集装箱龙门起重机设计(电气控制部分)【5张CAD图纸与说明书全套资料】
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5张CAD图纸与说明书全套资料
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重庆交通大学二OO八届机电一体化专业毕业设计（论文）前 言第二次世界大战以后，在运输业发生了一场技术革命集装箱运输。六十年代中期集装箱运输受到世界各国的普遍重视，从而得到了迅速发展，以形成一个完整的体系。国际标准化组织为集装箱规定了统一的规格、重量。为发展集装箱运输，又出现了许多种类的装卸机械，集装箱龙门起重机就是其中的一种。集装箱龙门起重机由普通龙门起重机发展而来，是专门用来装卸集装箱的一种起重机，被广泛的用于码头、车站、货场等。集装箱龙门起重机最早出现于1958年。1965年以后轨道式集装箱龙门起重机有了很大的发展，随后在19711972年轮胎式集装箱龙门起重机又有显著的增多。目前，国内外集装箱龙门起重机正朝着装卸自动化的方向发展，为了提高装卸效率，采用计算机控制起重机的各种动作，它可以安全、准确的将集装箱搬运到指定的位置。 随着社会生产力的发展，起重机械在不断地发展和完善。这是因为起重机械是物流机械化系统中的重要设备。社会化大生产愈发展，人民生活水平愈提高，物料搬运和人员的输送量就愈大，起重机械的应用范围也就愈广泛。根据人类生产和生活的需要许多具有持殊用途的新型设备不断出现。门式起重机(也称门吊)是属于桥式类型起重机的一种，由于它的金属结构象门形框架，承载主梁下安装两条文腿，可以直接在地面的轨道上走行，并且主梁两端具有悬臂梁(主梁的延长)，相似“龙门”故称为龙门起重机。悬臂梁的作用可使起重小车在主梁上的走行距离延长，扩大作业范围。门式起重机也是由机械传动、金属结构和电气设备三大部分组成。机械传动部分又由起升机构、起重小车走行机构、大车走行机构等构成。即为门式起重机的三大工作机构，它们分别实现吊装货物的上下升降，左右(横向)搬移和前后(纵向)搬运三个动作，构成一个作业区域。任何生产机械都由原动机、传动装置、工作机构和操纵控制设备等组成。如果以电动机作为原动机来拖动生产机械的工作机构，则它的驱动、传动装置通常称为电力拖动系统。该系统中的电动机、控制操纵部分，电气电路和电气器件等等习惯统称电气设备。电气设备部分主要由电动机、电器元件和电气线路等组成。它将电力网中的电能转变为机械能，实现起重机工作的目的，同时控制各工作机构按照工作要求进行作业。电气设备的功用主要在于：由电动机将电能转变成机械能，通过传动装置拖动工作机构；控制设备通过各种控制器件和电器元件用来控制电动机按工作机构的要求完成各种动作。起重机的电气设备主要有动力设备电动机，操作电器磁力起动器、凸轮控制器、主令控制器、变频器、接触器、电阻器、继电器等，电气保护装置保护箱、过电流继电器、熔断器、行程限位开关、安全保护开关等；导电装置以及电气电路工作电路(主回路)和控制电路等组成。集装箱门式起重机门式起重机的一种，是专门用来装卸和堆码集装箱的一种高效率装卸设备。由于它的金属结构(骨架)也象“龙门”， 与前面所介绍的普通用途的门式起重机类似，所以称为集装箱门式起重机。集装箱门起重机根据用途的不同，有铁路货场用的，有港口码头用的。根据结构的不同，有起升机构带刚性吊杆的和带挠性悬挂吊具；根据集装箱载重量大小可分为5吨、10吨、20吨和30.5吨几种；还有根据走行机构的不同，有轮胎式和轨道式。谈到起重机的电气设备，必涉及起重机的电气控制的设计问题。任何生产机械电气控制系统的设计，都包括两个方面：一是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两方面。前者决定起重机的使用效能和自动化程度，即决定起重机设备的先进性、合理性。后者决定电气设备生产可行性、经济性、外观等性能。本次设计的起重机为重庆寸滩港的轨道式集装箱门式起重机，该起重机采用双主梁，跨距40.5t-40m，两端有效悬臂10m，可进行20到40国际标准集装箱的装卸、转运及堆放等作业，进行集装箱门式起重机电气控制部分和小车机器房部分的设计，电气控制部分采用三菱可编程控制器(PLC)控制，需画出电气原理图和电气布置，编写PLC梯形图程序，说明工作原理。设计起重机的机器房结构，并构建实体模型，编写设计说明书。说明书介绍了起重机的三大工作机构、常用电气设备和其电气控制部分的设计，主要内容是起重机的电气设备和电气控制系统的设计。第1章 轨道式集装箱门式起重机1.1 概述起重机械是一种对重物能同时完成垂直升降和水平移动的机械。在工业和民用建筑工程中，起重机械作为主要施工机械用于建筑构件和材料在运输过程的装卸，并将构件吊到设计位置进行安装等，不仅解决了人力无法胜任的作业，而且能保证工程质量，缩短工期，降低成本，成为极其重要的建筑施工机械。起重机械的分类：起重机械的种类很多，按使用的动力设备可分为内燃机作动力和电动机作动力两种；按起重机载荷率可分为轻型、中型、重型、特重型四类；按起重结构可分为龙门式和臂架式两类；按回转台的角度可分为全回转式和非全回转式；按行走机构的构造可分为固定式和移动式两类。建筑施工中常用的为移动式起重机，包括：塔式起重机、汽车式起重机、轮胎式起重机、履带式起重机，以及最基本的起重机械卷扬机等。随着高层建筑中作为垂直运输机械而迅速发展的施工升降机也已纳入起重机械范围。起重机械的主要性能参数包括：起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度以及工作速度等。一、起重量起重量是指起重机能吊起重物的质量，其中应包括吊索和铁扁担或容器的质量，它是衡量起重机工作能力的一个重要参数。通常称为额定起重量，用“Q”表示。起重量的单位过去惯用“t”表示，现都用“KN”表示（10KN约等于1t）。起重机随着工作幅度的变化，其起重量也随之变化。因此，额定起重量有最大起重量和最大幅度起重量之分。最大起重量是指基本起重臂处于最小幅度时所允许起吊的最大起重量；最大幅度起重量是指基本起重臂处于最大幅度时所允许起吊的最大起重量。一般起重机的额定起重量是指基本起重臂处于最小幅度时允许起吊的最大起重量，也就是起重机铭牌上标定的起重量。二、工作幅度工作幅度是指在额定起重量下，起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离，通常称为回转半径或工作半径，用“R”表示，单位为“m”。工作幅度表示起重机不移位时的工作范围，它包括最大幅度(Rmax)和最小幅度(Rmin)两个参数。对于俯仰变幅的起重臂，当处于接近水平的水平夹角为13时，从起重机回转中心轴线到吊钩中心线的水平距离最大，为最大幅度；当起重臂仰到最大角度（一般水平夹角为78）时，回转中心轴线到吊钩中心线距离最小，为最小幅度。对于小车变幅的起重臂，当小车行到臂架头部端点位置时，为最大幅度；当小车处于臂架根部端点位置时，为最小幅度。起重机的起重量，随幅度变化而变化，同一台起重机，幅度不同，其起重量也不同。对于有支腿装置的轮式起重机，还应以有效幅度A表示，即用支腿侧向工作时，在额定起重量下，吊钩中心垂线到该侧支腿中心线的水平距离。有效幅度反映起重机的实际工作能力；没有使用支腿侧向工作时，则工作幅度用A1（ 单胎）或A2（双胎）表示。三、起重力矩起重力矩是指起重机的起重量与相应幅度的乘积，以M表示，M=RQ。起重力矩的单位过去惯用tm表示，现都用 表示，它是起重机的综合起重能力参数，能全面和确切地反映起重机的起重能力。塔式起重机需要经常在大幅度情况下工作，故以起重力矩作为表示型号的主参数。塔式起重机的起重力矩，通常是指最大幅度时的起重力矩。起重机的起重特性曲线是表示起重机的起重量与幅度关系的曲线，不同幅度有不同的额定起重量，将不同幅度和相应的额定起重量以线连接起来，可以绘制成起重特性曲线。所有起重机的操纵台旁都有这种曲线图，使操作人员能很快地查出起重机在某一幅度时的最大起重量。对于能配用几种不同臂长的起重机，对应每一种长度的起重臂都有其起重特性曲线。四、起升高度起升高度是指自地面到吊钩钩口中心的距离，用“H”表示，单位“m”，它的参数标定值通常以额定起升高度表示。额定起升高度是指满载时吊钩上升到最高极限，自吊钩中心到地面的距离。当吊钩需要放到地面以下吊取重物时，则地面以下深度叫下放深度，总起升高度为起升高度和下放深度的和。对于动臂式起重机，当起重臂长度一定时，起升高度随着幅度的减少而增加，这一特性可以用起升高度曲线表示，它和起重特性曲线相对应。五、工作速度起重机的工作速度包括起升、变幅、回转和行走等速度。1、起升速度 起升速度是指起重吊钩上升或下降的速度，单位为“m/min”。起重机的起升速度和起升机构的卷扬牵引速度有关，而且和吊钩滑轮组的倍率有关。2绳比4绳快一倍；单绳双比双绳快一倍。一般表示起升速度参数，应注明绳数。2、变幅速度 变幅速度是指吊钩从最大幅度到最小幅度的平均线速度，单位为“m/min”。俯仰变幅起重臂的变幅速度也就是起重臂升起和降落的速度，一般落臂速度要快于升臂速度。3、回转速度 回转速度是指起重机在空载情况下，其回转台每分钟的转数，单位为“r/min”。4、行走速度 行走速度是指起重机在空载情况下，行走时最大的速度，单位为“m/min”。六、自重及质量指标1、自重 起重机的自重是指起重机处于工作状态时起重机本身的总重，以“G”表示，单位为“t”或“KN”。2、质量指标 质量指标是指起重机在单位自重下有多大的起重能力，通常用质量利用系数K表示，它反映了起重机设计、制造和材料的技术水平，K值越大越先进。起重机质量利用系数（ ）的表示形式是以起重力矩和与此相对应的起升高度来表示，如下式：。目前集装箱堆场机械的种类很多，主要有轮胎式集装箱门式起重机、轨道式集装箱门式起重机、集装箱跨运车、集装箱正面吊运机、集装箱叉车等。其中以轮胎式集装箱门式起重机和轨道式集装箱门式起重机为主，这两种机型可以更有效地利用场地空间。轨道式集装箱门式起重机是最近几年才被大量应用于港口集装箱码头和集装箱货场的，但其发展迅速，已成为许多码头和货场的首选机型。综述：(1)、轨道式集装箱门式起重机的结构形式很多。结构形式的选择与轨道式集装箱门式起重机的工作场地和工作性能关系密切。在大中型集装箱码头，多采用不带悬臂的机型，这种结构形式可以获得更高的装卸效率和工作可靠性，白重更轻。在许多中小港口、内河码头以及铁路货场等，对作业效率的要求不是很高，所以更多地选用带悬臂的机型，以提高场地利用率。甚至选用简易集装箱吊具或可更换吊钩作业的机型，实现一机多用，降低设备投资。(2)、轨道式集装箱门式起重机可以最大限度地实现堆场作业的自动化，也可以实现无人驾驶，而这是一般轮胎式集装箱门式起重机所不具备的。(3)、轨道式集装箱门式起重机以电力为动力，环保性能良好，而且受日益上涨的燃油价格的影响很小。(4)、目前英国泰晤士港集装箱码头和MorrisAutomation公司已完成了世界上第1个双提升吊具在无人驾驶全自动轨道式集装箱门式起重机上应用的试验，可同时吊运2个20ft集装箱，额定起吊能力为50t。