，简单快捷，降低了对起重机驾驶员的技能要求。介绍了该系统的结构组成，控制原理和算法，程序控制原理等，实际运用中系统很好地实现了不同幅度下额定重量的计算以及抓斗实际抓取量的稳定控制。适应物料密度根据不同抓斗来设定，密度相差超过1t/m3无法实现调整。 1 系统简介 技术载体和设备需求：变幅式机械抓斗卸船机；四绳式机械抓斗；控制器或者PLC；人机界面（HMI）；重量传感器；高度编码器。 技术控制方式：在原有控制器内或者另加一组控制器实时计算吊载曲线和抓斗闭斗百分比。 数据来源：对某个机械抓斗手动测量计算不同闭斗百分比下抓取同一密度物料重量，来计算此机械抓斗的抓取特性。 操作方式：通过在一批新的物料交替时让设备处于自学习模式下，操作员操作机械抓斗手动设定抓斗开度百分比来获取抓取量数据。自学习完成后，与普通机械抓斗一样正常操作。 2 原理分析 2.1 变幅式起重机的吊载曲线 由于结构特性决定了变幅式起重机在工作半径增大的同时，最大吊载重量逐渐减小。 图1 变幅式起重机的吊载特性 低密度散货抓取量 高密度散货抓取量 2.2 四绳机械抓斗工作原理 260 2020·4 《华东科技》 四绳机械抓斗由两个卷筒（支持绳卷筒和开闭绳卷筒）分别带动两根钢丝绳来驱动抓斗的上下、开闭动作。在开斗状态下支持绳卷筒承受抓斗自身的重力，开闭绳卷筒不受力。 2.2.1 上下动作 当操作员操作手柄前后动作时，控制器接收到抓斗上升或者下降的动作指令。支持绳卷筒和开闭绳卷筒得到相同的驱动力并通过检测两卷筒的高度差实时纠正两卷筒的速度值，实现两卷筒上下同步动作。 2.2.2 开斗动作 当操作员将手柄向正右方向打时，此时控制器接收到抓斗开斗的指令。此时控制器不给支持绳卷筒动作指令，根据手柄打开数值大小给开闭卷筒下降的速度指令。利用支持绳不动作，开闭绳向下动作的速度差和位移差完成抓斗打开动作。 2.2.3 闭斗动作 当抓斗在开斗状态下接触到物料时，控制器通过重量传感器检测到重量小于抓斗的自重，此时支持绳和开闭绳停止下降动作。操作员将手柄向正左方向动作，控制器接收到抓斗闭斗操作的指令。驱动开闭绳向上动作，与此同时，驱动支持绳在大于设定重量（小于抓斗自重）的情况下向下动作直至重量达到设定重量或者闭斗完成。此时利用抓斗的自重、支持绳的向下动作、开闭斗的向上动作完成抓斗的闭合抓取物料的过程。 2.3 实验数据 通过实验获取机械抓斗在不同设定开闭百分比的情况下的实际抓取物料体积比例，具体步骤如下：（1）触摸屏输入物料参考密度d和抓斗体积V；（2）控制器接收数据后计算出物料满斗时的重量W；（3）根据幅度L计算当前幅度下的额定最大起升重量W0；（4）根据额定起升重量W0和密度d计算出最大载重量下物料的体积v；（5）根据计算出的物料的体积v和抓斗的体积V计算出比例s。 2.4 建立数据模型 将实验得出的数据建立模型，并保存在控制器的断电保存存储单元中。 2.5 自学习模式 操作员通过在特定幅度下设定不同抓取百分比，进行物料抓取学习。在经过约7次不同抓取百分比的学习后，控制器自动记录下7次相应抓取的重量计算出适合的模型。 2.6 正常操作 3 计算模型 3.1 机械抓斗开闭斗计算控制分析 3.1.1 设定开斗和闭斗的绳差 绳差的定义：开闭钢丝绳的起升高度减去支持钢丝绳的起升高度。 如何设置绳差：手动单动卷扬2下放和上升至开斗和闭斗位置，并记录下此时的绳差。 默认完全开斗的绳差为0%，完全闭斗的绳差为100%。 3.1.2 开斗控制 支持绳不动作，开闭绳根据手柄速度下放，当绳差达到或者小于某一个特定减速区的绳差值时，开闭绳卷筒的速度由一个特定的减速曲线控制直至停止，此阶段，不受手柄速度控制。 3.1.3 闭斗控制 （下转第 263 页） 机械化工 图8 主泵轴承润滑水流量调节试验 图9 主泵联轴器同钻铰前后泵轴工频振动变化图 3 工频振动故障处理 根据故障分析结果，维修部门陆续对变工况时工频振动出现爬升的主泵进行了检查处理。在检查中发现部分联轴器定位销和销孔之间发生咬肉现象，部分销孔成椭圆与定位销配合超差。随后对联轴器进行了同钻铰、重新配销处理，取得了明显的效果，但工频振动随一回路压力变化而变化的现象并未消除，如图9。表明其只是改善了能导致轴系连接同心度和平直度偏差扩展的部分源头，彻底消除该现象还需对主泵的轴系对中进行处理（受条件限制，主泵轴系对中需厂房外处理）。 表1 主泵联轴器同钻铰前后通频/工频振动数据（单位：μm） 同钻铰前 同钻铰前 （正常运行工况） （冷态工况） 主泵泵轴振动 270/161 157/74 测点 同钻铰后 同钻铰后 （冷态工况） （正常运行工况） 30/9 200/89 （上接第 259 页） 对高压电机生产运行中出现的常见故障问题进行分析，提高作业人员对高压电动机检修、维护水平，对降低高压电动机的运行故障。