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1、宽厚钢板电磁起重系统的设计摘要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。为此中国的工程技术人员作出了不懈的努力，中国的宽厚钢板电磁起重技术得到了很大的进步。逐步的满足了一些特大工程项目的需要。基于系统集成的设计思想，工程技术人员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
2、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。本人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。 关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语
3、主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。关键词：电磁铁，起重技术，宽厚板 AbstractThe generous steel plate has the extremely important status in the national economy and the national defense development; However, lifts heavy objects technical in the width thick plate the research and the application aspect, our country also occup
4、ies the start stage.Made the unremitting endeavor for this Chinas engineers and technicians, Chinas generous steel plate electromagnetism have lifted heavy objects the technology to obtain the very big progress.Gradually has met some especially big engineering project needs.Based on the system integ
5、ration design concept, the engineers and technicians lifted heavy objects the system to the width thick plate the technical plan to carry on the deep person to study, and developed the width thick plate electromagnetism to lift heavy objects the system the prototype. The wide thick plate characteris
6、tic is big and is heavy.If the external dimensions 13000mmx4900mmx50mm steel plate, its weight reaches 25t.The common steel products lift, usually uses or several electro-magnets carries on lifts heavy objects.But speaking of the width thick plate, needs several dozens to lift heavy objects the unit
7、 joint operation, but is not a pile of electro-magnet simple combination, from this lifts heavy objects the system to the electromagnetism the design to bring a series of special questions, like the electro-magnet layout rationality, becomes the group electro-magnet the choice and the joint operatio
8、n, must satisfy differently hangs the magnetic force adjustment, system safety protection and breakdown diagnosis, and so on.Myself based on the system integration design concept, gave the generous steel plate electromagnetism to lift heavy objects the system the composition principle, introduced in
9、 this system system design and unit design several key questions; With emphasis elaborated the measure, the thermostable special-purpose linear electro-magnet design mentality and the electrically controlled subsystem principle of work which the system system design constraint condition, the overall
10、 layout principle of design and adopts; Specially lifted heavy objects the area of technology in the electromagnetism to direct the human precise accent magnetism the concept, and put to in the design practice; Simultaneously has given a population distribution example and the electro-magnet design
11、result.Key Words：Electro-magnet, Lifts heavy objects the technology, Wide thick plate目录摘要I1前言11.1 选题背景11.2 研究的目的和意义11.3 国内外发展的状况11.4 章节安排22 系统组成32.1 起重电磁铁简介32.2 电磁起重机系统的组成33 系统设计的约束条件43.1 被吊物方面43.2 起重系统本身43.3 环境方面43.4 其他方面44 电磁铁总体布局的原则54.1 进行力学分析54.2 分析国外同类产品的参数54.3 用常规电磁铁作板材吸吊实验55 电磁铁的设计65.1 专用电磁铁设
