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摘要：双电机RCS起升机构是大中型塔机应用最广泛的一种起升机构。本文对电控组成、电机选型、调速方式、软件编程等方面进行技术改造，在使用过程中取得了调速范围广、可靠性高、故障率低的的显著效果。
关键词：塔式起重机；RCS起升机构；技术改造；应用
近几年来, 塔式起重机作为建筑机械中一个重要机种, 无论在品种、规格、型号、性能和质量上, 都有很大的发展。20世纪80年代初期，由法国波坦公司引进塔机的生产技术，大大提高了我国塔机生产技术的水平。双电机RCS起升机构是目前我国大中型塔机应用广泛的一种起升机构，总结20年的使用经验，结合我国工业的发展水平，在国产化的基础上，对该机构进行技术改造，必然会提高该机构的可靠性，降低故障率，扩大该机构的应用范围。
一工作原理
RCS起升机构是由两台完全相同带制动器的绕线转子电动机，一台称为低速12 电动机，一台称为高速32电动机，通过速比1:2的齿轮副与减速机相连。工作时，通过一台拖动电机减少转子所串电阻，增加转子电流，增加电动力矩，来实现加速的目的；另一台被拖动电机就成为一台交流发电机，其转子电流经整流后，加在其定子上，便形成一个电气减速缓行器，改变制动力矩就可以进行调速。此RCS 起升机构的特点是电机在不同电路中具有多种功能：(1)电动机拖动功能；(2)发电机功能；(3)电气减速缓行器功能；(4)机械制动器功能。
两台完全相同的带机械制动器的绕线转子电动机，形成一个相互制约的闭环控制。位能负载下降时，完全避免了失速问题。两台绕线电动机完全相同，所以它们能共用一个电阻器。电控分为5个速度，在拖动负载运动中调速，不论起升（或下降）速度如何，均能以最大速度运行，吊载可以准确安全就位，工作平稳，最大调速范围为1:40，从而提高生产效率。
二技术改造
该机构性能好，但由于操作使用不当，故障率有时偏高。我们将从电控系统、电机选型、调速特性、加速方式等方面进行技术改造，提高机构应用的可靠性。
1．电控系统
RCS 起升机构的两个电机共用一个电阻箱，用继电器5 接触器进行控制，可靠性低，故障率高。原电控配电箱共有12个中间继电器，5个延时继电器，13个接触器。由于选型和恶劣的工作条件，2个加速延时继电器和2个减速延时继电器常会使系统不能正常工作。
塔机司机的误操作造成故障率偏高。为尽量减少误操作，根据对RCS起升机构工作过程的分析，我们用可编程序控制器代替继电器，对RCS起升机构进行了全新的电控设计。我们选用的小型整体式可编程序控制器内存量大、处理速度快，有丰富的各种功能元件。充分利用条件控制、指令控制、定时、状态等功能，代替原控制中的继电器、延时器，满足每个动作过渡的要求，实现其复杂的调速功能。克服调速过程的冲击，提高系统的可靠性，降低机器的故障率。
2. 电机
RCS起升机构使用两个相同的电机，目前国内一般选用51.5KW电机，基本参数见表1。
表1YTSR180M2-4电机参数表
电机额定转矩
该电机是引进法国技术国内生产的，其最大转矩倍数高达3.2倍以上。电机最大转矩Mm=3.2Mz=1091Nm。
RCS起升机构起动调速时，驱动电动机转子串接了3段电阻，形成3条人为机械特性曲线。以切换转矩M2=1.2MZ为切换点，根据计算绘出机械特性，见图1。图中s为电机转差率，M2为电机转矩，M2电机额定转矩，ne电机额定转速，Mm电机最大转矩。
图1 原设计机械特性
从图中可以看出，RCS起升机构电机转子在切除第1段和第2段电阻时，其最大转矩值分别为2.05和2.76倍的额定转矩，已经很大了。在切除第3段时，其切换转矩值达到了电机的最大转矩值，即3.2倍的额定转矩，如此大的转矩带来的冲击是电机、接触器、起升机构故障率偏高的重要原因之一。从多年使用情况看，电机选型偏大，造成动态冲击过大，故障率偏高，需要进行技术改造。我们认为选用41KW电机完全能够满足工地实际使用的需要，基本参数见表2。
表2 YTSR180M1-4电机基本参数
電机额定转矩
电机最大转矩
