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宽厚钢板电磁起重系统的方案设计(1)程力学毕

2013-08-14 01:10 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。

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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。

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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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