这是该机型向更高效率发展的一个有益探索。1.2 轨道式集装箱门式起重机的特点轨道式集装箱门式起重机在我国铁路系统的应用较早，而在港口的应用只是最近十几年的事情，且先主要用于内河小型集装箱码头。近年来，轨道式集装箱门式起重机技术发展很快，随着国际燃油价格的不断上涨，许多集装箱码头正在考虑放弃原定的轮胎式集装箱门式起重机堆场方案而改用轨道式集装箱门式起重机方案。与轮胎式集装箱门式起重机相比，轨道式集装箱门式起重机具有以下优点：(1)、场地利用率更高，跨中一般可堆放8一l5列集装箱加1个或多个车道，而标准的轮胎式集装箱门式起重机跨中只能堆放6列集装箱加1个车道。(2)、定位能力好，且可以提供最迅速和最有效的集装箱存储和检索系统，易于实现堆场自动化，如果和自动搬运车或移箱输送机等配合作业，可以达到很高的作业效率。(3)、各机构的运行速度更高，作业效率更高。(4)、以电力为动力，无废气排放，噪声低，环保性能好。但是，轨道式集装箱门式起重机也有许多不足，比如地面轨道安装要求较高，起重机转场困难，对于周转时间较长的堆场，设备利用率较低。另外，起重机运行轨道的存在，使路面不再平整。有的轨道式集装箱门式起重机还带有吊钩横梁，可以与集装箱吊具实现快速互换，以实现重大件杂货的吊装作业。还有的轨道式集装箱门式起重机可以横跨港池或利用长悬臂装卸船舶，这在中小港口可以实现一机多用，降低设备投资。目前，轮胎式集装箱门式起重机有一些行业性标准，国家标准正在制定过程中。轨道式集装箱门式起重机还没有像轮胎式集装箱门式起重机那样形成完善的参数系列，轨距和外伸距等更多的是依据集装箱堆场的场地条件来确定，而这也正是轨道式集装箱门式起重机得以推广的一大优势。1.3 轨道式集装箱门式起重机的分类 轨道式集装箱门式起重机的结构形式很多，早期有桁架结构和L型箱形单梁结构等，但目前基本上都采用箱形双梁结构形式。轨道式集装箱门式起重机可分为不带悬臂、单悬臂和双悬臂3大类。其中单悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机主要受使用场地的限制，从结构受力角度讲并不是一种好的结构形式，使用较少。对于带悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，又可分为门腿只需要通过20ft集装箱和门腿需要通过40ft集装箱2大类。对于悬臂结构形式的轨道式集装箱门式起重机，根据门架是否配有马鞍架和斜拉杆，又可分为3大类，即不带马鞍架和斜拉杆；配有马鞍架和斜拉杆。本设计轨道式集装箱门式起重机采用箱形双梁结构形式，带双悬臂。1.4 主要技术性能参数轨道式集装箱门式起重机的主要技术参数有起重量、起升高度、跨距和伸距、工作速度以及工作类型等。一、 起重量轨道式集装箱门式起重机的起重量有3个指标，即额定起重量、吊具下起重量、吊钩下起重量。目前吊具下最大起重量超过50t，但大多为30.542t。本设计轨道式集装箱门式起重机的起重量为40.5t。 二、 起升高度起升高度有2种表述方法，即以“m”为单位的绝对起升高度和堆箱高度。起重机的起升高度大多在15 m上下，目前最大的已超过20m。从堆箱高度上讲，大多为堆3过4、堆4过5和堆5过6，目前最大的达到堆8过9。本设计轨道式集装箱门式起重机的起升高度为20米。三、跨距和伸距轨道式集装箱门式起重机的跨距目前最小为15m，最大超过60m，大多在2535m之间；起重机的工作伸距一般不超过10m。在国外，轨道式集装箱门式起重机广泛用于内河港口，兼做装卸和堆场。在莱茵河两岸的集装箱码头广泛采用这种机型，如曼海姆集装箱码头，装备有2台轨道式集装箱门式起重机，其中l台跨距为65m，外伸距为13m；另1台跨距为655m，外伸距为14.5m，起重量均为35t。本设计轨道式集装箱门式起重机的跨距为40m,两端悬臂均长10m。四、工作速度起重机的速度参数包括起升速度、小车运行速度和大车运行速度。随着经济的不断发展和技术水平的不断提高，对起重机的速度要求也越来越高。起升速度：Kunz公司为汉堡港制造的6台轨道式集装箱门式起重机，起升速度达到80 m/min；ZPMC等生产的轨道式集装箱门式起重机起升速度满载为40 m/min，空载为80 m/min。小车运行速度：Noell、Kunz、ZPMC、交通部水运所等单位研制的起重机小车运行速度都达到了120m/min；国外目前最大已达到240 m/min。大车运行速度：Kunz生产的轨道式集装箱门式起重机大车运行速度为l80 m/min。门吊的工作速度有三种，根据起重机用途和起重量的不同而不同。(1)、起升机构的起升速度V起，它与超重量和生产率有关，通常起重量大而起升速度低生产率高，速度可以大些；一般不超过20米/分；(2)、起重小车走行速度V小车，般不超过50米/分；(3)、起重机大车走行速度V大车。般不超过120米/分。 本设计轨道式集装箱门式起重机：大车运行速度是30米/分 ，小车运行速度是60米/分 ，起升速度是20米/分。五、工作类型起重机工作类型是表明起重机工作的载荷变化和忙闲程度的参数。载荷变化程度是起重机的实际超重量与额定起重量之间的变化关系。有的起重机额定起重量很大，如几十吨。但只是偶然起吊这样重的货物，经常起吊的货物重量仅是额定起重量的1/2或1/3。忙闲程度是指超重机工作时的长短。如有的一年内要工作7000小时，有的工作4000小时，还有2000小时、1000小时不等。根据载荷变化程度和忙闲程度把超重机的工作类型分为四种类型：(1)轻型(JC15)；(2)中型(JC25)；(3)重型(JC40)；(4)特重型(JC60)。1.5 轨道式集装箱门式起重机的机构一、门架结构轨道式集装箱门式起重机的门架结构一般采用箱形双主梁对称结构，不带悬臂的大多采用中轨梁，带悬臂的大多采用偏轨梁。近几年，不带悬臂的轨道式集装箱门式起重机在一些大中型港口得到推广应用，其主要特点是由于不需要集装箱通过门腿，所以门腿大多为梯形结构形式，两主梁中心距(小车轨距)很小，小车运行机构大多采用集中驱动，一般不存在跑偏问题，自重也较轻。一般跨距小于或等于35 m 的轨道式集装箱门式起重机，两侧门腿都采用刚性门腿；当起重机的跨距大于35 m时，则一侧采用刚性门腿，另一侧采用柔性门腿，用以补偿吊重和温度所引成的结构变形。本设计轨道式集装箱门式起重机正是如此。二、 起升机构目前轨道式集装箱门式起重机大多采用专用的集装箱吊具，起升机构采用4根钢丝绳。所以在起升机构的设计中，必须考虑吊具的同步升降问题。为实现吊具的同步升降，很多机型采用1套驱动机构驱动1个四联卷筒；或采用1个双出轴电机分别驱动2个减速机，每个减速机各驱动1个双联卷筒；也有的轨道式集装箱门式起重机采用2套独立的驱动机构，卷筒采用双联卷筒，为实现同步升降，将2个高速轴通过联轴器连起来。近几年，采用卓轮行星减速机驱动的四联卷筒起升机构在许多码头、货场得到应用，通过合理设置钢丝绳缠绕系统，可以使起升机构既能保证同步升降，同时又具有一定的防摇效果。起升机构的整体布局非常紧凑，但价格较高。本设计中，轨道式集装箱门式起重机的起升机构有主副起升机构。三、回转机构在港口，根据用户要求，有的轨道式集装箱门式起重机上利用电动推杆等装置可以使吊具实现35O的小角度周转，便于吊具对箱；当然也有很多机型根本不考虑回转问题；还有的机型采用带翻板的集装箱吊具，也可以实现吊具小角度回转，以方便吊具对箱。前在铁路货场使用的轨道式集装箱门式起重机起重小车大多具有完善的回转机构，其起重小车分为上下两层，上下车之间设回转支承。回转支承一般采用4个沿环形轨道的行走滚轮或回转大轴承。回转驱动机构大多采用1套或2套三合一的立式行星减速机。四、小车运行机构根据小车轨距大小，轨道式集装箱门式起重机的小车运行机构可选用集中驱动或分别驱动。(1)、对于不带悬臂的轨道式集装箱门式起重机，小车轨距约为67m，几乎全部采用集中驱动。(2)、对于带悬臂但只允许20ft集装箱通过门腿的轨道式集装箱门式起重机，小车轨距约为89m，此时小车运行机构有的采用集中驱动，有的要用分别驱动。(3)、对于带悬臂的需要40ft集装箱通过门腿的轨道式集装箱门式起重机，小车轨距约为16m，此时小车运行机构全部采用2套或4套独立的驱动机构分别驱动。小车采用分别驱动时，越来越多地选用三合一驱动机构。另外，小车采用分别驱动时必须考虑小车行走时两侧车轮的同步运行问题。五、大车运行机构轨道式集装箱门式起重机的大车运行机构一般采用4套或8套独立的驱动机构。减速器采用轴装式或卧式，前者目前在高效率起重机上应用普遍，而且经常选用三合一驱动装置，工作可靠，但价格较高。而后者属于比较传统的做法，由于技术上非常成熟，尤其成本比较低，所以在新研制的机型仍应用得非常普遍。起升机构和小车运行机构大多选用盘式制动器，而大车运行机构可选用块式制动器、盘式制动器、液压轮边制动器，近年来防风惯性制动器也有较多应用。本设计中，大车运行机构：采用轴装式减速器，选用的是三合一驱动装置。六、电气传动与控制系统近几年，随着交流调速控制技术的不断完善，绝大部分起重机采用交流驱动，直流驱动系统越来越少。原来所谓调速性能好的直流驱动系统已经被交流变频调速系统所代替。目前的轨道式集装箱门式起重机几乎全部采用交流变频调速系统，起升机构具有恒功率调速功能，以实现满载低速、空载高速的起升要求，提高起重机的作业效率。PLC控制技术已经成为目前轨道式集装箱门式起重机的基本配置。PLC系统可以与工控机相连，与上位监控软件进行数据交换；还可以与司机室触摸屏相连，将有关数据传送到触摸屏监控软件，极大地方便了起重机的使用与维护。完善的电气保护系统和故障自动检测系统是现代起重机控制技术的一个重要特点，触摸屏成为轨道龙门吊司机室的必要配置。另外，直观的动画显示、中文显示、存储、打印功能等也得到广泛应用。本设计轨道式集装箱门式起重机的电气控制采用三菱可编程控制器(PLC)控制。第2章 门式起重机的三大工作机构2.1 概述门式起重机的三大工作机构（机械传动部分）由起升机构、起重小车走行机构、大车走行机构等构成，它们分别实现吊装货物的上下升降，左右(横向)搬移和前后(纵向)搬运三个动作，构成一个作业区域。2.2 起升机构起升机构的主要形式：1、吊钩门式起重机的起升机构2、抓斗门式起重机的起升机构3、电磁门式起重机的起升机构和三用门式起重机的起升机构 4、两用门式起重机的起升机构门吊的起升机构根据起起重机用途的不同具有不同的形式，若起升重量在16吨以上者，一般具有两套起升机构，即简称主钩和副钩。门吊起升机构安装在起重小车上，构造如图a、b所示。一般由电动机、联轴器、传动(补偿)轴、制动器、减速器、卷简、滑轮组、钢丝绳和吊钩组等组成。 它的传动过程和工作原理如下：电动机 齿轮联轴器 传动轴带制动轮齿轮联轴器 减速器 齿轮联轴器 卷简 钢丝绳 定滑轮组 吊钩组。当起动起升机构接通电源，制动器松闸。随着电动机的正转或反转，动力(转矩)通过联轴器、传动轴、带制动轮联轴器传递给减速器，它将电动机输出的高转速低转矩减速后，输出低转速大转矩，然而拖动卷简转动。整条钢丝绳的两端穿绕吊钩定滑轮组后，分别固结在卷筒的两端部，由于卷筒的正、反转动，吊钩组上下升降，从而实现货物的上下起落。