电机的最大转矩将减少221Nm，大大减少了对电机和机械的冲击。在此基础上，如果再从调速特性上进行技术改造，冲击转矩就会减少更多，必然降低电气与机械设备的故障率。
3．调速特性
（1）原电机机械特性分析
从图1中可以看出驱动电机调速的动态过程，原电阻分为3段，且比值不合理，造成调速过程中的冲击。
①转子由串接3段电阻切换到串接2段电阻时，最大转矩M1=2.05Mz，转矩变化范围（M1-M2）是0.85倍的额定转矩Mz。
②由串接4 段电阻切换到串接1段电阻时，最大转矩M1=2.76Mz，转矩变化（M1-M2）范围是1.56倍的额定转矩Mz。
③当转子切除最后1段电阻时，最大转矩M1要达到电机的最大转矩值（3.2倍的额定转矩MZ）。
（2） 改进设计后机械特性分析
按照RCS起升机构的具体情况，电机转子所串电阻由分3段改为分4段进行切换，并将比值进行调整，情况就会大不一样。根据计算其转差率的相对比值为1:2，我们按M2=1.2MZ情况绘出其人为机械特性曲线，见图2。
图2 M2=1.2MZ时的机械特性
从图2可以看出当M2=1.2MZ时，转子在分别短接4段电阻时，转矩变化率（M1-M2）
只有：1.12MZ、1.20M、1.23MZ、1.03MZ， 而切换电阻时的最大转矩（即M1） 也只有2.43MZ。
通过以上分析，可以明显地看出：转子由串3段改为串4段进行切换，切换转矩M2越小则转矩动态变化范围就越小，最大转矩也会变小，起到了化整为零的作用。当切换转矩M2=1.2MZ时，切换的最大转矩M1也只有2.43MZ，这是完全能够满足起动和调速时平稳过渡的工作要求的。通过电机选型和调速方式的重新设计，系统的最大工作转矩由1091Nm, 降低到661Nm，冲击将明显减小。
4．调速方式
由继电器—接触器组成的电控系统，起升1、2、3挡时，PV电机起加速作用，GV 电机起减速作用。到4挡时，GV电机被切除，PV电动机转子依次延时封掉2段电阻，然后以PV电动机的额定转速运行。到5挡时，PV电机被切除，GV电动机在转子串2段电阻的情况下接入电路。然后GV电动机转子用同样方式依次延时封掉2段电阻，以GV 电动机的额定转速运行。4、5挡两个电机间的切换造成了不必要的冲击。
为克服调速中电机切换的冲击问题，我们采用可编程序控制器对原电控进行技术改造，有两种调速方式可供选择。一种是保留原加速方式（可不用5挡、效率低）；另一种是根据载荷不同选择电机直接驱动，避免电机的切换。当载荷系数0.5≤G≤1 时，仅由低速电机驱动；当载荷系数G≤0.5时，仅由高速电机驱动。避免了原来的电机切换，减少了不必要的冲击。
三 软件编程
以可编程序控制器作为逻辑控制的核心元件，能够用软件代替硬件，可靠性高、抗干扰能力强。我们将起升与下放、加速与减速各挡分为不同的状态，实现了电动与制动机械特性最科学合理的组合控制。因此控制系统性能好，故障率几乎为零。
可编程序控制器的软件是控制的核心。在软件编程中，我们充分考虑RCS起升机构工作的过程与使用要求、必备的安全条件及操作方法、顶升、换绳等特殊工况，先设计出工作状态流程图。把电机在不同状态下各个不同的机械特性按调速要求，用可编程序控制器的状态器进行组合。用梯形图方式设计程序，充分利用各种功能元件完成加速与减速的目的。梯形图直观，各种不同状态下的动作状况一目了然，前后关系非常清楚。采用SFC语言调整逻辑关系、修改程序内容、调整设计参数尤为方便。软件程序充分保证了与硬件修改电路的统一。
四 特性对比
选用不同的电气部件、电控系统和减速器组成新的RCS起升机构，性能参数、工作性能、生产成本、应用范围将有所不同。见表3。
表3 RCS起升机构特性对比
五 小结
一个机构发生故障可能有设计、生产、使用、维修等多方面原因。我们的技术改造在电机选型上使产生故障的冲击降低了20%。调速特性转子串电阻由3段改为4 段，使调速特性更加平稳。在调速方式上可以减少电机间的切换。尤其是在控制系统中用可编程序控制器代替了继电器，完全可以防止误操作。如此改进，RCS起升机构的动态过渡会有极大的改善。最大转矩的降低非常有效的减少了机械的冲击，减少齿轮打齿和电机断轴的故障率。使电机的工作冲击电流也大大下降，从而提高电机和接触器的使用寿命，可以广泛地应用于不同的塔式起重机。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看
