第26卷第2期武汉科技大学学报(自然科学版)Vol.26,No.22003年6月
J.of Wuhan Uni.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)
June 2003
收稿日期:2002-10-10
作者简介：谢剑刚(1956 )，男，武汉科技大学机械自动化学院，副教授.
谢剑刚
(武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉,430081)
摘要：用位移传感器测量出起重机车架相对于轨道的偏斜量，以此量作为控制信号，通过变频器调整驱动电动机的转速，而自动修正车架的偏斜，并加强车架的水平刚性，使起重机 啃道!现象得以基本消除。关键词：起重机；啃道；治理；变频调整 中图分类号:TH215 文献标识码:A 文章编号:1672-3090(2003)02-0152-03
1 啃道!治理现状
中文译音
据统计，工矿企业里的起重机大车运行时，其车轮轮缘与轨道侧面相挤压摩擦而产生的 啃道!现象约为60%左右，其中50%的起重机 啃道!现象较为严重。据了解，武汉某厂至今仍平均25天就要更换一 套因 啃道!而报废的车轮组，而更换一套车轮组的直接费用高达3.5万元以上。可见，起重机大车 啃道!给企业造成的经济损失较为严重。
长期以来，人们致力于解决 啃道 问题，曾经试验过下列几种方案:
(1)润滑车轮轮缘及轨道侧面。采用这种方式，可降低轮缘与轨道的摩擦系数，在一定程度上减轻轮缘的磨损，但副作用是导致了大面积的油污染，磨损仍然得不到有效的根治。
(2)加装水平轮。将大车车轮轮缘去掉，加装水平轮，用水平轮的滚动摩擦代替轮缘与轨道的滑动摩擦。但是，由于轨道的安装误差，水平轮是刚性结构，水平轮与轨道的间隙调整困难，因而这种做法的实用效果并不太好。
(3)调整车轮安装精度。我国制定了起重机车轮的安装标准GB/T14405 93。若严格按此标准执行，则大车车轮的寿命可达半年至一年。但由于国产起重机一般采用角型轴承箱结构安装大车车轮，这种结构使车轮的调整难度较大；加上工作时间的限制，一般企业难以长期执行此标准，反而随着更换车轮的次数增多，安装误差越来越大，车轮寿命也越来越短。
(4)采用特殊形状车轮。有人在车轮轮型上作了较多的研究，发明了各种形状的车轮，如锥形、大圆弧形等，利用车轮特殊几何形状进行自动
导向。但是，试验结果表明，这些车轮的效果不甚明显。
(5)断电纠偏。对于门式起重机，为了保证两
侧支腿运行的同步性，有人设计了偏斜指示器，当车架扭曲时，偏斜器使超前一侧的电机停止运转，以此调整两条支腿的行进速度。可想而知，这种频繁起动制动，必然造成机械部件的提前损坏。
matlab上述种种 啃道 治理办法，效果均不理想。因此，专家们一直称 啃道!问题为起重机的痼疾问题。
2 啃道!治理机理认识
上述种种努力的付出者认为，起重机的操作模式、轨道及车轮的安装精度是引起的 啃道!发生的主要原因。笔者认为，对于跨距及轨距误差不大的起重机，大车运行时发生的啃道，是由于起重机车架相对于轨道发生偏斜行走，即车轮水平偏斜，造成车轮轮缘与轨道之间沿偏斜方向的侧隙减少，导致车轮与轮缘相挤压磨损而啃道。其形成方式如图1
所示。
图1 车轮偏斜 啃道!示意图
有人认为，钢铁厂的耙式起重机(小车旋转式起重机) 啃道!的发生，是由于小车车体的旋转使
车轮轮缘横向移动而与轨道侧面相互挤压。事实上，经分析可知，在材料与摩擦系数相同的条件下，小质量的旋转体不可能带动大质量的旋转体，小车车体的旋转不可能造成大车车轮横向移动，只是在大车运行时有可能加剧车轮偏斜的趋势。因而，治理啃道!的根本措施在于纠正车架相对于轨道的偏斜，控制车轮沿轨道中心线行走。若把偏斜行走的侧向移动控制在侧隙范围内，使车轮轮缘与轨道侧面不产生接触和挤压，则啃道!现象不会发生。
按照治理啃道!应控制车架偏斜的设想，笔者将大车运行电机改成变频驱动方式，其输出频率由计算机发出的控制电压所决定。其工作原理是，在起重机的车架角点处安装4个位移传感器，一旦车架相对于轨道有偏斜，车轮就存在侧向位移，位移传感器感受到这些位移，通过运算得到车架的偏斜量，计算机通过对采集到的偏移量的运算而发出控制信号，经D/A转换成控制电压，通过调整变频器的输出频率而改变主动车轮的运行速度，纠正车架的偏斜。
中国进出口银行若车架向前运行时发生顺时针偏斜，在规定的时间里，其偏移转角被计算机采样，计算机根据偏斜值发出指令，使右侧变频器输出频率增加，左侧变频器输出频率降低(差动模式)，或左侧变频器输出频率保持不变(单动模式)，则右侧电动机的转速由下式决定。
n=60f(1-s)/p
式中:f 电源频率;s 电机转差率(变化范围不大的参数);p 电机磁极对数(不可变化的参数)。
