K35轻型集装箱跨运车电动变频驱动技术

　《起重运输机械 》　2008 (8) K35轻型集装箱跨运车电动变频驱动技术 交通部水运科学研究院 　杨 　瑞 　陈丽昕 　　摘 　要 : 轻型集装箱跨运车是一种集搬运和装卸功能于一体的集装箱专用机械 , 其操作灵活 , 特别适合路 域较窄、装卸繁忙的港口和多用途码头以及集装箱物流场站使用。本文介绍为广州鱼珠码头研制的 K35轻型集 装箱跨运车 , 重点对电气系统中电力变频驱动机构设计进行分析和探讨。 关键词 : 集装箱跨运车 ; 电气系统 ; PLC; 变频控制 Abstract: L ight duty container straddle carrier is considerably suitable to be used to handle and load /unload contain2 ers in narrow and frequently loading/unloading ports, multi - purpose term inals and container distribution center1 This pa2 per covers the K35 light duty container straddle carriers specially designed for Guangzhou Yuzhu term inal, focusing on de2 sign of frequency converter in the electrical system1 Keywords: container straddle carrier; electrical system; PLC; variable frequency control 1　前言 集装箱跨运车出现于 20世纪 60年代末 , 是集 集装箱搬运、堆码和装卸功能于一体的集装箱专 用机械 , 适用于集装箱码头和物流场站。传统的 跨运车采用全液压驱动 , 系统复杂 , 投资成本高 , 维修难度大。 交通部水运科学研究院根据广州鱼珠穗林码 头的具体特点 , 为其设计、制造的 K35轻型集装 箱跨运车采用柴油发电机组电力驱动 , 电液结合 控制方式 , 具有自重轻、轮压小、行驶速度快、 电动变频大车驱动等特点 , 机动灵活性强 , 既能 装卸又能运输 , 可以一机多用 , 是一种多功能的 港口搬运车辆 , 新机型的投入替代了原来码头由 拖挂车和集装箱正面吊运机构成的工艺系统 , 提 高了码头垂直装卸及水平运输的作业效率。 2　整车特点 K35轻型集装箱跨运车整车工作级别为 A6, 起升机构工作级别为 M6, 大车运行机构工作级别 为 M4, 主要技术参数如下 : 额定起重量 (吊具下 ) 35 t 起升高度 417 m 起升运行速度 10 m /m in 最小转弯半径 9 m 大车运行速度 10 km /h 跨距 414 m 轮距 612 m 最大轮压 < 20 t 柴油发电功率 160 kW 供电参数 AC380 V /50 Hz 跨运车车体金属结构件采用门架结构 , 门腿 为 “工 ”字型焊接 , 整体结构紧凑 , 外形尺寸小 , 自重轻 ; 机构采用电力机械式属具升降系统及电 动变频大车驱动方式 , 机构系统整体简洁 , 启动 力矩大 ; 属具装卸采用先进的钢丝绳卷筒缠绕方 式 , 有效防止集装箱偏载而造成偏转 ; 交流变频 调速技术的应用 , 充分发挥 PLC、编码器的数据采 集及处理能力 , 使电气系统的控制性能有了很大 提高。 3　电气系统设计 跨运车电气传动与控制部分主要包括大车行 走机构、起升机构、液压泵站及转向机构等。电 气传动与控制图如图 1所示。 起重电机一般按最大负载需求设计电动机的 容量 , 故其裕量偏大 , 而在实际运行中 , 重 /超载 运行的时间所占比例却非常少 , 因此变频调速系 统很重要。变频调速不仅可大大提高跨运车载重 运行时的工作效率 , 而且可以节省能源 , 减少能 耗。系统配备 2 台 45 kW 的交流变频调速器、 PLC、电子油门踏板、起升操作手柄及液压泵站、 —93— © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 《起重运输机械 》　2008 (8) 图 1　电气传动与控制图 电磁阀块等元件。 