核电站环行起重机回转运行自动纠偏系统
王志刚赵晋泽
1环行起重机自动纠偏
我国核电站中在役运行的环行起重机(以下简称环吊)大约有20多台 ， 因为大车运行机构中车轮直径的制造精度差异、车轮安装位置的差异、轨道本体的制造精度差异、轨道高度和圆度的安装差异、驱动车轮转速的差异、桥架刚度的大小、小车位置的不同等 ， 均会使起重机车轮的运行轨迹不完全是一个理想圆 ， 常会在运行一段时间后整体偏向某一侧 ， 会出现啃轨或甚至挤死等不良现象 。 为此 ， 很多核电站维护人员希望环吊能够在回转运行中实现自动纠偏 ， 避免发生啃轨现象 。
从现有采取的自动纠偏措施看 ， 实际效果并不理想 。 环吊厂家认为圆形轨道在打压试验前后会发生变化 ， 在运行一段时间后牛腿也会有沉降 ， 或有其他因素引起轨道的高度和圆度发生变化 ， 这些都影响环吊纠偏功能的实现；而环吊用户认为现有的纠偏方式不能够完全实现自动纠偏 ， 常需要人工操作来辅助纠偏 ， 或在运行一段时间后经常出现这样或那样的问题 ， 然后放弃使用自动纠偏功能 。
2环吊跑偏的原因
1）驱动（主动）车轮直径的制造差异以某核电站环吊为例 ， 见图1 ， 其跨度为35.4m ， 大车运行机构为4角16轮 ， 4角4轮驱动 ， 驱动车轮直径为710mm 。 按现有标准及加工工艺 ， 车轮直径的加工误差为0~0.2mm ， 也即驱动车轮的最大直径差是0.2mm 。 由此可计算得知 ， 如果对角的2个驱动车轮直径差为0.2mm ， 其滚动1圈后行程（弧长）相差0.628mm ， 而沿轨道回转1圈 ， 车轮自身需要滚动49.86圈 ， 则2个对角的车轮在环吊回转1圈后（即自身滚动49.86圈）行程相差了31.3mm 。 以此类推 ， 若环吊整体回转3圈 ， 行程差会达到93.9mm 。 这个行程差最后会以环吊整体跑偏的形式体现出来 ， 即大直径驱动车轮会逐渐往中心方向滚动 ， 沿一个直径较小的圆滚动 ， 而小直径驱动车轮会逐渐往中心相反的方向滚动 ， 沿一个直径较大的圆滚动 ， 从而使得环吊整体以一个一致的角速度回转 。 由此可以推算出 ， 上述环吊在回转3圈后 ， 整体向大直径车轮侧偏移2.5mm 。 实际运行过程中 ， 环吊不止回转3圈 ， 也即环吊随着回转运行的持续 ， 会越来越偏离轨道中心的 ， 采取必要的纠偏措施是必须的 。
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图1环吊示意图
2）驱动车轮不在同一圆上
仍以前述环吊为例 ， 如果其中之一的驱动车轮与其他另外3个驱动车轮不在同一圆上 ， 且大于其他车轮行走的圆 ， 则环吊回转1圈后 ， 该车轮所走行程大于其他驱动轮所走行程 ， 结果就是环吊会整体向该车轮侧偏移 ， 从而使得环吊整体以一个一致的角速度回转 。 以上均针对驱动车轮的影响进行分析 ， 实际上从动车轮的直径大小和安装位置对环吊整体的偏移也有影响 ， 不起主要作用 。
3）轨道一侧偏低 ， 一侧偏高
如果环形轨道一侧偏低而对侧偏高 ， 则环吊在回转运行过程中 ， 在重力的作用下 ， 会缓慢向偏低的轨道一侧滑移 ， 最后形成了环吊整体偏移 。
4）轨道的圆度超差
如果环形轨道的圆度超差 ， 环吊可能在回转过程中经过大于半径的弧段时 ， 若环吊安装有水平导向轮或车轮设有轮缘 ， 则环吊会在水平轮或轮缘的作用下偏向该段外侧；同理 ， 经过小于半径的弧段时会偏向该段内侧 。
5）驱动轮转速不一致
环吊的4个驱动轮通常为单独控制的电动机驱动 ， 在实际运行中 ， 4个车轮的转速并不可能完全以一致的转速转动 ， 或多或少总有差异 。 在环吊回转运行过程中 ， 转速快的驱动轮会逐渐往中心相反方向滚动 ， 沿一个直径较大的圆滚动 ， 而转速慢的驱动车轮会逐渐往中心的方向滚动 ， 沿一个直径较小的圆滚动 ， 从而使得环吊整体以一个一致的角速度回转 ， 并进而导致整体偏移 。