右侧电动机的转速因频率的升高而增加，左侧运行速度则降低或保持不变，因此车架有逆时针转动的趋势，从而可矫正车架的顺时针偏斜；反之，若车架向前运行时发生逆时针偏斜，则加快左侧电机的运行速度，使车架发生顺时针偏斜，以矫正原来的偏斜。这样动态地调整，使车轮与轨道的中心线保持基本重合，啃道!就得以消除。车架向后运行时，按同样的方法纠正车架的偏斜，保证车轮轮缘与轨道间的侧隙不变，以消除啃道!。其纠偏动作示意图如下:
3 啃道!治理措施
由上所述可知，加大起重机的水平刚性，可实现自动纠偏。
如图3所示，一般桥式起重机车架为四边闭合框架式结构。由几何分析可知，这种平行四边
ncc
形结构属于不稳定结构。这种不稳定结构下的车
图2 准直运行示意图
轮的偏斜可能单独发生在一侧端梁上。对于这种不是整体运动的单侧车架偏斜，计算机是采集不到信
号的，因而也就不能自动纠偏。在没有自动纠偏的情况下，增加起重机车架的水平刚性，对于减轻车轮啃道有重要意义。一般情况下，大车的运行由两套电机分别驱动，当一侧电机超前时，其负载必然增大，机械特性会使电机自动减速，而另一侧电机因车架具有足够的水平刚性，受对侧电机的曳引而减轻负载，使转速增加，从而使车轮的行进速度自动调整，减轻了偏斜和啃道!。大多数情况下，因分别驱动的小车运行机构，跨距小。水平刚性相对较大，因此很少有啃道!的现象。因此，加大起重机水平刚性是很重要的工作。然而目前我国在起重机设计中尚未充分注意到这一点。
图3 起重机桥架框图
为加大起重机的水平刚性，可采取如下两条措施:∀把主端梁的联接改为三角形联接，变几何不稳定的平行四边形结构为几何稳定的三角形结构;#加强走台，把走台的材料由角钢改成槽钢，或用槽钢拼成箱型梁。
为了有效治理啃道!，笔者制作了一个如图4所示的治理模型。该模型的示意图按实际起重机比例缩小而成。
图4 啃道治理模型图
1 电动机;
ldap2 计算机;
3 起重机车架;
4 变频器;
5 位移传感器;
6 车轮轮缘;
7 轨道
在啃道!治理模型中，起关键控制作用的是计算机程序框图，其程序框图如图5所示。
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2003年第2期 谢剑刚：起重机大车运行啃道!现象治理
图5 自动纠偏控制框图
4 纠偏试验及纠偏结果分析
在模拟故障实验时调偏车轮，模型运行3m
左右即发生啃道；加上纠偏控制系统后，在全长8m 的轨道上未发生明显的车轮啃道，车轮轮缘与轨道的侧隙保持较好，即使试验轨道存在较大的安装误差，设备运行仍然良好。
在调试过程中，笔者解决了采样滤波问题、最佳响应周期长度问题、最小分辨率和传感器精度匹配问题、通信干扰问题及起重机日常操作习惯与自动纠偏系统匹配等问题。
据测算，用这样的自控纠偏设备并辅以加强车架的水平刚性措施，能保证车轮寿命达18个月以上，可节约10%~20%的电能消耗。可见，采用此治理措施，可获得较高的经济效益。
值得注意的是，由于需保证一定的调整空间，变频器最高设定频率(基本频率)不能超过45Hz，因此起重机改造后可能出现运行速度下降的现象，其下降幅度为10%。但由于该系统响应速度快，因此可以忽略其速度下降，并且可以用更换电
机或减速机的方式来解决。由于一般工业生产着重追求可靠性，故实际设备的改造时本系统可用PLC 局部代替计算机。
S olution of Track gnawing by Crane Engine Driver in Operation
XIE Jian gang
(College of Machinery and Automation,Wuhan University of Science and T echnology,Wuhan 430081,China)
Abstract :The deviating distance of crane frame from track is measured by displacement sensor and taken as the con trol signal By adjusting the rotational speed of electromotor with frequency converter,the deviation of crane frame
from track is automatically corrected and the horizontal rigidity of crane frame strengthened With these measures,the track gna wing by crane in operation can be avoided
Keywords :crane;track gnawing;solution;adjustment by frequency c onverter
[责任编辑 彭金旺]
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