集装箱电动吊具的电机控制方案分析
摘要：传统的集装箱码头使用的液压吊具产品都是高能耗并存在一定污染的，随着港口对绿色环保的要求越来越严格，近几年电动吊具因节能环保、少污染而受到用户的青睐，并已开始大量使用在集装箱码头、堆场上。尤其在场桥、轨道吊上，其电动吊具比例已经达到90%以上，且逐年继续呈现上升趋势。岸边集装箱起重机，由于作业工况复杂、恶劣，且多数为双箱吊具，目前虽电动双箱吊具已在逐步推广，但更多的尚未能达到液压双箱吊具的稳定性，集装箱码头用户在吊具种类的选择上也是慎之又慎，但电动系列产品作为是未来的主流方向已成定局，随着集装箱电动吊具质量逐步成熟、稳定，未来必将完全替代液压吊具产品。而电动吊具中电机驱动机构的稳定性将直接影响吊具的工作质量，因此本文将着重介绍电动吊具对电机控制的几种设计方案。 一、集装箱电动吊具简介
根据吊箱数量的不同，集装箱电动吊具可分为电动单箱吊具和电动双箱吊具。吊具各动作均为电动方式，吊具单箱伸缩位置有20英尺、40英尺、45英尺等； 转销机构采用机械连锁型式，采用电机形式驱动，每台吊具端部有2套转销机构，用于起吊集装箱；在吊具的四个角上，采用固定或者活动导板装置。如果是电动双箱吊具，那么还需要增加中部4套转销机构，用于起吊双20英尺集装箱；同时吊具还具有中部平移机构，用于实现在船侧或者集卡侧2个20英尺集装箱间距不一致时，来完成0~1600mm的双箱分离功能；最后在吊具中部还装有转销箱升降机构，在单箱、双箱吊具切换时完成中部转销机构的上下动作。 二、集装箱电动吊具的电机配置
有别于液压吊具只有一个油泵电机通过液压系统来控制吊具上面所有动作机构，电动吊具根据每个动作机构各配备一个电机。电动单箱吊具可分为伸缩、转销、导板三大机构，根据导板配置的数量不同，电机数量在3～7个。而电动双箱吊具因动作结构复杂，可分为伸缩、平移、端部转销、中部转销、导板、中锁升降共6大机构，所以电机数量大大增加到18个。因吊具的工况十分恶劣，长期工作在高盐雾、高震动高冲击的环境下，所以电动吊具上的电机都是根据工况要求定制的国内外知名品牌。
以下将对电动双箱吊具上的6大机构所使用的电机进行一下配置工况说明。 1、单箱伸缩和中部平移机构：伸缩平移机构为本电动双箱吊具的核心机构，通过这套驱动机构可以实现单箱状态和双箱状态的自动切换。单箱伸缩和双箱平移动作共用两套动力源，对称安置在主梁内腔两侧，每套动力源由一台2.2KW电机、一台4KW电机和一台差动减速机组成。在单箱伸缩状态时，两套动力源中的2.2KW电机得电工作，通过差动减速机减速增扭后带动伸缩二级链条工作，再由伸缩二级链条带动二级减速机旋转将动力传至伸缩链条，伸缩链条与推杆连接，最后由推杆推动伸缩梁进行单箱伸缩动作，此时4KW电动处于制动状态；当切换到双箱移动状态时，4KW电机得电工作，通过差动减速机分别带动伸缩二级链条和平移二级链条分别拖动推杆和连接板做直线运动，推杆和连接板又带动伸缩梁和中间移动框架同时移动，并由保持伸缩梁和移动框架的间距不变，此时2.2KW电机处于制动状态。
2、端部和中部转销机构：吊具两端的端梁内各有一套由电机驱动的转销机构，配备了0.55KW的三合一电机，每个电机通过连杆驱动两个转销动作。吊具四个中锁转销箱内也各有一套由电机驱动的转销机构，因为是一个电机驱动一个转销
动作，所以只需配备0.25KW的三合一电机。转销机构具有较高的可靠性，并且内置于端梁的两端或者中部转销箱内, 不会受到外力破坏。
3、导板机构：电动导板使用的是1.1KW的电机，因电动导板在工作时经常会和集装箱碰撞导致电机堵转，所以它的大齿轮总成中齿圈与齿轮轴之间的连接部位有一套摩擦离合装置，离合装置与齿圈靠摩擦传递力矩。当导板作业中受到过大的撞击时(导板反力矩为3000~5000Nm)离合装置打滑卸力以保护传动机构及电机。
4、中部转销箱升降机构：电动双箱吊具中部转销箱升降利用了曲柄滑块机构原理将旋转运动转化为直线运动完成升降动作。升降电机使用的是0.12KW的三合一电机。当吊具得到进入双箱状态的指令后安装在移动架顶部的减速电机得电开始工作，带动曲柄转动板开始旋转180°，由上升状态运动至下降状态，在中间利用一只气液缓冲器作为连杆铰接电机上的曲柄转动板与转销箱，当进入单箱状态时减速电机反向旋转180°完成提升动作，减速电机正反旋转180°，中部转销箱完成一次升降动作。
三、电动吊具电机的控制方式
由于电动吊具各机构动作相互独立运行，控制电机动作的电控控制和保护系统相比液压吊具要复杂很多，下面就根据ZPMC电动吊具的几种常用电机控制方案做一下详细的介绍和优缺点分析。