如果在中途切断电路，电动机被切断动力，制动器(常闭式)立即抱闸制动，使货物悬吊在空中位置。电动机与制动器实行电气联锁，只要电动机一断电源，制动器依靠弹簧张力发生制动作用，保证了工作要求和安全作业。 2.3 小车走行机构门式起重机的小车运行机构，分为双梁小车运行机构和单主梁小车运行机构两种。本设计起重机的小车运行机构属于双梁型。门吊起重小车常见的形式有： 1、双梁门架用的起重小车，小车架下面有两对(四个)走行轮，其中两个为驱动轮，其余两个为从动轮，其构造如图所示。 双梁门架用的起重小车，一般由小车架(钢板和型钢焊接而成)、起升机构和小车走行机构等组成。起升机构安装在小车架平台上。小车走行机构又由电动机、带制动轮齿轮联轴器、减速器、传动轴和轮对等组成。小车走行行机构传动形式一般为集中驱动，即采用一台电动机、一台制动器、一台减速器驱动一对走行轮。它的传动过程：电动机 齿轮联轴器(或带制动轮联锁器) 减速器 齿轮联轴器传动轴 走行轮。工作原理是：起动起重小车走行机构，电动机通电，制动器松闸。动力通过联轴器将动力(转矩)输入减速器，它将电动机的高转速低转矩变成低转速大转矩，所以减速器不仅能起减速作用，而且能起到增大转矩(扭矩)的作用。减速器低速轴输出的转矩经过传动轴，驱动走行轮对在轨道上滚动，从而实现起重小车、吊重(货物)横向移动于小车轨道上。2、单主梁箱形桥架用的起重小车传动过程和工作原理基本上与双梁结构用的起重小车相同。 2.4 大车走行机构一、大车运行机构的车轮布置一般的门式起重机的大车运行机构车轮为四个，布置在下横梁的四个角上。同一轨道上两轮中心距称为轮距，一般说轮距与跨度之比为1/41/6之间。当车轮轮压大时，可采取增加四个角上车轮数量的形式，两个车轮组成一个平衡台车，与下横梁绞接。如果四个车轮同在一个角，可由两个平衡台车组成一个大的平衡台车与下横梁铰接。 车轮的布置形式很多，应由设计者根据整机轮压计算情况并考虑使用单位对基础的要求来确定。本设计的大车运行机构共有12个轮子。二、大车运行机构的驱动形式 门吊大车走行机构是为了完成吊重沿轨道方向移动，它亦有集中驱动和分别驱动两种形式，但集中驱动只适用于小跨度、起重量很小的门吊上。因此，目前很少采用集中驱动，极大多数采用分别驱动。本设计的集装箱门式起重机采用的是分别驱动。 门吊大车走行机构分别驱动是指起重机两边支腿下面的驱动轮(主动轮)分别由两套(对称安装，图中画了一套)独立的驱动装置来驱动。为了保证左右两个车轮同步，两套驱动装置由电气控制线路实行集中控制。 分别驱动装置由电动机、减速装置、制动器、联轴器和车轮等组成。按照减速方式和安装布置的不同可分为以下几种形式：1 标准立式减速器的驱动装置：这种驱动方式的特点是立式减速器的输出轴(低速轴)通过联轴器与车轮轴联接，如图（a）所示。它具有结构简单、紧凑，使用寿命长的优点。2 车轮轴套装于立式减速器输出轴中的驱动装置：如图（b）所示。3 卧式减速器的驱动装置。 4 减速器链条驱动装置。本设计采用的是形式（a）。 第3章 门式起重机的电气设备及选用3.1 概 述起重机的电气部分是起重机必不可少的重要组成部分。电气设备工作的好坏将直接影响起重机的性能。也就是说：一台好的起重机必须要有好的电气设备。为此，要求设计、制造部门能精心设计、认真制造，才能造出好的电气设备、造出好的起重机。但是，仅仅这样还不够，更重要的还要求我们能够正确、合理地使用起重机和它的电气设备，注意日常的维护保养，执行计划预修制度，经常保持设备完好，才能保证正常运行，以满足日益发展的生产需要。断续周期性工作类型：生产机械的工作类型有连续、短时和断续周期性三种。断续周期性工作类型的特点是：有一系列相似的工作周期。在每个工作周期中，机构的工作是短时的，间断的，其中有工作时间，也有休息时间。这些工作周期又是持续的、频繁的、重复的进行。起重机吊运重物的过程是：首先将大车和小车开至吊运物的上空，放下吊钩，升起重物，将大车和小车开至安放重物位置的上空，放下重物，升起吊钩，以上是一个工作周期。再将大车和小车开至另一重物的上空，进入下一个工作周期，如此不断的重复运行。在某一工作周期中，无论是大车，小车还是吊钩，就一个机构而言，都不是连续工作的，而是短时工作，其中有工作时间（本机构工作时），也有休息时间（其他机构工作时）。这些都符合断续周期性工作类型的特点，所以说起重机的主要工作机构是断续周期性类型运行的。与之相适应，起重机的主要电控设备（电动机、控制器、控制屏、电阻器、继电器等）也是按断续周期性工作类型运行的。断续周期性运行时，在一个工作周期中，有工作时间，也有休息时间。对电动机或电器元件的温升来说，开始工作时，不能达到其稳定值，停止时，也不能冷却到周围介质的温度，如此重复多次之后，温度便逐渐升高，最后在某两个固定的温度值间变化，温度基本稳定。按规定每一周期持续时间不超过10min，超过10min的应按短时工作类型考虑。断续周期性运行时，各工作周期不断重复进行，要求电动机经常起动和制动，电器元件经常接通和分断，接电次数多，工作频繁。断续运行（既有工作时间又有休息时间）和不断重复（接电次数多，工作繁重）是起重机电器设备的两个主要特点。所以起重机用的电动机和主要电器元件（控制器、变频器、接触器、电阻器、继电器等）都是专门设计的，并自成系列。一、 接电持续率、接电次数和起动次数在起重机的一个工作周期中，电器设备有接电工作时间，也有断电停止工作时间。其工作时间与周期时间（工作时间加停止工作时间）的比值称之为接电持续率，通常用JC%来表示。（也有称负载持续率的，用FC%表示）式中：工作时间； 停止时间； T周期时间；常用的接电持续率JC值有15%、25%、40%、60%和100%5种。选择电动机或电器元件时，接电持续率是一个重要的因素。当电动机或电器元件使用在不同的接电持续率时，其输出功率或允许电流是不同的。接电持续率低，说明在一个工作周期中工作时间短。从热容量观点看，电动机可有较大的输出功率，电器元件可有较大的允许电流。电动机或电器制造厂在铭牌和产品样本上已经给出了在额定接电持续率下的额定输出功率或额定电流值。其他常用接电持续率下的输出功率或允许电流值一般也在产品样本上给出。如没有给出，则可以按下列公式近似地折算。 式中：额定接电持续率； 额定接电持续率时的输出功率； 额定接电持续率时的允许电流； 实际接电持续率； 接电持续率为时的输出功率； 接电持续率为时的允许电流；按规定，断续周期性工作类型的一个工作周期时间最大不超过10min，也就是说每小时至少要工作6次。对起重机来说，每小时的工作次数远远超过6次，一般为每小时工作150300次，较繁忙的每小时工作300600次，某些起重机的个别机构每小时工作可达1200次。工作一次也就是接电一次，故用接电次数表示其工作的繁忙程度。接电次数是选择电器元件的重要参数，电器元件的接电次数增多，将使触头电磨损加大，直接影响其电寿命。当接电次数超过每小时600次时，其影响更为显著。如欲保持电寿命不变，必须降低其允许电流值。考虑这一因素，在接电次数高时，适当降低允许电流值。在国际上，电器制造厂的产品样本中已提供电器元件在各种接电次数时的允许电流值。电动机在起动和制动过程中，由于电流较大，所损耗的功率比在额定转速工作时大，发热量也大，同时由于转速较低，散热条件恶化，故温升较高。频繁的起、制动将影响电动机的输出功率。在考虑起、制动的影响时，我们采用起动次数的概念。起动是指电动机转速从零起动到额定转速，又叫全起动。起重机在实际使用中，电动机不是每次都起动到额定转速的，而是有很大一部分是起动到较低转速时就被制动，通常称为“点车”。点车的功率损耗低于全起动。点车一次虽然也是起动一次，但从功率损耗上讲不能算全起动一次。一般折算方法是4次点车算一次全起动。同样的道理，由额定转速用电气的制动方法制动到零，一次相当于0.8次全起动。由正向额定转速反接制动并反向起动到额定转速，一次相当于1.8次全起动。把这些全起动的次数加起来，即成为在功率损耗上相当的全起动次数，简称起动次数。启动次数是检验电动机发热、确定输出功率的重要参数。电动机的起动次数增加后，起动损耗增加，冷却条件恶化，容许的输出功率必须相应降低。起重机各机构的电动机的起动次数与接电次数一样也是比较高的，但两者在数值上并不一样，因接电一次不一定是一次全起动，其中有点车甚至还有电制动。起动次数对电动机的合理选择与使用有很大的影响，必须引起注意。以往选择和使用电动机或电器元件时，一般都以热容量为主，认为断续周期性工作类型的工作周期中有停止时间，可以提高电动机的输出功率或电器元件的允许电流值，这是不合理的。因为忽略了电动机起动次数增加而影响输出功率和电器元件接电次数而影响电寿命的因素，使在频繁操作场合下使用的电动机和电器元件损坏率很高。所以在选择和使用的电动机或电器元件时，既要考虑断续工作的特点，又要考虑频繁操作的特点。二、 起重机负载的特点轨道式集装箱龙门起重机的机构一般可分为运行和升降两种，这两种机构的负载性质是不同的。运行机构的正、反两个方向均属阻力负载，对电动机来说在两个方向都是电动状态，需要发出驱动力矩来拖动机构运转。升降机构两方向的负载性质不一样。上升时为阻力负载。下降时有两种情况：当负载很轻，其重量克服不了机构的摩擦阻力时，也是阻力负载；当负载较大时则为动力负载。对电动机来说，上升和轻负载下降时是电动状态，产生驱动力矩来拖动机构运转；重负载下降时，由重物拖动机构向下运转，电动机处于制动状态，产生制动力矩来平衡由负载产生的驱动力矩，使重物以稳定的速度下降。类似升降机构的负载称“位能负载”。上升时由电动机驱动，将动能变为位能；下降时由重物驱动，将位能变为动能。在室外工作的起重机，由于风力的存在，当顺风运行时，有可能把运行机构的阻力负载变成动力负载，此时由风力驱动机构运行，电动机处于制动状态。三、 起重机常用的下降制动方法为了使下降的重物能获得稳定的运行速度，需要使电动机在制动状态下运行。异步电动机常见的制动方法有再生发电制动、反接制动和单相制动三种。1、 再生发电制动再生发电制动发生在由于外力的作用使异步电动机的转速超过其同步转速时，此时电动机的运行状态象一个与电网并联的异步发电机，将电能反馈给电网。这种制动方法常用于起升机构下降重物时，其特点是转速较快，且必须超过同步转速。绕线型异步电动机应用再生发电制动时，不能在转子电路中串接电阻器，因串接电阻后，转速将更快，过快的转速将引起机构的损坏。2、 反接制动电动机被过重的负载倒拉，就会出现反接制动状态。此时，电动机的转子被迫逆着旋转磁场的方向旋转，转速是负值，转子中将产生比静止时更高的感应电动势。为了限制转子电流不致过大，需在转子电路中串接足够的电阻。反接制动时，电动机把下降负载的位能变换成电能，并于从电网吸取的电能一起变成热能，消耗在转子电阻里。这种制动方法常用于起升机构下降较重负载时，其特点是机械特性较软。3、 单相制动把三相异步电动机的定子绕组接在单相电源上或把三相电源中的任何一相断开，并在转子电路中串接适当的电阻，如此时电动机由下降的重物带动旋转，则电动机便进入单相制动状态运行。在电动机的定子绕组中，通过单相交流电时，可以看作是在三相绕组上加了一个三相不对称的电压，不对称的电压可以分解成正序和负序两个对称的电压分量。