311　电力大车变频控制 常规的跨运车大车行走均采用液压驱动 , 配 件较昂贵 , 维修难度大 , 技术要求高 , 在一定程 度上不太适应我国中小港口的使用条件。本设计 采用电力变频驱动大车 , 实践表明 , 跨运车大车 直线行走、制动及转向行走状况均良好。 (1) 直线行走 　驾驶员对电子油门施加信号 , PLC实时检测电子信号 , 根据油门的脚踩深度来 启动车辆 , PLC系统同时根据挡位换向开关调整 大车前进或后退 , 实现车辆的启动及直线行走。 为了缓和跨运车在不平坦道路上的冲击载荷 , 车 架与底梁之间设有螺旋弹簧独立悬挂 , 以减缓振 动冲击。 (2) 制动 　跨运车制动系统包括行车制动和 驻车制动 , 行车制动采用四轮钳盘式液压制动器 , 通过液压制动踏板 (脚刹车踏板 ) 控制制动器内 的活塞 ; 驻车制动则采用立式电机的盘式制动器 , 通过司机室驻车制动开关对制动器进行控制。跨 运车采用钳盘液压、电气双重制动装置不仅具有 电气制动的便利 , 同时也利用液压制动具有较大 制动力矩的特点 , 大大提高了刹车系统的可靠性。 (3) 转向 　一般的载重车辆配备有载重桥 , 转向过程中载重桥自动实施内侧轮与外侧轮的机 械差速 , 使转弯过程中内侧轮能够根据实际负载 及行车速度调节桥间差速器 , 从而转弯平滑。由 于跨运车采用横梁结构 , 故其无法通过转向差速 器来实现车轮滚动转向 , 车辆在行驶中不仅危险 而且易于产生滑动摩擦 , 增加燃油消耗 , 加速轮 胎磨损。本设计中着重考虑了转向差速 , 在车速 检测中引入测速传感器 , 其与 PLC速度控制回路 构成闭环系统 , 根据方向盘转向速度变化率及当 前车辆行驶速度实时调试车辆转弯时内侧车轮速 度 , 大大减少了滑动摩擦力 , 使车辆行驶更加顺 畅 , 提高了行车安全性 , 增加了整车经济性 , 也 减少了环境污染。 312　电力起升变频控制 常规的跨运车起升采用液压驱动 , 液压部件 多 , 成本投资大。本设计利用变频驱动大车 , 在 增加元件不多的前提下 , 设计了电力起升变频控 制。实践表明 , 这样不仅能够达到功能要求 , 减 少元器件 , 节省空间 , 而且制造成本有所降低。 起升机构由交流变频电机、块式制动器、减 速器及双联卷筒构成 , 共有 2套 , 对称布置 , 每 套起升机构采用单独变频器工作。对于具有位势 负载特性的起重机构的控制要求更加严格 , 本设 计通过高性能电流矢量型变频控制器及电机旋转 编码器使起升动作调速范围广、调速精度高、动 态响应好。 起升机构的每个卷筒上均安装有起升高度限 制器及轴承座式的超载限制器 , 通过倍率计算 , 实时显示起重量及高度 , 并将输出信号输入到 PLC, 大大提高了起升作业的安全性。 313　PLC控制 跨运车中心控制器系统采用 PLC可编程控制 器 , 以设定的速度和压力为控制目标组成闭环控 制系统 , 见图 2。 图 2　PLC控制系统框图 跨运车采用司机室与电气房通讯方式 , 大大 减少了电缆穿线的数量 , 使整机拆装、布线及安 装更简洁 , 同时减少了故障点。 PLC根据油门踏 板、起升手柄控制信号驱动变频器 , 机构执行元 件接收到指令信号后有时序地动作 , 保证了运行 的畅通。 为了避免因速度过快 , 尤其是在车辆载重转 弯过程中发生危险 , PLC系统通过接收到的车辆 速度信号及转向信号进行测算 , 达到设计预警值 时 , PLC保护网络自动切断油门踏板的高速信号 , 使高速挡暂时失效 , 同时提醒驾驶员降速 , 以达 到安全行车的目的 ; 为了防止车辆超速 /超载 , 设 —04— © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　《起重运输机械 》　2008 (8) 置油门安全线及载重安全值 , 当载重量超过系统 设定的阈值后 PLC保护网络立即启动 , 并发出声 光报警 , 提醒驾驶员注意行车安全 , 必要时系统 会自动切断电路 ; 为了提高行车的可靠性 , 刹车 油路压力不足或手刹车没有释放 , PLC相应保护 电路动作 , 车辆不能挂挡。 