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摘要：基于系統集成的設計思想，給出了寬厚鋼板電磁起重系統的組成原理，介紹了該系統的總體設計與單元設計中的幾個關鍵問題；重點論述了系統總體設計的約束條件、總體布局設計原則及其采取的措施、耐高溫專用線性電磁鐵的設計思路和電控子系統的工作原理；特別是在電磁起重技術領域引人了精確調磁的概念，并付諸于設計實踐中；同時給出了一個總體分布實例及其電磁鐵的設計結果。

關鍵詞：電磁鐵；起重技術；寬厚板

寬厚鋼板在國民經濟和國防建設中具有極為重要的地位；然而，在寬厚板起重技術的研究和應用方面，我國還處在起步階段川。為滿足某特大工程項目的需要，基于系統集成的設計思想，作者對寬厚板起重系統的技術方案進行了較深人研究，并研制了寬厚板電磁起重系統的樣機。

寬厚板的特點是大而重。如外形尺寸13000mmx4900mmx50mm的鋼板，其重量達25t。一般的鋼材吊運，通常采用一個或幾個電磁鐵進行起重。但對寬厚板而言，需要幾十個起重單元協同工作，而不是一堆電磁鐵的簡單組合，由此給電磁起重系統的設計帶來一系列特殊問題，如電磁鐵的布局合理性，成組電磁鐵的選擇與協同工作，需滿足不同被吊物的磁力調節，系統安全防護與故障診斷，等等。作者就此進行了闡述。

1系統組成

起重電磁鐵是以被吸物作為銜鐵的一種直流電磁鐵。將n臺電磁鐵通過電控系統有機地組合在一起，便形成了電磁起重系統。電磁起重系統的工作原理相對簡單，工作時根據上層網絡的指令，電控系統控制全部或部分電磁鐵協同工作，達到吸放鋼板的目的。

電磁起重系統由電磁鐵、電控子系統和機械組件構成，如圖1所示。電控主電路由PLC主控單元、變壓器、可控整流模塊和接觸器組成。PLC主控單元通過控制可控整流模塊實現電磁鐵調磁，而各吸盤通斷電選擇由PLC控制接觸器實現。由這些主電路構成調磁保磁控制屏和自動充電屏，加上免維護蓄電池組，構成了三位一體的電控子系統，該系統能自動切換、互為備用，能實現恒充、浮充、自動跟蹤和自動調整。

圖1電磁起重系統的組成

2系統設計的約束條件

電磁起重系統的設計包括總體設計和單元設計。總體設計包括目標分析與分解、總體布局設計、電控原理確定等；單元設計包括機械子系統的設計、電磁鐵的設計、電控單元設計等。設計電磁起重系統時，除了滿足技術指標的要求外，應重點考慮下述約束條件。

1)被吊物方面：①滿足最大載荷要求(即電磁鐵負載滿足要求)；②鋼板的最大、最小外形尺寸：長x寬x厚；③鋼板的材質(不同的材質，其導磁率和飽和磁密不同影響吸力)；④鋼板的溫度(影響鋼材的導磁率及飽和磁密，鋼板的撓度增大)；⑤鋼板的撓度；⑥鋼板的表面質量、氧化層厚度。

2)起重系統本身：①電磁鐵的自重；②安全系數>2；③通電持續率60%；④系統的響應時間(吸放時間)<3s；⑤電磁鐵內部溫升問題；⑥吊運偏心問題(對正問題)<10%；⑦成組電磁鐵的共平面問題；⑧長短掛梁的共用電控問題；⑨與掛梁的接口；⑩電控系統內部干擾問題；@長掛梁的伸縮問題；⑩起吊加速度及擾度突出邊的動態壓力問題。

3)環境方面：①環境溫度；②外界干擾等。

4)其他方面：①突然斷電、整流器故障；②某一個電磁鐵出現故障，等。

3電磁鐵總體布局的原則

根據被吊鋼板的參數確定電磁鐵的總體布局，基本原則是：用最少的電磁鐵個數，安全可靠地滿足起重要求，并確保板材的變形量最小。為此電磁鐵總體布局設計從下述3方面展開：①進行力學分析。對薄板而言，電磁鐵的分布適宜布置在長板材的“愛里”點上；對厚板而言，電磁鐵布置必須滿足在布置間隔內對最重板的吸力要求。②分析國外同類產品的參數，如意大利TECNOMAGNETE公司、德國WALKER公司和美國STANVER公司的寬厚板電磁起重系統等。③用常規電磁鐵作板材吸吊實驗，通過實臉找出板材變形量與電磁鐵分布間的規律。

