宽厚钢板电磁起重系统的方案设计

鸦鸦

宽厚钢板电磁起重系统的方案设计

摘要：基于系统集成的设计思想，给出了宽厚钢板电磁起重系统的组成原理，介绍了该系统的总体设计与单元设计中的几个关键问题；重点论述了系统总体设计的约束条件、总体布局设计原则及其采取的措施、耐高温专用线性电磁铁的设计思路和电控子系统的工作原理；特别是在电磁起重技术领域引人了精确调磁的概念，并付诸于设计实践中；同时给出了一个总体分布实例及其电磁铁的设计结果。
关键词：电磁铁；起重技术；宽厚板

宽厚钢板在国民经济和国防建设中具有极为重要的地位；然而，在宽厚板起重技术的研究和应用方面，我国还处在起步阶段川。为满足某特大工程项目的需要，基于系统集成的设计思想，作者对宽厚板起重系统的技术方案进行了较深人研究，并研制了宽厚板电磁起重系统的样机。

宽厚板的特点是大而重。如外形尺寸13000mmx4900mmx50mm的钢板，其重量达25t。一般的钢材吊运，通常采用一个或几个电磁铁进行起重。但对宽厚板而言，需要几十个起重单元协同工作，而不是一堆电磁铁的简单组合，由此给电磁起重系统的设计带来一系列特殊问题，如电磁铁的布局合理性，成组电磁铁的选择与协同工作，需满足不同被吊物的磁力调节，系统安全防护与故障诊断，等等。作者就此进行了阐述。

1 系统组成

起重电磁铁是以被吸物作为衔铁的一种直流电磁铁。将n台电磁铁通过电控系统有机地组合在一起，便形成了电磁起重系统。电磁起重系统的工作原理相对简单，工作时根据上层网络的指令，电控系统控制全部或部分电磁铁协同工作，达到吸放钢板的目的。

电磁起重系统由电磁铁、电控子系统和机械组件构成，如图1所示。电控主电路由PLC主控单元、变压器、可控整流模块和接触器组成。PLC主控单元通过控制可控整流模块实现电磁铁调磁，而各吸盘通断电选择由PLC控制接触器实现。由这些主电路构成调磁保磁控制屏和自动充电屏，加上免维护蓄电池组，构成了三位一体的电控子系统，该系统能自动切换、互为备用，能实现恒充、浮充、自动跟踪和自动调整。

图1电磁起重系统的组成

2 系统设计的约束条件

电磁起重系统的设计包括总体设计和单元设计。总体设计包括目标分析与分解、总体布局设计、电控原理确定等；单元设计包括机械子系统的设计、电磁铁的设计、电控单元设计等。设计电磁起重系统时，除了满足技术指标的要求外，应重点考虑下述约束条件。

1)被吊物方面：①满足最大载荷要求(即电磁铁负载满足要求)；②钢板的最大、最小外形尺寸：长x宽x厚；③钢板的材质(不同的材质，其导磁率和饱和磁密不同影响吸力)；④钢板的温度(影响钢材的导磁率及饱和磁密，钢板的挠度增大)；⑤钢板的挠度；⑥钢板的表面质量、氧化层厚度。

2)起重系统本身：①电磁铁的自重；②安全系数>2；③通电持续率60%；④系统的响应时间(吸放时间)<3s；⑤电磁铁内部温升问题；⑥吊运偏心问题(对正问题)<10%；⑦成组电磁铁的共平面问题；⑧长短挂梁的共用电控问题；⑨与挂梁的接口；⑩电控系统内部干扰问题；@长挂梁的伸缩问题；⑩起吊加速度及扰度突出边的动态压力问题。

3)环境方面：①环境温度；②外界干扰等。
4)其他方面：①突然断电、整流器故障；②某一个电磁铁出现故障，等。

3 电磁铁总体布局的原则

根据被吊钢板的参数确定电磁铁的总体布局，基本原则是：用最少的电磁铁个数，安全可靠地满足起重要求，并确保板材的变形量最小。为此电磁铁总体布局设计从下述3方面展开：①进行力学分析。对薄板而言，电磁铁的分布适宜布置在长板材的“爱里”点上；对厚板而言，电磁铁布置必须满足在布置间隔内对最重板的吸力要求。②分析国外同类产品的参数，如意大利TECNOMAGNETE公司、德国WALKER公司和美国STANVER公司的宽厚板电磁起重系统等。③用常规电磁铁作板材吸吊实验，通过实脸找出板材变形量与电磁铁分布间的规律。

