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浅谈桥门式起重机的智能化及安全监控需求---恺德尔科技起重机安全监控系统

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2021-02-26 09:58:00

随着国家对环保要求越来越严格,在不断加强节能减排和装备升级的政策引导下,桥门式起重机的轻量化和智能化成为发展趋势, 然而现有国产关键部件不能满足整机发展的这种要求,故被迫选用进口产品,智能控制技术水平相对滞后等因素,成为研发推广过程中的瓶颈,开展桥门式起重机智能控制技术及关键部件研发势在必行。

 随着智能技术和互联网技术的飞速发展,以及自动化新技术的应用,起重机械正在向信息化、自动化和智能化方向发展。提升生产过程的自动化和智能化水平,可有效提高工作效率保障生产安全,提升生产过程中智能化自动化水平,为我国起重机械产业升级打下坚实基础。

国内外智能化的发展概况与国际先进水平相比,我国桥式起重机存在的主要问题有:

1、长期沿袭传统粗大笨重的结构形式,制造成本和运行能耗高,国内传统桥式起重机比国外先进产品重100% 以上;

2、核心技术缺乏,关键部件 ( 如减速器、高效电机、变频器等) 长期依赖进口,增加了产品成本,削弱了产品竞争力;

3、智能化程度低,目前基本以人工操作为主,产品可靠性差。以上原因导致产品技术含量低,以粗放式生产的低端产品为主。

国内的起重机体系技术水平总体相对较低,由于智能化起重机需要较高的信息化、精确定位技术,国内起重机由于其研发能力限制并未将技术研发方向放到这个智能化技术研究方面,为了挤占初级市场,仍侧重于降低成本而非系统化、智能化,虽然部分厂商做了局部的初期研究,但研究程度远远不够。 国外起重机械已基本实现了智能化和部件小型化、模块化,其具备较成熟的吊运载荷防摇摆技术(即最佳运行轨迹控制) 、智能化自学习技术、自动导向定位等技术,并在安全性上进行了长足的研究。


随着计算机技术、自动化技术和物流集成技术等的快速发展,利用计算机网络控制系统,通过中央控制室的综合控制,使系统内所有各种类型专用设备有机结合,并与生产工艺流 程系统协调配合,在一定的时间和空间里,形成各种类型起重机械按特定功能整体组网运行,集成组合为自动化或半自动化的物料搬运集成系统。


轻量化关键部件研发趋势: 1、优化选择 优化结构取消冗余零部件或零部件中的冗余 部分; 优化结构组合,比如可以将整体式的结构剖分为若干部分,分别安放在不同的位置; 减小零部件外形尺寸。 2、优选轻量材料高强钢代替普通钢,由于高强钢强度比普通钢强度高,在等强度条件下,用高强钢制作零部件,比用普通钢制作零部件壁薄或整体外形尺寸小,可使零部件质量减轻。选用轻质材料代替钢材: 铝合金耐磨蚀,加工性好,散热性好,回收率高,用途广。保持质量减轻一半的情况下,只用增加厚度即可与等强度的钢材媲美。铝合金材价格相对较高,但从长远效益考虑,其节能减排的可持续发展带来的效益,必将使因成本所增加的份额忽略不计。工程塑料: 能长期保持尺寸稳定且性能不变,耐腐蚀,具有优良的综合机械性能,缺点是目前价格。

起重机吊钩精确定位的检测方法 如图 2 所示,


研究适用于不同工况、不同定位要求的多种起重机定位检测系统构成方法,使其具备适应生产需要、经济适用的特点。研究的内容涵盖检测装置的选用种类、信号传输方式。轻质复合材料: 以轻质材料为基体,加入钢丝、陶瓷纤维等增强材料复合制成。克服了铝合金强度比钢低的弱点,又保持了质轻的优点。 其他轻量材料: 如镁合金的密度为1. 74,比铝合 金轻,强度和刚度比铝合金高,是在汽车、 起重机等重型机械轻量化方面应用前景看好的新材料。 优选加工方法从轻量化的角度看,在满足零部件机械性能的前提下,同等性能的焊件比铸件质量轻,以起重卷筒为例,焊接卷筒比铸造卷筒轻 30% ~40% 。将上述轻量化方法整合应用,可大大提高轻量化的效果。

智能化发展方向:开展起重机全自动智能控制研究。如图 1 所示,智能化起重机应具备良好的状态实时检测能力、友好的人机交互功能、自动安全保护功能、自动控制功能、可扩展多种通讯接口、能够在地面或控制中心实施遥控控制或远程控制。检测系统构架、抗干扰能力、分辨率、可扩展性、 可视化操作等。在符合生产规划基础上,起重机控制器能够根据位置检测,自动调整起重机运行速度,控制加减速度、停止,使吊钩最终停止在指定的位置。

起重机吊钩防摇摆定位技术 传统起重机在工作中,平均超过30%的时间 浪费在固定其摇晃不定的吊钩上。负载摇摆的减小对负载的准确定位有重要意义,能够减少调整负载摇摆的时间,避免摇摆导致的碰撞事故,提高生产效率和安全性。 图 3 一种典型数据收集平台


简图 3. 4 起重机智能故障诊断系统,通过深入调研国内外起重机械智能故障诊断关键技术发展情况,开发适用于起重机械的智能故障诊断系统,提高了起重机械故障诊断能力, 有效提高了快速响应维护能力,缩短故障停机时间。

建立起重机安全保护平台为了提高起重机械行业的服务水平和快速响应能力,将起重机械的运行参数实时采集,建立工厂级管理层的状态监视安全保护平台,通过建立本平台,可使管理层实时了解各起重机运行和维护状态, 进而合理安排生产调度, 提高工厂生产率。