关键词：塔式起重机；RCS起升机构；技术改造；应用
近几年来, 塔式起重机作为建筑机械中一个重要机种, 无论在品种、规格、型号、性能和质量上, 都有很大的发展。20世纪80年代初期，由法国波坦公司引进塔机的生产技术，大大提高了我国塔机生产技术的水平。双电机RCS起升机构是目前我国大中型塔机应用广泛的一种起升机构，总结20年的使用经验，结合我国工业的发展水平，在国产化的基础上，对该机构进行技术改造，必然会提高该机构的可靠性，降低故障率，扩大该机构的应用范围。
一工作原理
RCS起升机构是由两台完全相同带制动器的绕线转子电动机，一台称为低速12 电动机，一台称为高速32电动机，通过速比1:2的齿轮副与减速机相连。工作时，通过一台拖动电机减少转子所串电阻，增加转子电流，增加电动力矩，来实现加速的目的；另一台被拖动电机就成为一台交流发电机，其转子电流经整流后，加在其定子上，便形成一个电气减速缓行器，改变制动力矩就可以进行调速。此RCS 起升机构的特点是电机在不同电路中具有多种功能：(1)电动机拖动功能；(2)发电机功能；(3)电气减速缓行器功能；(4)机械制动器功能。
两台完全相同的带机械制动器的绕线转子电动机，形成一个相互制约的闭环控制。位能负载下降时，完全避免了失速问题。两台绕线电动机完全相同，所以它们能共用一个电阻器。电控分为5个速度，在拖动负载运动中调速，不论起升（或下降）速度如何，均能以最大速度运行，吊载可以准确安全就位，工作平稳，最大调速范围为1:40，从而提高生产效率。
二技术改造
该机构性能好，但由于操作使用不当，故障率有时偏高。我们将从电控系统、电机选型、调速特性、加速方式等方面进行技术改造，提高机构应用的可靠性。
1．电控系统
RCS 起升机构的两个电机共用一个电阻箱，用继电器5 接触器进行控制，可靠性低，故障率高。原电控配电箱共有12个中间继电器，5个延时继电器，13个接触器。由于选型和恶劣的工作条件，2个加速延时继电器和2个减速延时继电器常会使系统不能正常工作。
塔机司机的误操作造成故障率偏高。为尽量减少误操作，根据对RCS起升机构工作过程的分析，我们用可编程序控制器代替继电器，对RCS起升机构进行了全新的电控设计。我们选用的小型整体式可编程序控制器内存量大、处理速度快，有丰富的各种功能元件。充分利用条件控制、指令控制、定时、状态等功能，代替原控制中的继电器、延时器，满足每个动作过渡的要求，实现其复杂的调速功能。克服调速过程的冲击，提高系统的可靠性，降低机器的故障率。
2. 电机
RCS起升机构使用两个相同的电机，目前国内一般选用51.5KW电机，基本参数见表1。
表1YTSR180M2-4电机参数表
电机额定转矩
该电机是引进法国技术国内生产的，其最大转矩倍数高达3.2倍以上。电机最大转矩Mm=3.2Mz=1091Nm。
RCS起升机构起动调速时，驱动电动机转子串接了3段电阻，形成3条人为机械特性曲线。以切换转矩M2=1.2MZ为切换点，根据计算绘出机械特性，见图1。图中s为电机转差率，M2为电机转矩，M2电机额定转矩，ne电机额定转速，Mm电机最大转矩。
图1 原设计机械特性
从图中可以看出，RCS起升机构电机转子在切除第1段和第2段电阻时，其最大转矩值分别为2.05和2.76倍的额定转矩，已经很大了。在切除第3段时，其切换转矩值达到了电机的最大转矩值，即3.2倍的额定转矩，如此大的转矩带来的冲击是电机、接触器、起升机构故障率偏高的重要原因之一。从多年使用情况看，电机选型偏大，造成动态冲击过大，故障率偏高，需要进行技术改造。我们认为选用41KW电机完全能够满足工地实际使用的需要，基本参数见表2。
表2 YTSR180M1-4电机基本参数
電机额定转矩
电机最大转矩
电机的最大转矩将减少221Nm，大大减少了对电机和机械的冲击。在此基础上，如果再从调速特性上进行技术改造，冲击转矩就会减少更多，必然降低电气与机械设备的故障率。
3．调速特性
（1）原电机机械特性分析