正序电压在定子绕组中产生正序电流，而负序电压产生负序电流。正序电流建立正旋转磁场，负序电流建立负旋转磁场。两个旋转磁场分别在转子绕组中感应出正序电动势和负序电动势。由于两个转子电动势的作用，在转子绕组中又产生正序电流和负序电流。正旋转磁场和转子正序电流相互作用产生正力矩，负旋转磁场与转子负序电流相互作用产生负力矩。电动机发出的总力矩为正力矩和负力矩之和。任何生产机械都由原动机、传动装置、工作机构和操纵控制设备等组成。如果以电动机作为原动机来拖动生产机械的工作机构，则它的驱动、传动装通常称为电力拖动系统。该系统中的电动机、控制操纵部分，电气电路和电气器件等等习惯统称电气设备。电气设备的功用主要在于：由电动机将电能转变成机械能，通过传动装置拖动工作机构；控制设备通过各种控制器件和电器元件用来控制电动机按工作机构的要求完成各种动作。门吊的电气设备主要有动力设备电动机，操作电器磁力起动器、凸轮控制器、主令控制器、接触器、电阻器等，电气保护装置保护箱、过电流继电器、熔断器、行程限位开关、安全保护开关等；导电装置以及电气电路工作电路(主回路)和控制电路等组成。门式起重机的动力源是电力，靠电力进行拖动、控制和保护。门式起重机的电气设备是指轨道面(大车轨道由使用单位负责)以上起重机的电气设备，门式起重机的机上电气设备，大部分安设在司机室和电气室内。如无电气室，有的设备可放在门架走台上。一般的司机室、电气室固定在支架下面，不随小车移动。但抓斗门式起重讥、装卸桥等的司机室和电气室是随小车一起移动的。门式起重机电气方面的拖动原理、电器设备、保护电器、控制电器等与桥式起重机区别不大。 下面简要介绍电气部分：一、电制与供电本机采用交流380V、50Hz三相四线制供电系统。动力回路380V，控制回路和照明回路为220V，安全电压为24V。整机供电采用磁滞式电缆卷筒供电（左右卷放有效长度为150m），小车供电采用悬挂电缆小车式。二、电力拖动与控制本设备起升机构、大、小车运行机构全部采用变频驱动装置；控制系统采用三菱公司的FX系列PLC；故障诊断及显示采用触摸屏。三、操作：先解除行走锚定装置，然后合上总隔离闸刀和总空气开关，此时主配电板(MBD)和联动台(TQK)上合闸指示灯亮，再检查三相电源情况，若正常可进行吊装作业。1、大车运行机构：使用1SA进行运行机构的操作，左右各4个操作档位。可实现平滑地匀加速或匀减速运动。当该机构从运动状态到停止时，先断电，延时56秒后自动抱闸，以减少整机制动时的冲击和震动。2、小车运行机构：该机构操作手柄为3SA，设置前进和后退各四个档位，可实现平滑地匀加速或匀减速运动。在两腿外侧悬臂端设置有慢速运行区域，当小车从悬臂端向内侧运行时，不受上述限制。3、起升机构：该机构的操作手柄为2SA，起升和下降各四个操作档位，可实现平滑地匀加速或匀减速运动。四、保护按照起重机设计规范和起重机安全规程的规定，整机设置有总的过流、短路、失压、欠压保护，并且在联动台和主电源柜上、机器房以及在下横梁对角位置设有紧停按钮。1、大车运行机构：该机构设置有零压、零位、过流短路，正反向联锁，极限位置限位，电缆卷筒极限限位等保护，另外还设置有锚定联锁以及防护器顶松轨联锁等。2、小车运行机构：该机构设置有零位、零压、过流和短路保护，以及正反向联锁、悬臂端限速和极限位置保护等，另外还设置有驾驶室通道口联锁开关和小车锚定装置。3、起升机构：该机构设置有零位、零压、过流短路保护，正反向联锁、上下预限位保护，极限位置保护和应急限位保护以及超载保护等。4、本机在最高处设置有避雷装置。五、信号、通讯和照明1、超负荷限制器在起升机构吊重达到额定载荷的95时，发出报警信号，在达到额定载荷的110时，起升机构断电，只允许下降操作。2、大车运行时有间断的声光报警信号以提醒现场人员避让。3、各机构极限位置时产生报警信号。4、风速超过额定值时产生报警信号，并停止整机工作。5、设置二部对讲机以便起重机上下联系。6、照明：本机在梁底部设置有8盏500W投光灯，在小车架底部设置有4盏500W投光灯作为工作照明，司机室、机器房、电气房、楼梯走道都设置有足够的照明设置和不同电压等级的插座。在机器房配置有2台轴流风机，在电气房配置有一台轴流风机以改善散热条件。在司机室和机器房内的电气房各设置1部双制式空调。另外还配备了2盏隔爆型手提检修灯（可充电式）和必要的消防设备。下面主要介绍各电气设备或元件的选择。3.2 电 动 机起重机上使用的电动机可分为直流电动机和交流电动机。在门式起重机上一般采用交流异步电动机，其中有鼠笼式电动机和绕线式电动机。鼠笼式电动机只限于中小容量、起动次数不多，没有调速要求，对起动平滑性要求不高，操作简单的场合。而绕线式电动机则是起重机上使用范围最广泛的一种电动机。门吊采用的电动机多为三相交流绕线式异步电动机(或称滑环电机)。由于桥吊、门吊的工作特点，采用的三相交流绕线式异步电动机应适应反复短时运转；频繁的起动、逆转和制动；经常起载和重载起动；机械振动和冲击较大；工作环境恶劣等。因此，起重机用的电动机与一般工业用电动机工况不同，它应满足如下要求和特点：1、 电动机按断续周期性工作类型制造。当使用在不同接电持续率时，电动机有不同的输出功率。通常以25%（或40%）作为基准的接电持续率，其他常用的接电持续率有15%、40%（25%）和60%三种。电动机还可在半小时或一小时的短时工作类型下工作。当使用在非常频繁的场合时，还派生有强迫通风系列，其接电持续率为100%。在电动机的产品样本上分别列出相应的输出功率和其他技术数据。为了提高在高接电持续率下的输出功率，电动机设计得有较高的热容量、较低的固定损耗（即铁损）和较大的散热面积。2、 电动机的输出功率还与每小时的起动次数有关，起动时的电流额定工作电流，增加了起动损耗也就增加了发热量，由于转速尚未达到额定值，降低了散热条件，所以频繁的起动会使电动机的温升增加而影响输出功率。为了适应频繁起动的要求，提高高起动次数下的输出功率，电动机具有较小的转动惯量和较小的平均起动电流，以降低起动损耗3、 为了适应频繁的带负荷起动、制动和逆转，要求电动机具有较高的最大力矩值（即过载能力）。但过大的最大力矩也会给机械装置带来危害，一般取额定力矩的2.53倍。为了保证有较大的最大力矩值，电动机采用较少的定、转子匝数，较多的定、转子槽数和较大的空气隙（定子和转子之间的空隙），因而也将导致功率因数的降低。效率降低和空载电流增大，这对电动机的连续运行是不利的，为了克服这一缺陷，电动机应采用导磁性能好的电机钢片。4、 为了适应频繁的起动、制动和逆转，要求电动机具有较小的转子转动惯量，所以起重机用电动机往往设计得比较细长，以得到较小的加速度时间和较小的起动损耗，但也不应追求过小的转动惯量，而影响电动机的坚固性和散热能力。5、 起重机的起升机构经常出现超速运行的情况，要求电动机的转子结构要坚固，其允许的最大转速一般为电动机同步转速的2.5倍。6、 在结构上电动机应具有较高的机械强度，耐振性和密封性，以适应显著的机械振动、冲击和工作环境多灰尘的特点。7、 为了适应环境温度变化范围大的特点，电动机一般制成两种以上的绝缘登等级，分别使用在不同的环境温度下。不同绝缘等级的电动机往往具有相同的电磁参数。门吊采用的电动机的种类：按交流电动机的构造可分为绕线式和鼠笼式两种三相交流异步电动机。绕线式电动机起动时，通过在转子电路内串入电阻，可使电动机平稳起动，并可调节电动机的转速，以满足起重机的工作需要。鼠笼式电动机一般都是直接起动、对机构冲击较大，不能调节转速，在起重机上应用不多。下面进行电动机的过载校验（以下公式摘自最新起重机械设计、制造、安装调试、维护新工艺、新技术与常用数据及质量检验标准实用手册）。1、 起升机构电动机：式中：基准接电持续率时，电动机额定功率，(KW)；起升载荷，N；双绳抓斗电动机过载校验时，应考虑负载不均匀程度，物品起升速度，m/s；机构总效率；基准接电持续率时，电动机转矩允许过载倍数（技术条件规定值或实际达到值）；系数；按电压有损失（交流电动机-15%，直流电动机不考虑）、最大转矩或堵转转矩有允差（绕线型异步电动机-10%，笼型异步电动机-15%，直流电动机不考虑）、起升1.25倍额定载荷等条件确定绕线型异步电动机取H=2.1；笼型异步电动机取H=2.2；直流电动机取H=1.4；电动机个数2、 运行机构电动机式中：运动部分所有质量的重力，N；摩擦阻力系数；坡度阻力系数；风阻力，N，在室内取0；机构总飞轮矩，即折算到电动机轴上的机构飞轮矩和电动机飞轮矩之和，；起重机（或小车）的运行速度，m/s；电动机的额定转速；机构起动时间，s；平均起动转矩标么值（相对于基准接电持续率时的额定转矩），对绕线型异步电动机取1.7，采用频敏变阻器时取1，笼型异步电动机取0.9,串励直流电动机取1.9，复励直流电动机取1.8，他励直流电动机取1.7，采用电流自动调整的系统，允许适当提高值。其余符号同上。3、 回转机构电动机式中：H系数，绕线型异步电动机取1.55，笼型异步电动机取1.6，直流电动机取1；回转摩擦阻力矩,；回转最大坡道阻力矩,；由计算风压引起的最大风阻力矩,；由吊重绳偏摆角引起的回转水平阻力矩,；机构的总传动比。其余符号同。（绕线型异步电动机发热校验略）下面是电动机的简要计算过程：1、运行阻力计算运行静阻力包括摩擦阻力、运行轨道的坡度阻力和风阻力(1) 运行摩擦阻力Q额定起重量，Q40500 公斤；起重机总重量，240500 公斤k滚动摩擦系数，k0.06厘米; 轴承摩擦系数 , 0.02；d车轮轴径，d 70毫米；D车轮直径D600毫米，附加阻力系数， 1.5。=1826.5kgf当不考虑时，满载时的最小摩擦阻力为 1217.67kgf空载运行时的最小摩擦阻力：(2) 坡度阻力其中 坡度阻力系数， =0.002。0.002(40500+240500)=562kgf(3) 风阻力C风载体型系数，取C1.2；第1类载荷下的标准风压，对于沿海地区使用的起重机=15Kgf/， 内陆取=10Kgf/F起重机的迎风面积，桥架224,小车 =13,司机室=4.5双支腿 2=40.2=224+13+4.5+40.2=281.5物品迎风面积25。 =1.210(281.5+25)=3678运行静阻力:迎风上坡工作时：=1826.5+562+3678=6066.5 kgf顺风下坡工作时；=1217.67-562-3678= -3022.3 kgf2、初选电动机因为：起重机的运行速度，=30米分电动机台数，8；机构传动效率，0.95。千瓦当=15Kgf/时, =5.1千瓦根据静功率查电动机产品目录选择一台功率相近的电动机：YZR160L-6型电动机,当J C25时,功率N=7.5千瓦转速952转分，最大转矩倍数3，转子飞轮矩 =0.225kg.电动机额定力矩：kg.电动机的最大静力矩八台电动机的实际最大力矩：减速器的传动比和车轮转速： 而 式中 v 大车运行速度, v 30米/分，车轮直径600毫米, 转/分选用T10-01-20型减速器，传动比 i20.235,外加一个小齿轮和一个大齿轮。