6）环吊小车不在回转中心
环吊回转过程中 ， 若小车偏向一侧 ， 则该侧车轮的轮压会加大 ， 也即该侧驱动轮的滚动阻力增加 ， 运行速度下降 ， 结果同前述同 。
3被动纠偏与主动纠偏
被动纠偏即环吊在回转运行已经跑偏后而采取的被动纠偏措施 ， 通常是在桥架下安装水平轮装置 ， 在桥架一侧端梁的两端设置两组水平轮 ， 可以是1对 ， 也可以是2对一组 。 水平轮安装调整完毕后 ， 会与轨道侧面留有设定的间隙 。 当环吊跑偏时 ， 某一水平轮(或某一对)可能先接触轨道侧面；当环吊继续回转运行时 ， 该水平轮限制了环吊继续加大跑偏的可能性 ， 使得环吊的偏移被限制在一个设定的范围之内 。 该型式环吊在持续、同方向回转运行时可能出现挤死现象 ， 即驱动车轮的驱动力不足以克服严重跑偏的环吊的水平轮、车轮与轨道之间的摩擦力 ， 无法继续同向转动 。 这时需要操作环吊反方向转动 ， 以使严重跑偏的环吊逐步减小偏移量 ， 经手动调整后可继续运行 。
主动纠偏即环吊在回转运行时 ， 其设置的传感器会感知车轮行走路线已偏离理论圆 ， 此时环吊控制系统会采取措施控制环吊向理论圆靠拢 ， 并使环吊保持在理论圆内外设定的范围之内 ， 即主动采取措施进行纠偏 。 现有常用的主动纠偏方法是调整4个角驱动车轮的转速 ， 以逐步对环吊进行纠偏 。
从设置在车轮前后端、轨道两侧的测距传感器发回的信号 ， 环吊可感知车轮相对于轨道是否偏离、偏离多少 。 当环吊跑偏后 ， 控制系统会在计算后操控4个角的驱动车轮以不同的转速运行 ， 以促使环吊向理论圆靠拢 ， 见图2 。 测距传感器在车轮前后端、轨道两侧 ， 用以检测车轮是否偏离了轨道 。 实际上 ， 轨道本体的制造精度差异、轨道高度和圆度的安装差异导致测距传感器所测数据与实际的偏差有一定差异 ， 进而影响控制系统对驱动电机的操控无法达到预期目的 ， 不能有效地实现自动纠偏 。
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图2主动纠偏示意
4新型主动纠偏方案
该新型主动纠偏方案 ， 利用几个距离传感器确定起重机整体偏离的方向 ， 利用几个位移传感器检测出起重机四角与环轨的间距 ， 并确定环吊行走的轨迹以及偏斜的方向 ， 同时将驱动车轮直径的差异、车轮安装位置的差异、轨道高度和圆度的差异、小车位置的不同等提前测量并作为修正参数输入控制系统 ， 然后经过控制系统计算确定四角驱动的变频驱动电机如何调整以达到四角的驱动车轮驱动转速差异化 ， 最终实现自动纠偏 ， 确保起重机运行轨迹正确、稳定 。 该新型主动纠偏方案安装在环吊1上 ， 环吊大致呈长方形 ， 包括至少4个驱动车轮1-1 ， 车轮呈四角对称布置 ， 这些车轮由各自的变频电机、变频驱动系统等驱动 ， 在环吊控制系统的控制下以不同的转速运行 ， 并且4个车轮安放在环形轨道6上 ， 支撑环吊质量；环轨6的外侧是核岛的圆形安全壳7 ， 以保护内部所有设施 ， 为环轨6提供支撑；8个位移传感器2分4组分别安装在4个车轮1-1的外侧的4个支架3上 ， 环轨6的左右两侧 ， 与环轨6齐平 ， 用以测量距环轨6两侧的距离；4个距离传感器4安装在4个车轮1-1的正上方的支架5上 ， 用以测量距对侧圆形安全壳7内壁的距离；支架3、支架5分别安装在环吊1的框架上 ， 分别用来安装位移传感器2、距离传感器4 ， 如图3、4、5所示 。
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图3俯视图