綜合上述3方面的結果，同時考慮到板材規格的變化，進而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對鋼板(尺寸為：厚度5-50mm、寬度1。3^4。9m、長度6。0-45。0m)的起吊，當長短掛梁凈起重量均為26t，其電磁鐵的總體分布如圖2所示，共采用17個電磁鐵。

圖2電磁鐵的總體分布

綜合上述3方面的結果，同時考慮到板材規格的變化，進而確定了電磁鐵的總體分布。例如，對鋼板(尺寸為：厚度5-50mm、寬度1.3^4.9m、長度6.0-45.0m)的起吊，當長短掛梁凈起重量均為26t，其電磁鐵的總體分布如圖2所示，共采用17個電磁鐵。

4電磁鐵的設計

1)專用電磁鐵設計寬厚板的起重通常以單張進行。由于常規電磁鐵的磁力特性是強烈非線性的[2]要從一疊鋼板中可靠地吸吊起單張鋼板，采用常規電磁鐵是不適宜的，為此需要設計專用電磁鐵。

額定載荷P的確定

P=Wmax/n(1)

式中：Wmax為被吊鋼板的最大重量；n為電磁鐵的個數。

安全系數K的確定

K=F/P(2)

式中F為單個電磁鐵的電磁力。

電磁力F的計算(3]

F=B2A/(2μ0)(3)

式中：F為電磁力(N)；B為工作氣隙處的磁通密度(T)；A為有效吸附面積(m2)；μ0為真空中的磁導率(4πx10-7H/m)。

根據式(1),(2)，安全系數取2.5，就可以確定最大電磁力。根據式(3)，合理選擇B值，就能確定A值，這樣就對應確定了線圈芯的截面尺寸。

為確保電磁鐵在高溫下能正常工作，對電磁鐵進行了耐高溫設計。設計要點在于既要把內部線圈產生的電阻熱散發出去，又要阻止外部鋼板的熱量傳進來。所采取的措施有：采用耐高溫的電磁線；增加導熱絕緣層和外部傳導熱阻斷層；采用防輻射隔熱層；加大散熱面積并設計了外部散熱風道。

鑒于每次只吊運單張鋼板，而鋼板規格的變化范圍很大，針對不同厚度的鋼板，電磁鐵需要輸出不同的電磁力，因此需要對電磁鐵進行無級調磁。為此，提出了“精確調磁”的概念，并開發了相應的技術。要實現無級精確調磁，對電磁鐵而言，其關鍵是在保證足夠透磁深度的情況下，電磁鐵的磁力曲線FII要有較寬的線性范圍[4]。對應圖2所示鋼板，滿足鋼板溫度t=600℃條件下，所設計的專用電磁鐵采用多個線圈，全密封焊接式長方體鋼板結構，基本參數為：外形尺寸2700mmx240mmx320mm、額定起重量6.5t、安全系數K>2.5、工作電壓為直流DC220V、防護等級IP54。這種電磁鐵透磁深度相對較淺、線性好、重量輕、功率小。

2)電磁鐵性能一致性為確保精確調磁、準確吸吊對應的鋼板，要求成組電磁鐵之間性能具有高度的一致性。對同一臺吊車所用的電磁鐵，經分析其電磁性能一致性要求為98%。

3)電磁鐵吊掛高度一致性電磁鐵與掛梁的聯接采用鏈條聯接方式。對成組電磁鐵的基本要求是：保證磁極的底平面處在同一平面內。這個問題在厚板起吊中是個貌似簡單卻十分重要的問題。由于厚鋼板是平直不易變形的，如果磁極工作面參差不齊，不在同一水平面上，則必將造成舉高較低的電磁鐵相當于“下沉”，不但不產生吸力，而且將“壓”在被吸鋼板上，形成“負吸力”。這樣一來，總的吸力明顯降低。為此采取措施：①電磁鐵裝配完成后，對磁極底面進行精加工，確保每個電磁鐵的底平面平整；②為保證電磁鐵的吊掛高度一致，采用高度可調的懸掛裝置，該裝置系螺栓式機構。在現場調試安裝時，對成組吸盤進行高度調節，盡可能使成組電磁鐵的底平面在同一水平面里。