满载运行时,电动机的静力矩： 3、起动时间与平均加速度验算 (1) 满载、上坡、迎风时的起动时间式中 电动机平均起动力矩，对绕线式电动机，=(1.51.8)*=(1.51.8)*7.68=11.7014.24 kg,mv 大车运行的实际速度，v =30/60=0.5 m/s电动机轴上带制动轮联轴器的飞轮矩 =0.46其它符号,数据同前。一般应使810 s，所以验算满足要求。( 2) 平均加速度的验算米/龙门起重机的平均加速度一般控制在0.4米秒以内，所以基本满足起动要求。 4、校核电动机的过载能力即电动机实际最大力矩应超过电动机轴上的最大静阻力矩； 式中 由第二类载荷的标准风压 产生的风阻力1.2*25*306.5=9195kgf运行摩擦阻力1826.5kgf坡度阻力，562kgfi机构传动比 i59.7lD车轮直径，D600mm：机构传动效率0.95。所以 =61.26 电动机实际最大力矩：因为，所以，校核通过。5、电动机发热验算电动机不过热的条件：电动机在JC=25的条件下发出的额定功率；7.5千瓦；机构工作类型系数， 系数，对于龙门起重机，=1.13 满载静功率 =3.9128千瓦 因为 ：。当取=10kg/ 时，7.3千瓦千瓦所以：从发热角度看选用的电动机，在内陆或沿海地区都合适。参见最新起重机械设计、制造、安装调试、维护新工艺、新技术与常用数据及质量检验标准实用手册，根据计算所得的数据和综合考虑以上涉及的各种情况，成本，因此本设计选用三相交流绕线式异步电动机，型号为YZB315M2-10（两台），YZB160L-6（八台），YZB180L-8（四台）。备注：大连伯顿电机厂，配强迫风冷风机、编码器和超速开关。3.3 控制电器及选用起重机控制电器的工作特点为：通断频繁且通断时间短，工作环境恶劣，振动大，灰尘多，工作中常要求联动控制，23个机构同时动作。起重机常见的控制电器有开关、接触器、凸轮控制器、主令控制器、继电器和电阻器等。在我国低压电器标准中，交流主电路控制电器按其通断能力和电寿命分为五类（从JK0到JK4），直流主电路电器分为四类（从ZK1到ZK4）。控制电路容量选择应按实际工作工况、电器能力和要求的工作寿命来综合考虑决定。一、凸轮控制器凸轮控制器用来直接控制异步电动机的起动、转向和制动。这种控制器的特点是依靠凸轮的转动来控制动触头和静触头的开闭而达到电路接通和切断的目的。1、 KTJ1型凸轮控制器 KTJ1型凸轮控制器按额定电流分为50A和80A两种。额定电压为交流380V。KTJ150/1和KTJ180/3型控制器控制一台绕线型电动机。KTJ150/2和KTJ150/5型控制器控制两台绕线型电动机，其中KTJ150/2没有控制电动机定子的触头。KTJ150/3型控制器控制一台鼠笼型电动机。2、 KT10型凸轮控制器按额定电流分为25A和60A两种。额定电压为交流380V。KT1025J/1和KT1060J/1型控制器控制一台绕线型电动机。KT1025J/2和KT1060J/2型控制器控制两台绕线型电动机，没有控制电动机定子的触头。KT1025J/5和KT1060J/5型控制器控制两台绕线型电动机。KT1025J/3和KT1060J/3型控制器控制一台鼠笼型电动机。KT1025J/7和KT1060J/7控制器控制一台绕线型电动机，转子串接频敏变阻器。凸轮控制器的控制功率系被控制电动机在接电持续率为25%时的额定功率。KTJ150/2、KT1025J/2和KT1060J/2的控制功率由定子回路接触器的控制功率而定。凸轮控制器的每小时关合次数超过600次时，需将凸轮控制器的控制功率降低至60%。凸轮控制器可以直接接在电动机的主电路中，它是由固定和转动两部分组成。固定部分装有一排对接的滚动触头；，借助于转动部分绝缘方轴上的凸轮使它们接通或断开。转动部分的绝缘方轴靠手轮带动旋转，触头元件由不动部分和可动部分组成。可动部分是根曲折的杠杆，杠杆的一端有动触头，另一端装有小轮。当转动凸轮控制器手轮，方轴和凸轮随之转动，凸轮的凸出部分将小轮压下，动触头离开静触头，切断电源通路；当小轮重新嵌入凸轮凹部时，在复位弹簧的作用下动触头恢复原位，接通电源通路。为了避免触头开闭过程中产生的电弧从一对触头跳到另一对去，在各触头元件间装有用耐火绝缘材料制成的灭弧罩。凸轮控制器由于线路简单、维护方便而普遍被用来控制中、小型起重机的运行机构与小型起重机的起升机构电动机。其主要作用是：1 控制电动机的起动、停止和制动； 2 控制电动机的换相，以实现电动机正、反运转；3 通过接入和切除转子电路中的电组，以改变和调节电动机的转速；4 实现对起重机的零位保护和各工作机构安全限位的联锁保护。门吊常用的凸轮控制器型号有KTJl、KTl0和KTl4系列等几种。本设计中，起重机的副起升机构、大车和小车运行机构由凸轮控制器控制，参见最新起重机械设计、制造、安装调试、维护新工艺、新技术与常用数据及质量检验标准实用手册，根据计算所得的数据和综合考虑以上涉及的各种情况，成本，采用型号为：KT1060J/5和KT1025/5。 二、主令控制器主令控制器和控制屏一起用来控制电动机的起动、转向、调速和制动。用来换接控制电路而使一些控制电器(如接触器、继电器)按一定顺序动作的电路。各种型式的主令控制器中以凸轮型主令控制器应用最广泛。1、 LK1型主令控制器LK1型主令控制器的额定电流为15A，额定电压为交流380V或直流440V。2、 LK16型主令控制器 LK16型主令控制器的额定电流为10A，额定电压为交流380V或直流110、220、440V。当转动手柄时，凸轮的凸出部分挤开装在杠杆上的辊轮，使杠杆克服弹簧的作用，沿转轴转动，结果装在杠杆末端的动触头将离开静触头而使电路切断；相反，转到凹入部分时，在复位弹簧的作用下使触头闭合。由于凸轮形状不同，手柄放在不同位置可使不同的触头断开或闭合。由于主令控制器不是直接切换主电路，而是切换电流铰小的控制电路(一般电流不超过5、10安)，所以尺寸较小，不要灭弧罩，但由于线路较复杂，元件多，成本高。因此仅采用于如下场合：1。 电动机容量大，凸轮控制器容量不够；2 操作频率高，每小时通断次数在600次以上；3 起重机工作繁重，要求电气设备有较高的使用寿命；4 起重机工作机构多，要求降低司机劳动强度；5 由于操作上的需要(如抓斗机构)；6 要求起重饥工作时有较好的调速和点动性能。本设计中，起重机的主起升机构由主令控制器操作控制屏来完成，参见最新起重机械设计、制造、安装调试、维护新工艺、新技术与常用数据及质量检验标准实用手册，根据计算所得的数据和综合考虑以上涉及的各种情况，成本，采用型号为LK1。三、接触器接触器是用来将主电路接通与断开远距离控制的电器。它的作用和闸刀开关类似，不同之处是由电磁操作。能远距离控制和频繁动作；能以较小的控制功率控制较大功率的主电路。在起重机上接触器是用来控制电动机的起动、制动、停止和调速，并实现自动保护。1、CJ2型接触器CJ2型接触器适用于频率为50、电压至380V、电流至300A的电力线路中，可用于冶金、扎钢及起重机等的电气设备中，供远距离接通和分断电路之用，并适用于频繁地操作。2、CJ12型接触器CJ12型接触器适用于频率为50、电压至380V、电流至600A的电力线路中，可用于冶金、扎钢及起重机等的电气设备中，供远距离接通和分断电路之用，并适用于频繁地起动、停止和反转电动机之用。接触器分为直流和交流两类但门吊上都采用交流接触器。它由电磁系统、触头系统和灭弧系统三个主要部分组成。按电磁系统的运动方式，又可分为转动式和直动式两种。转动式交流接触器，当线圈通电时，衔铁即被吸向轭铁，带动方轴转动，控制触头的开闭，实现远距离闭合、切断电路，控制电动机的各种工作状态。CJl2系列交流接触器在起重机上应用最为广泛，而CJl型和CJ2型系列逐渐被淘汰。但现有的起重机上尚在应用。本设计中，参见最新起重机械设计、制造、安装调试、维护新工艺、新技术与常用数据及质量检验标准实用手册，根据计算所得的数据和综合考虑以上涉及的各种情况，成本，接触器选用CJl2。四、继电器在起重机中应用的继电器的型号一般有JL5、JT3等通常将JT3型继电器作为延时继电器使用，触头的额定电流为10A。吸引线圈的电压有直流12、24、48、110和220V五种。得到延时的方法有两种：一是线圈短路，但此时应与线圈串联一个电阻以防止电源短路；另一个方法是线圈从电源上断开。改变非磁性垫片的厚度或用调节螺母改变反作用弹簧的压力，就可以调整继电器的延时整定值。参见最新起重机械设计、制造、安装调试、维护新工艺、新技术与常用数据及质量检验标准实用手册，根据计算所得的数据和综合考虑以上涉及的各种情况，成本，继电器采用JT3（某些元件直接由PLC程序代替）。五、电阻器电阻的理想材料应该具有这样的性能：较高的电导率；较小的温度系数，即电阻值随温度的变化是极小的；较高的工作温度；较高的机械强度；耐腐蚀；价格便宜。起重机上用的电阻材料，除了应具有上述性能外，还必须耐振动、便于加工制造和便于维修。长期以来铸铁、康铜和铁铬铝三种电阻材料被选作起重机的常用电阻材料。电阻器在起重机中是用来供电动机起动、制动和调节转速的种电器元件，它主要由电阻元件装配而成。按其用途的不同可分为起动电阻器、制动电阻器和调速电阻器等； 起动电阻器、制动电阻器分别用来限制电动机的起动电流和制动电流，它们分别在电动机起动和制动时接入，起动或制动结束时切除，因此是短时工作的；调速电阻器用来调节电动机的转速，在调速时接入。桥、门吊上普遍采用康铜板形元件(ZB2型)、铁铬铝带形元件(ZDl型)和铁铬铝圆形元件(ZY型)的电阻器。铁片电阻元件由铸铁铸成，有ZTl、ZT2两种系列；具有容量大，价格便宜等优点，但质脆易断裂、易锈蚀，所以逐渐被前者所代替。根据控制设备与所控制电动机的容量范围，按规定选用相应电阻器。绕线式异步电动机的转子电路中，都有起动、调速用的电阻，用以调节电动机的转速和控制起动电流，以获得合适的起动转矩。额定电阻的定义是：当转子不动，定子接到额定电压上，转子电流达到额定值时，转子回路中需串接的电阻值称额定电阻。可用下列公式表示计算：式中：电动机转子开路电压（V）； 电动机转子额定电流（A）。额定转差率的定义是：电动机在额定负载时，转速降与同步转速之比，可用下式表示： 式中：电动机的同步转速（）； 电动机的额定转速（）。电动机使用在不同接电持续率时，有不同的额定转速，也有不同的额定转差率。控制器手柄的转到第档时，电动机定子电路接通，转子电路因控制器电阻器触点没有闭合而全部接入，转子电路处于工作状态；控制器的手柄转到第二档时，触头1闭合，切除一段电阻；控制器在其它冬档位时，三相电阻依次切除。由此可见，从电阻部分被切除的过程：分析可以得出：当控制器转到第一档时，电阻没有切除，电动机的转子外接电阻全部接入电动机转子内，电动机起动电流很小；因而达到了控制起动电流，又可获得适当的起动转矩。按其控制器挡未不同，切除短接或接入开放电机外接电阻，使电阻变小或大，使电机变换运转速度，满足起重机工作所需要的转矩和转速。3.4 变频器的选择在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题具有十分重要的意义。例如：1、可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率等，从而提高产品的质量和数量。