综合上述3方面的结果，同时考虑到板材规格的变化，进而确定了电磁铁的总体分布。例如，对钢板(尺寸为：厚度5-50mm、宽度1。3^4。9m、长度6。0-45。0m)的起吊，当长短挂梁净起重量均为26t，其电磁铁的总体分布如图2所示，共采用17个电磁铁。

图2电磁铁的总体分布

综合上述3方面的结果，同时考虑到板材规格的变化，进而确定了电磁铁的总体分布。例如，对钢板(尺寸为：厚度5-50mm、宽度1.3^4.9m、长度6.0-45.0m)的起吊，当长短挂梁净起重量均为26t，其电磁铁的总体分布如图2所示，共采用17个电磁铁。

4 电磁铁的设计

1)专用电磁铁设计宽厚板的起重通常以单张进行。由于常规电磁铁的磁力特性是强烈非线性的[2]要从一叠钢板中可靠地吸吊起单张钢板，采用常规电磁铁是不适宜的，为此需要设计专用电磁铁。

额定载荷P的确定

P=Wmax/n(1)

式中：Wmax为被吊钢板的最大重量；n为电磁铁的个数。

安全系数K的确定

K=F/P(2)

式中F为单个电磁铁的电磁力。

电磁力F的计算(3]

F=B2A/(2μ0)(3)

式中：F为电磁力(N)；B为工作气隙处的磁通密度(T)；A为有效吸附面积(m2)；μ0为真空中的磁导率(4πx10-7H/m)。

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根据式(1),(2)，安全系数取2.5，就可以确定最大电磁力。根据式(3)，合理选择B值，就能确定A值，这样就对应确定了线圈芯的截面尺寸。

为确保电磁铁在高温下能正常工作，对电磁铁进行了耐高温设计。设计要点在于既要把内部线圈产生的电阻热散发出去，又要阻止外部钢板的热量传进来。所采取的措施有：采用耐高温的电磁线；增加导热绝缘层和外部传导热阻断层；采用防辐射隔热层；加大散热面积并设计了外部散热风道。

鉴于每次只吊运单张钢板，而钢板规格的变化范围很大，针对不同厚度的钢板，电磁铁需要输出不同的电磁力，因此需要对电磁铁进行无级调磁。为此，提出了“精确调磁”的概念，并开发了相应的技术。要实现无级精确调磁，对电磁铁而言，其关键是在保证足够透磁深度的情况下，电磁铁的磁力曲线FII要有较宽的线性范围[4]。对应图2所示钢板，满足钢板温度t=600℃条件下，所设计的专用电磁铁采用多个线圈，全密封焊接式长方体钢板结构，基本参数为：外形尺寸2700mmx240mmx320mm、额定起重量6.5t、安全系数K>2.5、工作电压为直流DC220V、防护等级IP54。这种电磁铁透磁深度相对较浅、线性好、重量轻、功率小。

2)电磁铁性能一致性为确保精确调磁、准确吸吊对应的钢板，要求成组电磁铁之间性能具有高度的一致性。对同一台吊车所用的电磁铁，经分析其电磁性能一致性要求为98%。

3)电磁铁吊挂高度一致性电磁铁与挂梁的联接采用链条联接方式。对成组电磁铁的基本要求是：保证磁极的底平面处在同一平面内。这个问题在厚板起吊中是个貌似简单却十分重要的问题。由于厚钢板是平直不易变形的，如果磁极工作面参差不齐，不在同一水平面上，则必将造成举高较低的电磁铁相当于“下沉”，不但不产生吸力，而且将“压”在被吸钢板上，形成“负吸力”。这样一来，总的吸力明显降低。为此采取措施：①电磁铁装配完成后，对磁极底面进行精加工，确保每个电磁铁的底平面平整；②为保证电磁铁的吊挂高度一致，采用高度可调的悬挂装置，该装置系螺栓式机构。在现场调试安装时，对成组吸盘进行高度调节，尽可能使成组电磁铁的底平面在同一水平面里。

