T2P变频电缆卷筒在港口起重机上的应用研究

T2P变频电缆卷筒在港口起重机上的应用研究

徐丽萍

中国船级社质量认证公司南京分公司江苏南京210011

摘要：T1P变频电缆卷筒普遍用于港口起重机中轨道式大车行走速度小于50M/min的门座式起重机和岸桥式起重机，现在为满足速度达到130M/min的轮胎式行走轮胎式集装箱门式起重机（简称RTG）并且需经常转场作业的要求，以及速度达到240M/min的自动化轨道式龙门吊，T2P变频电缆卷筒实现了上述工况要求，变频电缆卷筒应用了变频电机驱动，使电机输出给电缆卷盘的驱动力实现了恒张力控制，重新设计3级圆锥圆柱硬齿面减速箱，提高减速箱的轴端受力强度，大大提高了港口起重机中轨道式大车行走速度，改变了T1P电缆卷筒电缆直径小的、移动距离短、大车行走速度低的弊端，实现了最大电机输出功率22KW、最大电缆卷盘7米以上、大车行走速度240M/min以上。T2P变频电缆卷筒满足了现代港口起重机更大电缆规格、卷绕长度、行走速度及安装高度等要求，同时满足RTG轮胎吊的特殊工况要求，开发大车通过地面供电箱时电缆翻转装置和转场作业时电缆快速插拔装置。可满足任何复杂的移动供电要求，适用于门式、桥式、门座式起重机、堆取料机、坝顶门机、集装箱岸桥、场桥、装卸船机、冶金机械、水工机械和矿山机械、铁路集装箱堆场等大型移动设备的移动供电和数据传输。目前国内各中小码头有近千台RTG轮胎吊急需要“油改电”，国外许多岸边集装箱桥式起重机原来也用柴油机发电驱动，他们也需要节能环保、安全可靠的“变频电缆卷筒油改电”方案。同时新配套的RTG轮胎吊许多也直接选用变频电缆卷筒供电方案。T2P变频式电缆卷筒的应用将有越来越广泛的前景。

关键词：港口起重机；T2P变频电缆卷筒；变频驱动；恒张力控制；硬齿面减速箱

1．T2P变频电缆卷筒的工作原理

起重机以地面动力电缆接线箱为中心向左右行走，行走方向为远离接线箱时电缆卷筒工作在放缆状态，靠近接线箱时电缆卷筒工作在收缆状态。大车有可能在任意位置停车并停止工作，所以我们要断电保存当前电缆卷筒上已卷取的电缆圈数，以保证下次运行的时候能正确计算输出的转矩。判别电缆卷筒工作在收缆还是放缆状态，目前方案，一是通过变频电机上的编码器反馈的电机转速来判断，默认状态时收缆，当电机被拉着反转的时候程序转到放缆状态；二是通过导缆架的行程开关和起重机行走主令来判断，变频式电缆卷筒控制的主要目的是在电缆收放时实现电缆的恒张力，防止瞬时过张力对电缆的拉伤。电缆卷筒主要有收缆和放缆两种工作状态。收缆时电机的输出必须克服悬挂电缆的重力，电缆上的张力和电缆卷筒及卷筒上已卷绕电缆的惯性，并能迅速加速，保证电缆卷筒卷取电缆速度能跟随大车行走速度。放缆是通过在起重机行走时对电缆产生的拉力来实现的，电机只需输出一个能克服电缆重力和卷筒及已卷绕电缆惯性的转矩。概括的说就是在收缆和放缆的过程中，电缆重力的力臂和卷筒的惯性是在不断变化的，我们需要电机输出一个变化的转矩来实现电缆上的恒张力。

2．T2P变频电缆卷筒的优化设计

本项目涉及机械、电气等专业，尤其是齿轮减速箱必须与大车使用级别M6的要求相一致，集电箱部分必须通过耐压测试及喷淋试验，大电流快速插拔要求达到技术规范的要求。

2.1关键技术及指标：

2.1.1重新设计3级圆锥圆柱硬齿面减速箱（速比1：76）

2.1.2重新设计缓冲摆动导缆架。

2.1.3带缓冲功能的地面翻转装置。

2.1.4卷筒集电器改进

2.1.5电缆卷盘结构改进

重新设计3级圆锥圆柱硬齿面减速箱（速比1：76），提高减速箱的轴端受力强度，轴端受力提高到5吨，能够卷绕更长规格的上机电缆，调整减速比使收卷电缆的速度能与起重机大车的最大行走速度同步，在集电箱和减速箱之间安装弹性柱销联轴器，解决集电箱和减速箱之间的刚性连接而带来的现场维修麻烦，改进原来卷盘电缆穿越减速箱时的填料函密封方式，改进原来集电箱的箱盖，在箱盖上增开玻璃观察窗方便日常维护，在箱体底部增加出水塞，防止箱体内部凝露水的日积月累而带来安全隐患，还需设计新型电缆卷盘，满足同种规格上机电缆因不同制造单位其电缆截面尺寸差异大的现实问题。同时因变频电缆卷筒的驱动属恒张力调节系统，因起重机大车行程加长，电缆卷盘会很大，我们特选用带制动器的变频电机，该制动器的实际制动力矩可按实际工况调整，确保意外应急状态下电缆受力稳定，延长了电缆的使用寿命，降低了使用成本。重新设计缓冲摆动导缆架，保证电缆沿着正确的轨迹运行，传输电缆承受拉力和大车运行方向的信息，缓冲功能能有效吸收大车启动停车时的冲击载荷，保证电缆运行安全保证电缆正常安全供电。设计新型电缆卷盘，因该类电缆卷盘比较大，原来焊接式辐条变形大，卷盘开挡间距尺寸很难控制，辐条由焊接改为螺栓拚装，以方便现场按照电缆粗细调整卷盘开挡间距，满足同种规格上机电缆因不同制造单位其电缆截面尺寸差异大的现实问题。