2、可以大大减少生产机械的体积和重量，从而减少金属的用量。3、对于风机和泵类负载，如采用调速的方法改变其流量，节电率可达（2060）%等等。旧时的起重机拖动系统如图：本设计采用变频调速。一、变频器调速简介、原理和用途：通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器是在保证电机原有性能的情况下，通过改变电机的供电频率和电压的方式，实现电机转速的调节的现代电力电子设备。它根据电机的不同负载可分别实现节能，提高生产效率,提高产品质量,实现自动化,增加设备使用寿命并使设备小型化等用途，广泛应用在钢铁，轻工，化学，纤维，汽车，电机(机械)，机床，食品，造纸，水泥，矿业，煤气，交通，装卸搬运，工厂建筑，农业，生活服务，电力，试验研究,石油等领域。调速传动行业的发展趋势：交流调速电气传动将完全取代直流调速电气传动,交流调速成为必然的发展趋势；交流变频调速传动因其优异的调速传动性能而代替传统的变极调速,定子电压调速，转差离合调速等传统的交流调速方式，变频调速传动必将成为交流调速传动的主要方式。下面简要介绍变频器适应调速传动行业的发展要求： 采用美国TI公司的电机调速传动专用32位控制芯片DSP(数字信号处理器)，运算速度快,实时操作性强,充分满足了电机对变频器低噪声，高响应速度的要求；功能丰富,灵活性强,可现场软件升级,满足客户特殊功能要求；军工技术,保护完善,高可靠性设计；完美电流波型,能有效降低对电网和其他设备的干扰；高效的低频转矩自动提升功能,保证低频大转矩输出。 变频器的主要特点： 1) 主控芯片:采用美国TI公司32位电机专用处理芯片DSP,可实现10kHz以上调制频率,实时响应速度快,输出谐波分量小,噪声低。 2) 控制方式:采用空间电压矢量(SVPWM)控制方式,转矩功能强。 3) 散热结构设计:独立散热通道。 4)功能: （1）内置PID,可自动实现闭环功能。 （2）内置转速跟踪,瞬时停电再启动。 （3）任意加减速曲线设置。（4）多段速设计,任一段正反转运行。 （5）自动/手动转矩提升功能,多种V/f曲线设置。 （6）独有的载频和死区补偿技术,实现完美电流波形,较少电机运行发热。 （7）独特的低频转矩控制技术,实现电机低速运行时转速脉动小。 （8）高载波频率控制,降低电动机运转噪声。（9）操作盒自由分离,使用延伸电缆选件可简单地实现远方操作。（10）可简单地由键盘面板或外部接点信号进行点动(JOG)运行操作。 （11）符合国际标准,适用于中国国内任何区域。（12）现场升级功能,满足客户化定制要求。 已广泛应用在:注塑机,挤塑机,拉丝机,高速工业洗衣机,搅拌机,风机,水泵,纺织机,煤矿机械。变频器种类及应用场合：根据不同的负载类型,变频器起到的主要作用是不一样,它可以分别实现节能,调速等功能。 (一)、风机泵类等平方转矩负载-风机水泵专用P型变频器 根据电气传动理论,不同类型负载的变频节能效果是不同的,平方转矩负载的变频节能效果非常明显。风机,泵类等平方转矩负载,其耗电量约占工业总耗电量的70%,采用变频调速技术,其耗电量一般平均可减至额定功率的60%-70%。(二)、通用型等恒转矩负载-通用G型变频器 压缩机,轴流泵,传送带等典型的恒转矩负载,使用变频器后,减少了设备的启动冲击,增加了高精度调速等功能.同时具有一定的节能效果。 (三)、注塑节能型等变转矩负载-注塑专用Z型变频器 注塑机,挤出机等类型的负载由于工艺要求,转矩是周期性发生变化的,这要求变频器在负载变化时,必须具备自动转矩补偿功能和较好的低频转矩特性。同时在80%额定转速以下运行时节能效果非常明显,可达到30%-70%的节电率。传统的变频调速控制主要采用比例压力阀或比例流量阀的单一信号作为参考点,当注塑机某一个动作处于压力大而流量小(流量大而压力小)时,就会造成参数点过低,电机转速偏低, 压力不足,影响生产。当需要调整某一个工作状态时,要整机转速提高,如此一来节能效果又大大降低。 采用多端信号输入控制,比例压力,流量信号作为主输入信号,另外几路动作单向阀作为辅助输入信号,当出现某一个动作工作压力不足时,可以单独调整而不影响其他工况.使电机在整个变化的负荷范围内的能量消耗达到所需的最小范围,并确保电机平稳,精确地运行。即保证产品质量又节约电能,真正做到经济实用。 (四)、精密工业控制型负载-高性能矢量型伺服控制器 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？ n = 60f/p(1-s) n: 电机的转速 f: 电源频率 p: 电机磁极对数 s：电机的转差率电机的转速 = 60(秒)频率（Hz)/电机的磁极对数 - 电机的转差率，电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，rpm/min也可表示为rpm ，电机的旋转速度同频率成比例，同步电机的转差矩为0,同步电机的转速 = 60(秒)*频率(Hz)电机的磁极对数，异步的转速比同步电机的转速低。 例如：4极三相步电机 60Hz时 低于 1,800 r/min 4极三相异步电机 50Hz时低于 1,500 r/min。本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极对数和频率。由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的。由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极，电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。 改变频率和电压是最优的电机控制方法：如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从400V改变到约200V。如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题啊！在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算:发热量的近似值 变频器容量（KW）55 W 在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 (过流能力150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算: 变频器容量（KW）60 W 因为各变频器厂家的硬件都差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品. 注意： 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。 那么, 怎样采能降低控制柜内的发热量呢? 当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的! 关于冷却风扇：一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。其他关于散热的问题：1、在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，1000m每-5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。2、 开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT， IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容， 就是这个道理。矢量控制是怎样使电机具有大的转矩的？ 转矩提升：此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输出转矩。 改善电机低速输出转矩不足的技术，使用矢量控制，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150）。 对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做“转矩提升”。 转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。“矢量控制”把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。“矢量控制”可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。 变频器制动的情况： 制动的概念：指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速。负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动。这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。 怎样提高制动能力？ 为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。请选用“制动电阻”、“制动单元”或“功率再生变换器”等选件来改善变频器的制动容量。 当电机的旋转速度改变时，其输出转矩会怎样？ 变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动时的起动转矩和最大转矩。我们经常听到下面的说法：“电机在工频电源供电时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些”。如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流 ）。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。 通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减些 减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。当变频器调速到大于额定频率20时，电机的输出转矩将降低。通常的电机是按照额定频率电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P=Pe) 变频器输出频率大于额定频率时（如我国的电机大于50Hz），电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于额定频率20速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。额定频率为50Hz的电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。