从图1中可以看出驱动电机调速的动态过程，原电阻分为3段，且比值不合理，造成调速过程中的冲击。
①转子由串接3段电阻切换到串接2段电阻时，最大转矩M1=2.05Mz，转矩变化范围（M1-M2）是0.85倍的额定转矩Mz。
②由串接4 段电阻切换到串接1段电阻时，最大转矩M1=2.76Mz，转矩变化（M1-M2）范围是1.56倍的额定转矩Mz。
③当转子切除最后1段电阻时，最大转矩M1要达到电机的最大转矩值（3.2倍的额定转矩MZ）。
（2） 改进设计后机械特性分析
按照RCS起升机构的具体情况，电机转子所串电阻由分3段改为分4段进行切换，并将比值进行调整，情况就会大不一样。根据计算其转差率的相对比值为1:2，我们按M2=1.2MZ情况绘出其人为机械特性曲线，见图2。
图2 M2=1.2MZ时的机械特性
从图2可以看出当M2=1.2MZ时，转子在分别短接4段电阻时，转矩变化率（M1-M2）
只有：1.12MZ、1.20M、1.23MZ、1.03MZ， 而切换电阻时的最大转矩（即M1） 也只有2.43MZ。
通过以上分析，可以明显地看出：转子由串3段改为串4段进行切换，切换转矩M2越小则转矩动态变化范围就越小，最大转矩也会变小，起到了化整为零的作用。当切换转矩M2=1.2MZ时，切换的最大转矩M1也只有2.43MZ，这是完全能够满足起动和调速时平稳过渡的工作要求的。通过电机选型和调速方式的重新设计，系统的最大工作转矩由1091Nm, 降低到661Nm，冲击将明显减小。
4．调速方式
由继电器—接触器组成的电控系统，起升1、2、3挡时，PV电机起加速作用，GV 电机起减速作用。到4挡时，GV电机被切除，PV电动机转子依次延时封掉2段电阻，然后以PV电动机的额定转速运行。到5挡时，PV电机被切除，GV电动机在转子串2段电阻的情况下接入电路。然后GV电动机转子用同样方式依次延时封掉2段电阻，以GV 电动机的额定转速运行。4、5挡两个电机间的切换造成了不必要的冲击。
为克服调速中电机切换的冲击问题，我们采用可编程序控制器对原电控进行技术改造，有两种调速方式可供选择。一种是保留原加速方式（可不用5挡、效率低）；另一种是根据载荷不同选择电机直接驱动，避免电机的切换。当载荷系数0.5≤G≤1 时，仅由低速电机驱动；当载荷系数G≤0.5时，仅由高速电机驱动。避免了原来的电机切换，减少了不必要的冲击。
三 软件编程
以可编程序控制器作为逻辑控制的核心元件，能够用软件代替硬件，可靠性高、抗干扰能力强。我们将起升与下放、加速与减速各挡分为不同的状态，实现了电动与制动机械特性最科学合理的组合控制。因此控制系统性能好，故障率几乎为零。
可编程序控制器的软件是控制的核心。在软件编程中，我们充分考虑RCS起升机构工作的过程与使用要求、必备的安全条件及操作方法、顶升、换绳等特殊工况，先设计出工作状态流程图。把电机在不同状态下各个不同的机械特性按调速要求，用可编程序控制器的状态器进行组合。用梯形图方式设计程序，充分利用各种功能元件完成加速与减速的目的。梯形图直观，各种不同状态下的动作状况一目了然，前后关系非常清楚。采用SFC语言调整逻辑关系、修改程序内容、调整设计参数尤为方便。软件程序充分保证了与硬件修改电路的统一。
四 特性对比
选用不同的电气部件、电控系统和减速器组成新的RCS起升机构，性能参数、工作性能、生产成本、应用范围将有所不同。见表3。
表3 RCS起升机构特性对比
五 小结
一个机构发生故障可能有设计、生产、使用、维修等多方面原因。我们的技术改造在电机选型上使产生故障的冲击降低了20%。调速特性转子串电阻由3段改为4 段，使调速特性更加平稳。在调速方式上可以减少电机间的切换。尤其是在控制系统中用可编程序控制器代替了继电器，完全可以防止误操作。如此改进，RCS起升机构的动态过渡会有极大的改善。最大转矩的降低非常有效的减少了机械的冲击，减少齿轮打齿和电机断轴的故障率。使电机的工作冲击电流也大大下降，从而提高电机和接触器的使用寿命，可以广泛地应用于不同的塔式起重机。
注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看