314　柴电远程控制 跨运车作为港口集装箱搬运车辆 , 行走灵活 , 动作迅速 , 因此其用电设备所需的电能不同于港 口起重机电缆卷筒用电 , 本设计跨运车采用柴油 发电机组电力驱动。鉴于港口工作环境 , 柴电机 组配备应兼顾高效、清洁等方面 , 并配备远程控 制及远程监控 , 从而实现启停便捷、运行平稳、 节约能耗的要求。 (1) 启动及停机 　柴油发电机组的启动是靠 起动机实现的 , 启动时 , 由柴电机组蓄电池向起 动机提供电流 , 启动钥匙开关旋至起动状态位置 , 此时启动马达通电 , 机组启动 , 待听到柴油机组 点火声音时立即松手 , 钥匙开关自行回到运行状 态 , 若将起动钥匙开关恢复原位 , 则发动机供油 阀断电 , 发动机熄火。与其他发动机停机、运行 和起动方式相比 , 简化了系统的结构 , 增加了系 统的可靠性。 (2) 运行 　设备增加了远程控制及远程监控 模块 , 驾驶员不仅可以在司机室对发电机组的起 停及发电机的转速进行控制 , 而且可以实时监控 柴油发电机组的运行性能及油温、油压、水温等 各项参数 , 从而大大提高了行车质量。 (3) 节能 　设计时对电路及 PLC系统进行了 改进 , 使柴油发电机组能够根据驾驶员脚踩油门 踏板的深度及吊具起升的手柄挡位来远程实时调 控发电机转速 , 使输出功率随着负载的变化而变 化 , 实现了怠速时机组低速运转、工作时机组随 时调整输出功率的节能效果。 315　压力泵站控制 对于柴油电力驱动、电液结合的控制方式 , 液压系统也是重要工作单元 , 常规系统中液压动 力源长期开启 , 造成液压系统温升较大 , 对液压 管路及调节阀带来很大弊端 , 造成能源大量浪费。 本设计对液压动力源增加压力传感装置 , 当系统 压力达到设定值时 , PLC系统检测到此信号后延 时 30 s停止动力源供给 , 当蓄能器压力降低到阈 值时 , 系统自动启动 , 动力源工作。经过现场测 试 , 此方案简单可行。 4　结束语 目前 , K35轻型集装箱跨运车已经制造、安 装、调试完毕 , 并进行了相关的性能测试 , 其各 项指标完全达到设计要求 , 已交付用户使用。集 装箱跨运车电气系统的研制充分吸收了国内外跨 运车及港口集装箱装卸设备的成熟技术 , 认真听 取了用户的反馈 , 使产品在使用的可靠性、 安全性和操纵的舒适性以及维修的方便性等方面 均有了很大提高 , 其系统设计和制作工艺均达到 国内先进水平。 采用柴油电力驱动 , 电液结合的控制方式的 轻型集装箱跨运车的成功研制和开发 , 为跨运车 市场增添了新的选择 , 对跨运车乃至整个港机设 备的研制开发有重大意义。 参 　考 　文 　献 1　Straddle Carriers Container Handling1Port Development In2 ternational, 2002 (1 /2) : 26—28 2　蔡清裕 1港口起重设备起升机构变频器的选型 1港口装 卸 , 2006, 165 (1) : 29—31 3　李海波 135 t轻型集装箱跨式运输车的结构和特点 1水 运科学研究 , 2006 (4) : 42—46 4　任致程 1电动机变频器实用手册 1北京 : 中国电力出版 社 , 2004 作 　　者 : 杨 　瑞 地 　　址 : 北京市海淀区西土城路 8号交通部水运科学研 究院 邮 　　编 : 100088 收稿日期 : 2007 - 12 - 12 我国机械工业国际标准转化率达 77% 据中国机械工业联合会消息 , 目前我国机械工业 领域国际标准的转化率达 77%。按机械工业行业分 类 , 机械工业 11个行业中 , 国际标准转化率超过 70%的有 9个行业。从整体上看 , 我国机械工业领域 采用国际标准比例高于国家平均水平 , 主要得益于机 械行业注重机械工业标准化制修订工作。中国机械工 业联合会表示 , “十一五 ”期间 , 机械工业还将加大 力度做好机械工业标准化工作 , 进一步提高在国际标 准制订中的主导地位 , 提高机械工业整体竞争力。 —14— © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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