下面介绍门式起重机的变频调速：一、 采用变频调速的基本考虑：1、 主拖动系统（1）电动机的选型（略，见上节）（2）调速方法：采用具有矢量控制功能的变频调速系统。转速可分档，也可以不分档。本设计采用分档。（3）制动方法：采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。首先，通过变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车或吊钩迅速而准确地将转速降为0；对于吊钩，常常需要将重物在半空中停留一段时间（如重物在空中平移时），而变频调速系统虽然能使重物停住，但因容易受到外界地干扰，可靠性较差。因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。2、对电动机运行状态的分析（略，见前两节）3、变频调速系统的控制要点： 门式起重机的拖动系统的控制动作包括：大车的左右行及速度档次；小车的前后行和速度档次；吊钩的升降及速度档次等。所有这些都可以通过可编程控制器（PLC）进行无触点控制。防止溜钩。对于“溜钩”现象方面，可以充分利用变频器丰富的控制功能，有些变频器制造商已生产了起重机专用的变频器。电磁抱闸在接收信号到松开约0.6秒钟，因此在抱闸抱住时不能有较高的输出频率。从变频器的功能考虑，可利用变频器的零转速100%转矩输出功能和预励磁功能。4、零速全转矩功能： 变频器可以在速度为零的状态下，保持电机有足够大的转矩，且不需速度反馈装置。这一功能保证了吊钩由升、降状态减速为零时，电动机能够使重物在空中停住，直到电磁制动器将轴拖住为止，从而防止了溜钩。5、停止时和起动前的预励磁功能： 变频器可以在停止时和起动前自动进行直流预励磁。使电机有足够大的转矩，维持重物在空中的停住状态，以保证在电磁制动器释放时不会发生“溜钩”。二、 起重机采用变频调速的优点：1、可靠性提高，主要有以下几个方面：消除了电动机的薄弱环节，用鼠笼电机取代绕线电机，消除了电刷和滑环等薄弱环节。2、电磁抱闸的寿命大大延长，原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸刹车的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大大改善。3、控制系统的故障率大为下降，原系统是由十分复杂的继电系统和接触器进行控制的，故障率较高。采用变频调速控制后，系统简化，可考性提高。4、节能效果明显，绕线异步电机在低速下运行时，转子回路的电流将消耗大量的电能。5、调速质量明显提高，具有很高的调速精度和运行效率。频调速后可以完全节约，并且在放下重物时，还可以将重物释放的位能反馈给电源。设置接线： 变频器容量选定1、不同类型的负载选用相应型号的变频器，因为它们是经过专门设计的。 2、一台变频器驱动多台电机并列运转时，按变频器的额定输出电流大于并列电机额定电流之和的1.1倍来选择。 3、需要大转矩启动时，要选择大1级容量的变频器。 接线切勿将电源加到变频器的输出端子U ，V，W，变频器会损坏。设备接线完成后一定检查无误。方可投运。 4、设置场所周围环境：要避开容易高温，多湿，结露的环境以及有灰尘，棉絮，腐蚀性的气体，研磨液等有害场所，放置通风条好的室内。装入柜子内的变频器一定要考虑到变频器的散热和通风。变频器要安装在不燃的材料上。5、保养检查：因变频器内部有储能电容器,切记在停电后等放电灯灭后方可进行保养和检查。 6、控制回路的配线距离：进行远距离操作时，变频器的接线请使用双绞屏蔽线。而且，为了不受外围设备的干扰，与强电回路(主回路和继电器程序回路)分开进行接线。 7、变频器电机间的接线距离：到电机的接线距离较长时，由于受流过各相间分布电容高频电流的影响，变频器可能会过热和发生过流跳闸。此时应降低变频器的调制频率，不得高于4kHz。 8、电线尺寸：变频器和电机间的接线距离较长时(特别是低频输出时)，由于有电线压降，电机的转矩降低，应使用足够截面的电线。 9、接地配线：变频器接地端子应可靠接地。 相关外围设备： 配线用断路器：在变频器的输入侧，为了保护一次侧线路，请设置配线用断路器(MCCB)。漏电断路器请使用高次谐波对应产品。 输入侧电磁接触器：不要频繁的操作输入侧电磁接触器(MC)，会导致变频器故障。需要频繁的运转停止时，请使用控制端子的信号输入来进行。 输出侧电磁接触器：原则上，在变频器和电机之间设置电磁继电器在运转中不要开断。为了对工频电源进行切换，向变频器的输出侧设置电磁接触器时，应在变频器和电机都停止时进行。 滤波电抗器：变频器的输入和输出端不得加装改善功率因数用的移相电容器，如改善功率因数可加装交流或直流电抗器。 电磁干扰：通过安装干扰滤波器可降低变频器的输入高次谐波成分产生的妨害。驱动通用电机： 绝缘耐压：使用IGBT的电压型PWM方式的变频器驱动电机时，由于电线长度等原因造成的浪涌电压，可能使电机线圈的绝缘损坏。请与电机制造商联系，必要时使用绝缘强化的电机。 温度上升：用变频器驱动通用电机时，与市电运行相比，温度会升高。而且，因为低速运行时冷却效果降低的缘故，容许输出转矩会降低。如必须在低速下恒转矩连续运行，请使用装备了强制冷却风扇的电机。 振动：可能发生包括负载机械在内的固有振动频率的共振。考虑采用防振橡胶或变频器的回避频率功能。 噪音：用变频器运转通用电机时，与市电电源运转情况相比较，噪音会变大。为了降低噪音，将变频器的载波频率设定增加。根据实用起重机手册和最新起重机械设计、制造、安装调试、维护新工艺、新技术与常用数据及质量检验标准实用手册，本设计中变频器选用CIMRG7A4110（大车）、CIMRG7A4055（小车）。（注：参照同规格起重机）3.5 可编程序控制器（PLC）可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。国际电工委员会通过的定义为：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备都按照易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。一、PLC的主要特点：1、 高可靠性高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用了现代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点数已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。PLC主要有以下方面特点：（1）、所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间在电气上隔离。（2）、各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10ms20ms。（3）、各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）、采用性能优良的开关电源。（5）、对采用的器件进行严格的筛选。（6）、良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效的措施，以防止故障扩大。（7）、大型PLC还可以采用由双CPU构成的冗余系统或由三个CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备与之连接。3、 采用模块化结构4、 编程简单易学5、 安装简单、维护方便6、 体积小、重量轻、能耗小二、PLC的主要功能：1、 条件控制功能2、 定时3、 步进控制功能4、 数据处理功能5、 A/D与D/A转换功能6、 运动控制功能7、 过程控制功能8、 扩展功能9、 远程I/O功能10、通信联网功能11、监控功能三、PLC的基本组成1、中央处理单元（CPU）在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：（1）、接收从编程器输入的用户程序和数据。（2）、诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。（3）、通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。（4）、从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。（5）、根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。2、存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。3、 输入/输出单元4、 通信接口5、 智能接口模块6、 编程装置7、 电源8、 其他外部设备四、PLC的软件组成PLC的软件由系统程序和用户程序组成。PLC常见的编程语言有：梯形图语言、语句表语言、逻辑图语言、功能表语言、高级语言等。起重机PLC系统的设计，主要包含以下环节：1、充分了解各种类型起重机生产过程的结构、原理、工况和特点。2、充分了解并确定用户提出的功能控制要求。一般用户，特别是对PLC的特点完全不熟悉的用户，先期提出的功能要求是不完全的，有的也可能是难以实现的。在了解被控对象的基础上，主动为用户着想，介绍PLC的功能特点，对那些不需要增加额外的硬件开销并能充分发挥PLC潜力的功能，如自动计数、设备运转时间的记录等都主动为用户考虑；对那些实现起来花费很大投资，而效益不大的功能向用户解释说明，在尊重用户意见的基础上，进行协调处理。3、确定除PLC装置外系统的硬件结构：包括为实现全部控制功能所必须的传感器、开关按钮、执行机构及指示报警等输入输出装置。4、画出时序图和状态图等功能流程图。深入分析系统功能，为编程打下基础。5、PLC装置的选型：1）系统本身需求的分析：确定系统所需I/O端口的数量和种类。确定CPU应有的主要功能。确定内存的容量大小和种类。根据现场情况确定是否需要远程I/O。考虑系统工作环境要求。2）市场产品的分析：查看哪些型号在技术性能上满足要求，哪些可基本满足要求，在这些型号中，再进行价格方面的比较和衡量，并综合考虑产品的可靠性、供货的及时性和售后服务方面的信誉等，从中选出较为理想的产品。6、应用程序的设计和模拟调试，由于PLC的全部控制功能都是通过其应用程序（或称用户程序）的执行而实现的。因此，程序设计无疑是PLC应用系统的关键环节。应充分利用PLC各种简单、高效的编程指令功能来编制程序。PLC编程技术要点：列出PLC输入/输出通道分配表。根据功能流程图画出程序流程图及程序结构功能模块图。随时登记所用程序元素，便于检查和避免重复。多使用内部继电器，避免过于复杂的混联逻辑。注意考虑系统功能要求中没有想到的问题，比如互锁、联锁等。进行程序的修改及简化。将程序输入PLC并使用模拟I/O装置按照控制要求进行模拟调试。7、进行实机的现场联合调试。