12、计65.2 电磁铁性能一致性75.3 电磁铁吊挂高度一致性76 电控子系统设计86.1 工作原理系统的程序控制86.2 电磁铁选择控制86.3 停电保磁系统96.4 系统保护电路电源进线97结论10参 考 文 献11致谢121前言1.1 选题背景在2008年岁末举行的bauma China上，希尔博（Hiab）、PM、古河（UNIC）、易发（EFFER）、海沃（Hyva）等国际著名的起重机大型企业悉数到场，为本届展会增色不少。而徐工集团、石家庄煤矿机械厂、长治清华机械厂等国产品牌的集体亮相也是可圈可点的。国内外起重机制造商的同台竞技，既是随车起重机行业高水平的较量，也是彰显企业实力的大比拼，充
13、分展示了国内外随车起重机行业近年来开发应用高新技术的水平和能力。整个展会给人最强烈的感觉就是求新求变。国外一流企业新产品令人叹为观止，而国内各生产制造企业日新月异的发展变化，快速进步的能力，对新技术的消化吸收以及为我所用的能力也同样令人刮目相看。1.2 研究的目的和意义电磁起重机能产生强大的磁场力，几十吨重的铁片、铁丝、铁钉、废铁和其他各种铁料，不装箱不打包也不用捆扎，就能很方便地收集和搬运，不但操作省力，而且工作简化了。装在木箱中的钢铁材料和机器可以同样搬运。起重机工作时，只要电磁铁线圈里电流不停，被吸起的重物就不会落下，看不见的磁力比坚固的链条更可靠。如果因某种原因断了电，就会造成事故，因
14、而有的电磁起重机上装有钢爪，待运送的重物提起后，坚固的钢爪就自动落下来紧紧地扣住它们。起重机不能搬运灼热的铁块，因为高温的钢铁不能磁化。大的电磁起重机，一下子能提起近百吨重物。1.3 国内外发展的状况国内随车起重机主要制造商进一步加大技术研发力度，提高产品质量、服务意识和服务力度，扩大国产品牌的知名度和认知度，缩小与国际品牌差距。此次参展的随车起重机产品在技术和外观质量上逐步接近国际品牌，性能指标与国外品牌差距进一步缩小。但在核心技术、控制技术、实验手段等方面还与国际品牌存在一定的差距。国内一流制造商在技术上各具特色，均引领着国内随车起重机行业的进步，而二流企业在技术、产品外观和综合性能上还存
15、在一定的差距，主要体现在焊缝、油漆、结构形式以及外观造型等方面。在产品风格上，国外产品将力量与柔美相结合，而国内产品则显得刚劲有余、和谐不足。由此体现出国内设计人员的艺术修养与国外同行还存在一定的差距。此外，国产品牌在液压系统和控制系统的匹配上也缺乏经验。目前国内随车起重机制造企业还没有一家成立专门的随车起重机控制系统、液压系统匹配和研究队伍，而国外随车起重机制造企业则把这些作为随车起重机发展的重中之重。液压系统和控制系统成为国产品牌与国外品牌的最大差距。1.4 章节安排本篇论文分为7个章节，第一章前言包括1.1选题背景1.2研究的目的和意义1.3国内外发展的状况1.4章节安排；第二章系统组成
16、包括2.1起重电磁铁简介2.2电磁起重机系统的组成；第三章系统设计的约束条件包括3.1被吊物方面3.2起重系统本身3.3环境方面3.4其他方面；第四章电磁铁总体布局的原则包括4.1进行力学分析4.2分析国外同类产品的参数4.3用常规电磁铁作板材吸吊实验；第五章电磁铁的设计；第六章电控子系统设计；第七章论文总结。2 系统组成2.1 起重电磁铁简介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。2.2 电磁起重机系统的组成
17、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 3 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
18、，除了满足技术指标的要求外，应重点考虑下述约束条件。3.1 被吊物方面、满足最大载荷要求(即电磁铁负载满足要求)；、钢板的最大、最小外形尺寸：长x宽x厚；、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)；、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)；、钢板的挠度；钢板的表面质量、氧化层厚度。3.2 起重系统本身、电磁铁的自重；、安全系数2；、通电持续率60%；、系统的响应时间(吸放时间)3s；、电磁铁内部温升问题；、吊运偏心问题(对正问题)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。5.2 电磁铁性能一致性电
19、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%。5.3 电磁铁吊挂高度一致性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，为此应采取相应的措施。电磁铁装配完成后，对磁极底面进行精加
20、工，确保每个电磁铁的底平面平整；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。 6 电控子系统设计6.1 工作原理系统的程序控制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
21、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
22、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。 6.2 电磁铁选择控制电磁铁选择控制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。 6.3 停电保磁系统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
23、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。 6.4 系统保护电路电源进线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
24、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。 7结论宽厚板的起重，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。通过对宽厚钢板电磁起重系统的设计更加认识到了机械工业对生产力发展的重要性，加深了对在学校的课题和书本上学习到的各种电器元件及自动控制系统的认识，毕业论文的设计增强了自己的动手和动脑能力，为将来参加更繁重的工作打下了良好的基础。参 考 文 献1 陈瑛论宽厚钢板轧机J中国机械工程，1995，1(1)：110页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)：36页。3 杨柞新电磁铁应用设计计算方法J机床电器，1996(1)：4446页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)： 4550页。5 宋恩峰，魏雁起重电磁铁无触点控制装置J起重运输机械，1996(2)：30。