建立起重机远程管理平 如图3所 示,建立基于物联网的起重机械远程管理平台,便于集中管理和维护支持。起重机械种类众多,技术参数和使用工况有较大的不同,传统的维护服务多为电话支持和人员现场服务,具有信息沟通不畅、时效性差等缺点,需要研发的远程管理平台可准确掌握起重机械的运行参数,采用现代化科技管理手段,为用户提供高效和及时准确的维护支持。

设计成套电控系统 通过设计并试制基于变频集中驱动回馈单元的成套电控系统,可实现轻量化起重机电控系统专用配套,高度集成配电、控制、驱动、安全保护等单元,实现电控系统缩减外设、减少外形尺寸、整体自重降低等节材节能目标。

开发起重机远程管理平台数据分析软件 完善的数据采集分析可对起重机械行业技术 发展提供有力支持,特别是对起重机械的设计和技术发展能够起到直接的作用,通过长期的起重机运行参数记录,起重机械的研究设计人员可由此获取起重机械完整可靠的大量运行数据,分析优化相关设计。

研究物料扫描识别技术 由于吊运负载形状及分布的不规则性、多样性和复杂性,负载形状在线实时检测一直是困扰 起重机智能化的技术难题。通过物料扫描识别技术,可以极大地提高系统的安全性,可以减少人力资源的利用,为起重机械的智能控制自动化水平奠定坚实基础。

特种吊具的开发 吊具式起重机械连接被吊物品的桥梁,某种程度上讲被吊物品的特性决定了吊具的特性和功能,而吊具的性能和能力决定了起重机的智能化执行程度,以纸卷专用桥式起重机为例,为了尽可能地使用有限的储存空间,纸筒被要求极限靠近地堆放,辊筒机械直立放置,纸筒堆垛高度可达 20 m,选用合适的真空纸卷吊具,借助真空的力量,辊筒的顶部被压紧,纸筒被完全控制,接着真空吊具就可以简捷地将它们堆放在一起,最大限度地节省了储存空间。同时由于极高密度的存储,必须有严格的故障和姿态检测装置,否则无法完成相应的工艺要求。

智能化主要技术难点和重点  1、 起重机全自动智能控制的研究 为了实现桥式起重机的智能控制,重点开展以下技术的研究: 起重机大车、小车精确定位技术; 负载形状及其运行空间环境检测方法; 吊钩摇摆及精确定位技术; 车间多台起重机的调度和监控技术,包括起重机的路径规划、防碰撞、防死锁及安全防护等技术; 起重机关键部件模型建立; 起重机械智能故障诊断、维护方法。 2、起重机吊钩精确定位的检测方法 起重机的吊钩定位的检测是起重机精确定位的保障,平移机构定位所需的位置检测元件常用的有激光传感器和高分辨率编码器。激光传感器的检测精度高,受环境光和粉尘的影响非常明显,需在设计时注意避免环境光对激光发射元件及反射元件的干扰。在粉尘悬浮的环境中,激光传感器极有可能因悬浮颗粒干扰或灰尘、霉菌覆盖激光发射器而失效。编码器通常固定在起重机驱动机构的转动轴上,在平移机构上应用时,编码器测距受轨道的影响而出现误差的情况较为多见, 故需要定期在某些位置点对编码器进行位置标定,以消除累积误差。 3、起重机吊钩防摇摆定位技术 1、数学建模与实现速度给定的难度起重机在运行阶段受摩擦力、风阻、轨道、卷筒等因素影响,负载受重力和惯性影响,小车和负载之间采用柔性钢丝绳连接,摇摆检测与实 际摇摆程度相比可能存在一定滞后,因而起重机消摆过程中具有非线性和不确定性等特点。当前理论研究主要是在了解研究对象的运动规律基础上,通过物理、数学手段建立系统内部输入输出状态关系,使用分析力学理论建立运动学方程,经过线性化处理后描述起重机摇摆的运动过程。如果采用实验的方式建模,则需要通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号,激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出,应用数学手段探索系统的输入输出关系。这里包括输入信号的设计选取,系统阻尼的统计,输出信号的检测,数学 算法的研究等内容。根据数学理论计算得出的速度变化曲线可能具有连续性、平滑性和变加速等特点,对外部干扰的不敏感性较低。另外,从目前使用国外变频器的经验看,变频器的加速设置方法单一,可设置的加减速度少,从理论计算到实际应用上,还需结合变频器的性能做速度曲线的处理工作。 2、摇摆检测装置的设计选型、安装难点要对负载的摇摆进行有效的消除,需要对与负载摇摆相关的数据进行检测与估算,与摇摆检测相关装置的设计安装直接关系到摇摆检测的准确性。在设计中,检测装置与起重机小车、吊具和钢丝绳的设计与布置紧密相关。通常摇摆检测的对象有 2 : 钢丝绳摆角和负载偏移量。以国外现有产品为例,有安装在钢丝绳上的机电摆角检测装置,有使用激光测量吊具上靶标的摆幅检测装置,还有在吊具上安装无线定位装置,采用类似基站定位原理进行吊钩防摆定位的装置。然而,无论是接触式还是非接触式检测装置的设计和形式,都面临机械磨损、外部环境污染、检测元件布置场地所带来的影响。针对小角度摇摆的控制,尤其是大起升高度时的摇摆检测与控制,需要使用一种分辨率较高或具备信号放大功能的装置对微动信号进行检测,还要对起重机械运行速度与输出到电机频率之间的关系进行研究,以免电机在低频运行时出现问题。起重机 械的小车架和吊钩部分空间有限,因此,如何将检测 元件在有限的空间中合理布置和安装也是必须研究的重点