同时满足RTG轮胎吊的特殊工况要求，开发大车通过地面供电箱时电缆翻转装置，选用整体为网状结构，径向伸缩大，装拆容易，夹紧牢靠的侧拉型电缆网套．下部配带缓冲功能的转向装置确保大车经过地面供电箱时电缆能自由翻转。为RTG轮胎吊转场作业时需要对电缆快速插拔，我们设计专用地面插座式电源箱，选用带机械和电气连锁保护功能的大电流插头方便快速插拔。

T2P变频驱动式电缆卷筒，采用了带转速强制的转矩控制方式，变频器内部的软件经先进的算法精确的计算电机输出转矩，实现了电缆上的恒张力。同时系统也提供了多项保护，极大地提高了系统的安全性和可靠性。

2.2T2P变频驱动式电缆卷筒系统构成。

T2P变频驱动式电缆卷筒系统构成示意图如图1所示，具体由以下几个部分构成：

（1）硬齿面圆柱齿轮减速箱

（2）带可调力矩制动器的变频电机。

（3）高压、低压滑环箱。

（4）电缆卷盘：其外形尺寸根据电缆规格和行走距离而定。

（5）电控系统：户内型或户外型电控柜。

（6）缓冲式导缆架

（7）远程控制箱：选配件，可安装于大车门腿处，提供简单的卷缆和故障复位功能。

（8）地面电缆翻转装置。

（9）地面电源插座箱。

2.3控制系统原理及系统功能

T2P变频驱动式电缆卷筒，采用了带转速强制的转矩控制方式，变频器内部的软件经先进的算法精确的计算电机输出转矩，实现了电缆上的恒张力。同时系统也提供了多项保护，极大地提高了系统的安全性和可靠性。

系统提供了如下的功能：

a、电缆上的恒张力控制。

b、通过操作主令来控制系统的运行和停止。

c、系统反馈“系统正常”、“系统运行”两个信号到司机室，方便司机在操作中监控本系统的工作状态。

d、系统故障时可通过本地和远程复位按钮进行系统复位。

e、提供电缆空盘和满盘的保护。

系统I/O

a、输入：要使本系统能正常可靠的运行，需提供三路信号到本系统（要求是干触点）：

①大车左行信号。

②大车右行信号。

③系统复位信号。

b、输出：本系统输出路信号到司机室，方便司机的操作和监控（干触点输出）：

①系统正常信号。

②系统运行信号。

另外本系统还输出五路信号，提供给主机电控系统使用（干触点输出）：

①卷盘满盘信号

②导缆架左限位信号

③导缆架右限位信号

④电缆张紧信号

⑤卷盘放光信号

3．结论

3.1.目前国内一大批大型港区的轮胎式集装箱门式起重机，原来机上配备的柴油发动机带动发电机供电方式，后来通过设备改造采用市电供电方式，简称为“油改电”。项目实施后，电力驱动的能耗下降30%，基本无废气排放，运行成本可下降60%，噪音下降50%以上，T2P变频电缆卷筒的应用，达到了节能降耗、环保安全的效果，经济效益和社会效益十分显著。

3.2.针对中小码头，解决方案是新增加T2P变频电缆卷筒，通过码头箱区地面供电箱供电，这就是“变频电缆卷筒油改电”方案，达到轮胎吊移动供电的经济快捷、安全可靠。国外许多岸边集装箱桥式起重机原来也用柴油机发电驱动，他们也需要安全可靠的“变频电缆卷筒油改电”方案。

3.3.为满足速度达到130m/min的轮胎式行走RTG轮胎吊并且需经常转场作业的要求，以及速度达到240m/min的自动化轨道式龙门吊，T2P变频电缆卷筒能满足现代港口起重机更大电缆规格、卷绕长度、行走速度及安装高度等要求，同时满足集装箱堆场起重设备的特殊工况要求，大车通过地面供电箱时电缆自动翻转和转场作业时实现电缆快速插拔。

3.4.T2P变频电缆卷筒可满足任何复杂的移动供电要求，可适用于港口的门式、桥式、门座式起重机、堆取料机、坝顶门机、集装箱岸桥、场桥、装卸船机，同时也适用于冶金机械、水工机械、矿山机械、铁路集装箱堆场等大型移动设备的移动供电和数据传输。

参考文献

[1]GBT18441-2009《港口起重机》

[2]JBT/T4315－1997《起重机电控设备》

[3]JT/T70.4-1993《港口门座式起重机电气设备技术条件》