通过对高压电动机的原理、结构及运行中容易出现的问题，做到多发现、多观察、多分析、多总结，工作中严格执行标准化检修，使高压电动机能安全、稳定、长期、满负荷、优质的运行，保障生产装置正常生产的同时，工作效率也得到了大大提高。检修人员在今后的工作中更要探索出更新，更简单的工艺技术和故障检修方法，4 结语 本文采用正向推理法，准确定位主泵工频振动扩展原因，在国内外同类型泵上首次采用同钻铰、重新配销方式有效降低主泵工频振动。随着核电事业的发展，该类型泵在国内外核电站使用增加，本文所总结的故障分析方法和采取的维修策略有着广泛的推广和应用意义。 参考文献： [1]沈阳水泵研究所.中国农业机械化科学院主编.叶片泵设计手册[M].北京:机械工业出版社,1983. [2]施维新.汽轮发电机组振动及事故[M].北京:中国电力出版社,1998. [3]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995. 作者简介： 晁义林(1975-)，男，本科，工程师，现主要从事设备振动分析工作。 将为企业带来更大的经济效益。 参考文献： [1]唐春和.高压电机速断保护动作故障的分析和预防[J].水泥工程,2010(06). [2]索霞,陈广林.高压电机故障原因分析和防范措施[J].内蒙古科技与经济,2011(01). [3]彭松宽.基于高压电机故障产生原因及其防范措施[J].城市建设理论研究,2011(24). 根据操作手按照经验值输入的密度值S1,计算此时抓斗抓取物料的体积T1=（E1-W）/S1； 根据体积百分比Tn=T1/T,如果Tn>=1,那么智能计算输出的抓斗体积百分比为100%； 如果Tn<1,那么用Tn跟列表内的模型数据百分比进行比较，找出最相近的一个Tr；将Tr存入控制器并实现断电保存。将此百分比Tr用于对应抓斗的相应开度Kr（取值范围0%-100%），并将Kr运用到抓斗支持绳下降的控制当中。 4 实际应用 （1）编制触摸屏界面及程序配合PLC控制机械抓斗的智能抓取。 （2）针对实际物料进行测试。在不同幅度下，系统自动计算出最大吊载，并根据设定物料的密度计算出抓取物料的最大体积，根据满斗100%的比例，换算出体积百分比，从而对应确定最终抓斗百分比。支持绳在抓斗实际百分比小于所要达到的百分比前，根据开闭绳的速度持续下放，以实现深挖；当抓斗实际百分比达到并超过所要达到的百分比时，支持绳不再下放，开闭绳持续闭斗直至完成。经过几次物料测试，抓取的物料基本可以控制在最大吊载的90%-95%左右，达到了智能抓取的要求。 5 结语 此项智能抓取技术能够被广泛应用于港口移动式门座机机械抓斗卸船机、港口固定式单臂架或者四连杆变幅机械爪吊机、港口移动式机械抓斗高架吊等设备，最大程度利用好变幅式卸船设备的优点，提高装卸船效率。 参考文献： [1]马宗雄.抓斗起升系统动力学仿真[D].武汉:武汉科技大学,2010. [2]汤乐.大型抓斗挖泥船起升卷筒系统参数化设计.武汉:武汉理工大学,2015. （上接第 260页） 开闭绳根据手柄速度上升，当绳差达到或者大于某一个特定减速区的绳差值时，开闭绳卷筒的速度由一个特定的减速曲线控制直至停止，此阶段不受手柄速度控制。在此过程中支持绳的动作取决于以下几点：（1）支持绳卷筒拉力传感器所承受的拉力大小；（2）智能控制抓斗闭合时的支持绳下放；（3）手动设定抓斗闭合时的百分比来确定支持绳下放的开始和停止；（4）支持绳下降速度设定为开闭绳上升速度的20%。 3.1.4 闭斗起升同步 根据开闭和支持两根钢丝绳卷筒上高度编码器所计算出的高度数值进行数据运算。在手柄操作同步起升的同时，控制器将对开闭绳和支持绳的高度进行调节，调节开始的偏差区间和结束的偏差区间可以自行设定。最终调节的标准高度差为实际闭斗的绳差。 3.2 根据抓斗闭斗开度实验进行数据分析 根据起重机的幅度范围在不同区间内做实验，并将数据进行记录。根据手动设定抓斗闭合时的开度（支持绳在此开度之后即停止）来实际抓取一种物料，并测试抓取重量。记录多次抓取数据，进行整理后，获取在设定相应抓斗闭合开度下抓取物料占百分百抓取的物料比例。根据数据分析可知，设定相同的抓斗开度百分比，抓斗抓取的物料重量与幅度无关。抓取物料重量与抓取设定百分比成一定比例。将此比例数值记录下来存入控制系统为参考值。 3.3 智能抓斗计算分析 假设抓斗总体积为T,物料密度为S，那么满斗时抓斗的抓取量为：E=S*T （吨）。 默认在抓斗开度设定为100%时，抓斗抓取的物料体积为T。如图1中变幅式起重机的吊载曲线特性，假设当工作半径大于L1米时，额定吊载重量为E1吨，抓斗重量为W，此时抓斗的额定抓取物料重量为：E1-W。 《华东科技》 2020·4 263