1、ZPMC单箱吊具上使用过法国CELDUC公司生产的专用正反转电机控制器，此控制器的工作原理是将电机正反转控制线路集成在模块中，此模块对外接口是输入和输出的三相动力线以及正转和反转控制的控制线和零线，也就是只要给它正转或者反转的指令，它就会对应将三相动力电中的两相切换好并驱动电机做正转或者反转的动作，该正反转模块的优点：(1)体积较小；(2)集成化程度较高；(3)抗震性能良好；(4)接线少。但该模块也有一些缺点：(1)模块自身无过载、过流保护，需要另配断路器提供保护；(2)价格较昂贵；(3)另外此模块最致命的缺点是散热性能差，尤其是使用在吊具开闭锁、导板电机上时无法经受电机长期的频繁启动、堵转工况，容易造成模块发热厉害而烧坏模块。虽然厂家根据此情况在模块底部增加了散热铝板，但效果改观不大，模块依然容易发热损毁。目前此种电机控制方式因模块长期使用损坏严重且更换价格较为昂贵，所以已很少在ZPMC电动吊具上使用。
2、ZPMC电动吊具上目前使用最主流的电机控制方式是西门子的国产接触器组合成的正反转控制器，一套这样的正反转控制器由两个相同规格的接触器加上一套可逆附件，该附件包括了固定装置、正反转短接片和机械连锁装置组成。这样一整套装配好以后可以确保单个电机在吊具上正常工作，这套可逆附件较为特殊，目前还未国产，只能采购进口件。该种组合方式目前大量的使用在ZPMC电动单箱和电动双箱吊具上，它们优点是：结构简单、质量可靠、性价比较高、在频繁的正反转启动下发热小，不易损坏。缺点是：(1)需要另配断路器提供过载过流保护；(2)组合式接触器体积较大，不大适合使用在电机较多的电动双箱吊具上，为此必须要制作三个电气主接线箱才能安装所有的电气件，给维修查故障带来很多不便。
3、近两年PHOENIX研发生产出的专用电机正反转启动器已经在ZPMC的几个电动单箱和电动双箱吊具项目上使用，最早的已差不多试用了一年左右时间，该电机启动器属于电子＋机械式的混合式启动器，它有别于传统的全机械式接触器，它内置了微处理器来进行电机缓慢的正反转切换，而且它整合了无磨损固态技术
和牢固继电器技术，所以就不会像接触器那样在长期使用下有所磨损，使用寿命大大提高。因该启动器使用了很多新技术，所以它的优点非常明显，主要如下：(1)自带过载保护且能自复位，可以大大减少断路器的使用数量；(2)可以在DIN35导轨上安装，体积小巧，只占用普通接触器的四分之一左右的宽度，使用在电动双箱吊具上时可以节约一个吊具主接线箱，方便吊具的维修及查找故障。当然它也存在一些缺点：(1)主要是新产品价格较贵；(2)应用在吊具频繁起停的环境中发热量较大，多个连续安装时需要个与个之间空开一定的空间，方便它们散热；(3)正转、反转线圈只能接直流24VDC电压，还没有接交流的型号；(4)还未长期经受吊具上恶劣环境的考验。
4、电动双箱吊具因各动作机构及电机数量众多，而且电动双箱吊具因I/O点多，逻辑功能复杂，所以目前ZPMC都是使用CAN总线进行吊具内外部的通讯。那么除了以上第三种电机控制方式外，另两种都不大适合使用。而第三种控制方式还未经受吊具上长期恶劣环境的考验。基于以上种种原因，ZPMC和专业智能科技公司目前正共同研发一款基于CAN通讯的电机驱动模块，该模块不但能驱动电机正反转控制，而且集成了I/O点位可以取代掉部分吊具上的CAN通讯I/O模块，将两者合二为一。该模块根据电动双箱吊具的工况需求量身定制，不但具有以上第三种控制方式中电机启动器的优点，同时还有以下优点：(1)自身防护等级高，不占用宝贵的吊具电气箱内空间，可以分布式安装在各机构周围；(2)使用CAN通讯，和CAN模块一样，使用专用减震散热胶并全部灌封，抗震及散热性能好；(3)集成了I/O模块功能，将各机构动作的反馈信号直接接进该模块，接线简单、方便，并可以减少CAN I/O模块的数量。缺点是：目前还未经过吊具上的正式考验，只是还处于测试阶段；另外只适合使用在CAN通讯的电动吊具上。
四、总结
上述四种电动吊具的电机控制方案针对产品的不同而各有优缺点，其中第一种方案因价格贵、质量差而逐步被淘汰；第二种方案因其性价比突出目前在电动单箱吊具上大量使用；第三、第四种方案对于电动双箱吊具有很大的优势，尤其是第四种方案，如果今后电动双箱吊具要想完全取代液压双箱吊具的话必须要使用这种更简单、可靠的、功能强大的电机驱动模块。 参考文献：
1.薛士龙、刘以建、印黄燕.《电气控制与可编程控制器》.电气工业出版社，2011. 2.符敦鉴主编.《岸边集装箱起重机》.湖北科学技术出版社，2007.
集装箱电动吊具的电机控制方案分析