5 电控子系统设计

1)工作原理系统的程序控制采用西门子S7-200 PLC主控单元(CPU226)。CPU226通过DP接口模块EM277接到Profibus总线，与行车主PLC通讯。人机界面采用254mm触摸屏，采用SIMATIC ProTool组态软件进行组态，各控制功能在触摸屏上显示为菜单，只需简单触摸，即可完成控制；触摸屏通过通讯电缆联接到CPU226的MPI接口。为确保控制系统在掉电时保持正常工作，系统的程序控制部分采用UPS不间断电源供电。

调磁系统采用智能三相全控整流模块，将主电路与触发电路集成为一体。系统设有电压传感器和电流传感器，实时检测模块输出电压、电流，电压传感器和电流传感器输出通过A/D模块读人PLC。PLC将整流模块输出电流值与给定电流值进行比较，根据比较结果调整D/A输出。整个系统对工作电流闭环控制，控制精度高，确保电磁铁的吸力稳定，从而保证按设定方式吊运。调磁系统为逻辑无环流可逆系统，充磁时正组可控硅导通，电能正向馈人电磁铁；退磁时PLC首先控制正组整流模块移相至逆变状态，将电磁铁能量大部份回馈到电网；PLC检测电流值为0时，确认正组整流模块关断，再触发导通反组整流模块，对电磁铁反向去磁。系统取消了外接电阻器强制去磁的方式，充磁退磁快，退磁效果好，实现了无触点控制。

2)电磁铁选择控制PLC的输出通过接触器控制各电磁铁通断电，每个电磁铁分3段控制，并对各电磁铁的工作状态进行检测，发现故障立即报警。由于调流模块仅在吊运时输出电流，所有接触器都可以在主电路无电时由PLC控制其通断，接触器触点不易损坏，使用寿命长。

3)停电保磁系统采用免维护蓄电池作为备用电源，由自动充电屏对电池自动恒充、浮充，也可通过按钮手动控制主充、浮充。自动充电屏对电池欠电压、过电压自动检测、报警，根据检测结果实现浮充主充自动切换，并对电池定期活化放电。自动充电屏能自动限制充电电流，防止电流过大损坏蓄电池。系统自动跟踪主电源状态，保证在主电源断电时蓄电池自动投人使用。

4)系统保护电路电源进线采用过压自动脱扣断路器保护，变压器次级采用快速熔断器限流保护，吊运时若断路器脱扣或熔断器熔断，蓄电池自动投人工作，确保安全吊运，同时发出警报。

PLC通过电压传感器和电流传感器实时监测直流输出电压、电流，并与给定值进行比较，当偏离限定值过大时(过压或欠压),PLC自动关断整流模块输出，并控制蓄电池自动投人工作。多个吸盘联用时，当某个电磁铁发生故障导致其电流异常上升时，断路器自动切断这个电磁铁的电源，避免连锁反应而影响其余电磁铁的工作，同时发出警报。整流模块有完善的阻容保护和防雷击防浪涌电压冲击的压敏电阻保护。

6 结束语

宽厚板的起重，特别是多规格的高温宽厚板的起重，是一个十分复杂的技术问题。既有起重系统整体的技术问题，又有单元技术难题。合理的电磁铁总体布局、耐高温的线性电磁铁、精确调磁技术以及无触点电控系统，还有文中没提及的可伸缩挂梁，都是技术关键。解决宽厚板起重技术难题，要以成熟的单元技术为基础，用系统集成的观点去统筹考虑机械、电磁和电控问题以及相互间的藕合问题。

参考文献：
[1]陈瑛 论宽厚钢板轧机[(J]。宽厚板，1995,1(1)：1-10。
[2]梁志军 起重电磁铁的吸力特性分析与测试[J]。起重运输机械，1995(10)：3-6。
[3]杨柞新 电磁铁应用设计计算方法[J]。机床电器，1996(1)：44-46。
[4]张逸成，沈玉琢，姚勇涛，等 计算电磁铁三维非线性瞬态磁场数学模型的研究[J]。上海铁道大学学报，1999, 20(4)：45-50。
[5]宋恩峰，魏雁。起重电磁铁无触点控制装置f。il。起重运输机械，1996(2)：30。