5電控子系統設計

1)工作原理系統的程序控制采用西門子S7-200PLC主控單元(CPU226)。CPU226通過DP接口模塊EM277接到Profibus總線，與行車主PLC通訊。人機界面采用254mm觸摸屏，采用SIMATICProTool組態軟件進行組態，各控制功能在觸摸屏上顯示為菜單，只需簡單觸摸，即可完成控制；觸摸屏通過通訊電纜聯接到CPU226的MPI接口。為確保控制系統在掉電時保持正常工作，系統的程序控制部分采用UPS不間斷電源供電。

調磁系統采用智能三相全控整流模塊，將主電路與觸發電路集成為一體。系統設有電壓傳感器和電流傳感器，實時檢測模塊輸出電壓、電流，電壓傳感器和電流傳感器輸出通過A/D模塊讀人PLC。PLC將整流模塊輸出電流值與給定電流值進行比較，根據比較結果調整D/A輸出。整個系統對工作電流閉環控制，控制精度高，確保電磁鐵的吸力穩定，從而保證按設定方式吊運。調磁系統為邏輯無環流可逆系統，充磁時正組可控硅導通，電能正向饋人電磁鐵；退磁時PLC首先控制正組整流模塊移相至逆變狀態，將電磁鐵能量大部份回饋到電網；PLC檢測電流值為0時，確認正組整流模塊關斷，再觸發導通反組整流模塊，對電磁鐵反向去磁。系統取消了外接電阻器強制去磁的方式，充磁退磁快，退磁效果好，實現了無觸點控制。

2)電磁鐵選擇控制PLC的輸出通過接觸器控制各電磁鐵通斷電，每個電磁鐵分3段控制，并對各電磁鐵的工作狀態進行檢測，發現故障立即報警。由于調流模塊僅在吊運時輸出電流，所有接觸器都可以在主電路無電時由PLC控制其通斷，接觸器觸點不易損壞，使用壽命長。

3)停電保磁系統采用免維護蓄電池作為備用電源，由自動充電屏對電池自動恒充、浮充，也可通過按鈕手動控制主充、浮充。自動充電屏對電池欠電壓、過電壓自動檢測、報警，根據檢測結果實現浮充主充自動切換，并對電池定期活化放電。自動充電屏能自動限制充電電流，防止電流過大損壞蓄電池。系統自動跟蹤主電源狀態，保證在主電源斷電時蓄電池自動投人使用。

4)系統保護電路電源進線采用過壓自動脫扣斷路器保護，變壓器次級采用快速熔斷器限流保護，吊運時若斷路器脫扣或熔斷器熔斷，蓄電池自動投人工作，確保安全吊運，同時發出警報。

PLC通過電壓傳感器和電流傳感器實時監測直流輸出電壓、電流，并與給定值進行比較，當偏離限定值過大時(過壓或欠壓),PLC自動關斷整流模塊輸出，并控制蓄電池自動投人工作。多個吸盤聯用時，當某個電磁鐵發生故障導致其電流異常上升時，斷路器自動切斷這個電磁鐵的電源，避免連鎖反應而影響其余電磁鐵的工作，同時發出警報。整流模塊有完善的阻容保護和防雷擊防浪涌電壓沖擊的壓敏電阻保護。

6結束語

寬厚板的起重，特別是多規格的高溫寬厚板的起重，是一個十分復雜的技術問題。既有起重系統整體的技術問題，又有單元技術難題。合理的電磁鐵總體布局、耐高溫的線性電磁鐵、精確調磁技術以及無觸點電控系統，還有文中沒提及的可伸縮掛梁，都是技術關鍵。解決寬厚板起重技術難題，要以成熟的單元技術為基礎，用系統集成的觀點去統籌考慮機械、電磁和電控問題以及相互間的藕合問題。

參考文獻：

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[3]楊柞新電磁鐵應用設計計算方法[J]。機床電器，1996(1)：44-46。

[4]張逸成，沈玉琢，姚勇濤，等計算電磁鐵三維非線性瞬態磁場數學模型的研究[J]。上海鐵道大學學報，1999,20(4)：45-50。

[5]宋恩峰，魏雁。起重電磁鐵無觸點控制裝置f。il。起重運輸機械，1996(2)：30。