这是一项系统、复杂、繁锁而且必不可少的工作，它需要起重机制造厂家、控制设备配套厂家、用户和设计调试人员的密切配合。将PLC控制柜与起重机上的各种电气设备、执行元器件联接好，确定准确无误，则可进行实机的现场联合调试。首先分别进行各机构控制回路的调试，检查各种继电接触器的动作情况是否符合起重机各机构的逻辑要求，各种故障的显示报警是否准确等，否则在现场修改应用程序直到准确为止。合上各机构主回路开关，进行各机构空载试验，方法与步骤同。最后进行整机的载荷试验，载荷试验必须由轻载、半载和额定载荷的顺序逐步进行，一直到整台设备的各种运行状态完全达到技术规格书的要求，符合国家起重运输机械的有关规范和标准，最终得到用户的认可。二、应注意的问题为提高系统的可靠性，在设计过程中，应该注意以下几个方面的问题：1、使输出模块（端口）的负荷留有一定的余地。PLC装置本身最易受到损坏的部件就是输出模块。降低输出端口负荷的最简单的方法是给它加上功率放大环节，即使用吸合功率和保持功率都相对较小的中间继电器进行转换。另外，设计和选型时应特别注意这些输出模块的输出特性。2、注意对输出模块的外电路保护。为防止因外电路短路等原因造成输出端口的损坏，可在其输出口设置短路保护装置。3、联锁、互锁功能的软、硬件设置。单纯在PLC内部逻辑上的联锁和互锁，往往在外电路发生故障时就失去作用。如电机的正、反向接触器的互锁以及交、直流接触器的互锁等，仅在应用程序中实现是不够的。因为，接触器往往会出现主点“烧死”而在线圈断电后主电路仍不断开的故障，这时如给出相反的控制命令则会造成主电路的严重短路。解决这一问题的方法是将两接触器的常开辅点引入PLC输入口，再在软件中把它们以常闭的方式串入对方输出点线圈，就可起到较完善的保护作用。再加上硬件上的互锁，就更完善了。4、对PLC电源的要求及系统的失压保护。在起重机装卸现场，供电质量普遍较差，干扰、波动、低电压运行和瞬间高压经常出现，都会对PLC装置的运行产生影响。尽管大部分PLC系统都有较强的电源适应能力，但是采用高质量的稳压电源无疑会增加系统的可靠性。在应用程序开发时要特别注意系统的失压保护，要处处考虑出现失压状态时系统初始状态的恢复和联锁。5、采用一定的抗干扰措施。6、保留备用的控制手段。本设计采用三菱公司FX系列小型PLC控制。下面介绍PLC控制的变频调速在门式起重机拖动系统中的应用（详细介绍了PLC控制的门式起重机变频调速系统的硬件构成以及系统软件的实现）传统门式起重机的电力拖动系统采用交流线绕转子异步电动机转子串接电阻的方法进行起动和调速，继电接触器控制，这种控制系统的主要缺点有：1、 门式起重机工作条件恶劣，工作任务中，电动机以及所串联电阻烧损和断裂故障时有发生。2、 继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。3、 转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。4、 近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的交流变频装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机拖动系统中应用提供了有利的条件。系统硬件构成：PLC控制的门式起重机变频调速系统框图如图1所示：门式起重机大车、小车、主钩，副钩电动机都需要独立运行，大车为八台电动机同时拖动，所以整个系统有十四台电动机，4台变频器传动，并由4台PLC分别加以控制。 可编程控制器：完成系统逻辑控制部分控制电动机的正、反转、调速等控制信号进入 PLC，PLC经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工作，是系统的核心。图1变频器：为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的调速。制动电阻：起重机放下重物时，由于重力加速度的原因电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。门式起重机大车、小车、副钩、主钩电动工作由各自的PLC控制，大车、小车、副钩、主钩电动机都运行在电动状态，控制过程基本相似，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现基本相同，而主钩电动机运行状态处于电动、倒拉反接或再生制动状态，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现稍有区别。控制小车电动机的变频器与PLC控制原理图如图2所示。 图2系统软件设计：要实现对变频器的控制，必须对PLC进行编程，通过程序实现PLC与变频器信息交换的控制。编程的重要依据是系统的工作过程。门式起重机小车电动机的工作过程：在驾驶室内及横梁栏杆门关好后，位置开关SQa、SQb，SQc闭合，紧急开关SB2等符合要求的情况下，速度选择开关置于零位，按下起动按钮SB1，接触器KM通电吸合，三相电源接通。当速度选择开关置于正转速度1时，将三相交流电和电动机接通，1档速度起动，速度选择开关置于正转速度2时，2档速度运行，一般桥式起重机正反向均有5档速度，其余与此类似。速度选择开关置于零位或由于停电，电动机停止运行。为防止因停电、变频器跳闸等使拖动负载快速下降出现危险，乃设置有机械制动装置。当发生紧急情况时，可立即拉开紧急开关SB2，一方面机械制动将所有电动机制动，另一方面将变频器紧急停机控制端EMS接通，变频器将使电动机迅速停机。当电动机过载时，可使热继电器的触点FR接通变频器的外接保护控制端，使变频器停止工作。位置开关SQ1和SQ2装在小车两头。当小车行走到终端时，两端各有挡块，撞上位置开关，切断小车电路，小车电动机停车并制动。变频器因发生故障而跳闸后，当故障已被排除，可以重新起动时，按下复位按钮SB，接通复位控制端RST，使变频器恢复到运行状态。控制小车电动机的变频器输入控制端的安排：一般门式起重机有五档速度，所以3个外接开关K3，K4，K5来控制速度信号，达到调节速度的目的（实际可达八档速度），外接开关状态与速度的对应关系如下表所示。用户可自由设定与每档速度对应的频率大小。梯形图：小车电动机的梯形图程序如图3所示。利用PLC控制的变频调速技术，门式起重机拖动系统的各档速度、加速时间和制动减速时间都可以根据现场情况由变频器设置，调整方便。负载变化时，各档速度基本不变，调速性能好。若是改造原有系统，大小车电动机仍可采用原有的绕线转子异步电动机，将转子绕组引出线短接，去掉电刷和集电环，节省更换电动机的费用。图3简要介绍程序： 从首行看，输入继电器X16地址所存储的信号是起动按钮SB所传来的，当SB接通输出继电器Y6接通存储单元置位，这时线圈K6接通，触点闭合，变频器RST复位。第二行X1置位接通输出继电器Y7接通K7线圈，触点闭合，变频器EMS导通，紧急停车。第三行输入继电器X13外接的是FR热继电器，当电机过载时，会发出大量的热，这时热继电器闭合接通，输入继电器X13置位接通输出继电器Y8线圈导通，K8触点闭合，变频器THR导通，达到过载保护的作用。第四行是电源启动程序。第五行包括了电动机的各种运行状态程序，有正转、反转、一档五档速度控制程序，X2和Y0有互锁的功能，内中有一个存储单元起作用，输入继电器X1X7都能使电动机正转，输入继电器X8X12反转，输入继电器X3、X8是一档程序，输入继电器X4、X9是二档程序，输入继电器X5、X10是三档程序，输入继电器X6、X11是四档程序，输入继电器X7、X12是五档程序，这些分别控制接通输出继电器Y3Y5输出单元的闭合，从而控制K3K5线圈，触点的闭合，这样按照上图的控制分配表就能控制各种速度了。3.6 电器保护装置及选用一、保护箱起重机保护箱(柜)是用来保护起重机及其各机构电动机的一种专用电器装置。采用凸轮控制器或凸轮、主令两种控制器操纵门吊，广泛使用保护箱。保护箱由闸刀开关、接触器、过电流继电器和信号指示灯等组成。实现对电动机的过载保护、短路保护以及欠压、零位、联锁、限位和安全等保护。二、电气设备保护电器电气设备保护电器是用来保护电动机或其它用电设备，防止其工作电流增加到危险数值而引起事故。根据保护任务的不同，保护电器分为过流保护和欠压保护两种。当电动机的电流起过额定限度时，使电动机自动脱离电网电路的电器称为过电流保护电路。它是用来保护短路和危险性过载。当电路发生短路时，由于短路电流很大，会烧毁电气设备，所以必须有电器保护。在门吊上用作短路保护的电器有熔断器和过电流继电器；用作过载保护的电路有热继电器。当电网电压降到低于规定限度时，能使电动机自动脱离电网的电器称为欠压保护电器。当电压消失时才起作用的保护电器称为零压保护电路。由于电动机的转矩是随电压的降低而减小，如果电动机在满载运行时电压急剧地下降，则转速要减小。转速已经减小的电动机端子上如果突然又有了额定电压，必然会发生急剧的电流冲击和机械冲击，使电动机及工作机构受到损伤。而到电压突然减小到零后又出乎意外地恢复正常，对管理机器的工作人员是很危险的，这就是需要欠压和零压保护的原因。用作欠压保护的电器有欠压(或零压)继电器。在小起重量的桥、门吊上可直接用接触器作零压保护。1、熔断器又称保险丝，它是一种最简单的保护电器，具有结构简易、使用方便，体积小、重量轻，价格便宜等优点，所以应用很广。具有较低的熔点，它串接在电路中，当电流超过限定值时，熔断器烧断而切断电路。熔断器的熔断电流选为电路额定电流的1.252.0倍，熔断时间约为15s2min。熔断器有管式、螺旋式和插式三种。 当电动机和电路发生短路(或过载)故障时，往往产生根大的短路电流，此短路电流经电动机绕组时将会使绕组过热甚至烧坏。因此采用熔断器串接在电动机电源线路中，如果发生短路过载故障时，短路电流将熔断丝熔化烧断，切断主电路，使电动机迅速脱离电源，免于烧毁。熔断器主要由熔断管和熔件两部分组成，熔件一般为易熔化金属丝(俗称保险丝)和金属片两种。熔断器种类、型号、规格很多，因此正确选择熔断器保护起重机电气设备和保证安全作业具有重要意义，如熔断器规格选得过大，则就起不到安全保护作用；相反，如选得过小，那么在非故障或未到不允许过载的情况下就可能被熔断，则保证不了正常工作。故必须根据电气设备保护对象的工作条件和负载电路的特点再去选择合适的熔断器。本设计中，选用熔断器：RL1602、过电流继电器它的工作特点不同于熔断器，当电路中发生短路或不允许过载后，过电流继电器工作起到保护作用，此后，它能自动恢复到原工作状态，可以继续工作。而熔断器熔化后起重机停止工作，必须更换新的熔断器才能继续工作，影响了生产效率。在门吊上的保护箱和控制屏中，一般用过电流继电器作为短路路保护和过载保护。目前在起重机上采用的过电流继电器有两种类型：一种是瞬时动作的，加JL5、JLl5系列的过电流继电器，只作为起重机的短路保护；另一种是反时限动作的，如JLl2系列，它可作为起重机的过载和短路保护。
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