环吊1在沿环轨6作环形运行时 ， 4个角的4个距离传感器4可以实时测量出与对侧圆形安全壳7内壁的距离 ， 分别是L1、L2、L3、L4 ， 根据这几个数据的比较可以分析出环吊1整体偏离环轨6的3个状态 ， 如图6、7、8所示 ， 分别是整体偏向X一侧、整体偏向Y一侧、整体在X、Y侧都有偏离 。 然后根据4组8个位移传感器2测量出的与环轨6的间距 ， 可以准确计算出环吊1偏离环轨6在某一状态下的、4个车轮1-1具体的偏离尺寸 ， 也就能得出4个车轮1-1对应的变频电机需要加速运行还是减速运行 ， 并给出具体的加减速参考值 。 如图6所示的环吊d、c角的车轮应加速 ， a、b角的车轮应减速；图7所示的环吊d、a角的车轮应加速 ， c、b角的车轮应减速；图8所示的环吊d、a、c角的车轮应加速 ， b角的车轮应减速；具体数值由根据测量值计算确定 。 在环吊1旋转运行时 ， 可以根据上述测量值知道环吊的运行轨迹以及运行时可能偏离的方向 ， 并在超过设定值时及时纠偏 ， 以防产生啃轨或挤死等现象 。 图3为俯视图 ， 图4为俯视图的局部放大图 ， 图5为图4的A向视图 ， 图6、7、8为环吊发生运行偏离的示意图 。
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图4俯视图局部放大图
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图5图4的A向视图
需要说明的是:4组8个位移传感器2中每组的2个位移传感器2为冗余设置 ， 一个有故障时不影响工作 ， 且正常工作时可以进行相互校验；环吊1的车轮可能是4个 ， 也可能是8个或更多 ， 安装距离传感器4最好是在驱动车轮的正上方；环吊1整体的偏差值与实测值L1、L2、L3、L4的关系、与位移传感器2实测值的关系可在具体的实例中推算；环轨6两侧、圆形安全壳7内壁实际并非标准圆 ， 需要在实际计算时根据实测值进行修正 。
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图6运行偏离示意一
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图7运行偏离示意二
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图8运行偏离示意三
该方案的可预见运行效果是：1）先将影响环吊跑偏的各个因素 ， 如车轮、轨道、小车位置等预先输入控制系统 ， 根据各自与跑偏的因果关系预设修正值或调整公式 ， 使得环吊在运行过程中能够克服先天不足 ， 尽量在一个理想的圆上运行；2）主动测试四角驱动电机对环吊跑偏的影响 ， 按照理论的因果关系调整三种纠偏模式对环吊纠偏的影响 ， 并在对实际纠偏效果评判后重新调整因果关系公式；3）在上述基础上 ， 环吊在运行时开启自动纠偏功能 ， 及时判断环吊运行状态是否跑偏 ， 是否存在跑偏的趋势 ， 并及时采取纠偏的措施 ， 确保环吊始终处于良好的运行状态 ， 运行在一个理想圆的范围内；4）定期对车轮、轨道等进行测量 ， 修改预设的修正值 ， 以避免车轮、轨道等的变化影响回转运行 。
5总结
【核电站环行起重机回转运行自动纠偏系统】环吊跑偏是普遍现象 ， 应仔细分析各种因素的影响 ， 推导出与环吊跑偏的因果关系 ， 形成调整公式并进行预先修正 ， 在反复测试调整的基础上 ， 形成自动纠偏的控制系统 ， 即可实现自动纠偏功能 。 该方案也仅处于理论研究阶段 ， 需要在实践中不断探索和改进 。
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