Эгон Эвертц, Эрнст Гапски, Рудольф Штокмайер

Разработан и изготовлен магнит, позволяющий надежно осуществлять вертикальную и горизонтальную транспортировку рулонов жести весом до 50 т. Магнит оборудован подвижными полюсами, которые в состоянии адаптироваться к форме рулона. Для испытания грузоподъемности был разработан метод измерения магнитной силы, имеющий существенные преимущества по сравнению с методом измерения усилия отрыва. В ходе испытания была подтверждена требуемая грузоподъемность. Электромагнит обладает важными преимуществами по сравнению с другими грузоподъемными средствами. Большая поверхность захвата предотвращает повреждения рулона, увеличивается плотность размещения рулонов на складе. Электромагнит не подвержен износу и отличается высокой рентабельностью. С 1987 года магнит без неисправностей и ремонта находится в 3-х сменном режиме работы. 
 
Применение магнита на складе рулонов. Рулоны  тонкой жести весом до 50 т. хранятся на складе, как в лежащем (горизонтальная ось намотки), так и в стоящем положении (вертикальная ось намотки). Лежащие рулоны подаются в агрегат непрерывного отжига, стоящие рулоны  - в колпаковую печь отжига. Безопасность персонала имеет наиважнейшее значение. В этой связи нами был создан магнит, способный кантовать как лежащие, так и стоящие рулоны. Рис. 1. Диаметр рулонов от 1280 мм до 2780 мм, ширина – от 600 до 1700 мм. Рулоны обвязаны только по окружности. Тем не менее, при кантовке стоящих рулонов необходимо обеспечить сохранность внутренних витков. Грузоподъемность должна гарантироваться, в том числе и при смещении кромок в пределах до 20 мм, которое может иметь место на нескольких витках. Для лежащих рулонов необходимо учитывать тот факт, что поверхность полосы может быть гладкой в связи с остатками эмульсии. Но во время кантовки нельзя допустить  соскальзывания рулона на сторону. Температура полосы находится в пределах точки Кюри. Это значит, что кантуемый материал ферромагнитен, т.е. годен для транспортировки с помощью электромагнита. Теплоотдача рулона ведёт к дополнительному нагреву магнита. Этот факт учитывается при проектировании электрической части магнита. Должен допускаться несимметричный захват груза в пределах определенных границ. Сила инерции рассчитывается с учетом заданных параметров ускорения при подъеме, опускании, пуске и торможении. Грузоподъемность задается с учетом двойного запаса веса рулона, и должна быть подтверждена при испытании. Как правило, испытание грузоподъемности ведется методом отрыва. При этом груз закрепляется на полу. В момент, когда магнит краном тянется наверх, происходит замер сковывающего усилия. На больших грузах, таких как рулоны весом до 50 т. такой метод испытания требует очень больших затрат и кроме того, он опасен. Для испытания требуется соответствующий силомер, кроме того, кран должен обеспечить необходимое усилие, и к тому же в момент отрыва на  кране из-за большой скорости изменения усилий может возникнуть недопустимое ускорение. В этой связи был разработан новый метод испытаний магнитной силы, при проведении которого была подтверждена грузоподъемность крана. 

Рис. 1

Электромагнит собственной разработки. На рис. 1 показан подъемный магнит с висящим грузом, разработанный и изготовленный нашей фирмой. На рисунке видны 4 полюса, закрытый короб и подвесное устройство с крановым крюком. Полюса перемещаются вокруг осей, что позволяет им адаптироваться к расположенному горизонтально рулону. Два полюса являются магнитными и располагаются на одной оси. В коробе расположены колена - снизу выступающие из короба. На коленах располагаются полюса. Вокруг колен расположены электрические обмотки. Верхняя часть короба является траверсой магнита. Полюса, колена и траверса отлиты из динамной стали. Боковые и нижняя сторона короба изготовлены из немагнитной стали. Это позволяет магнитному потоку проходить целенаправленно через полюса, колена и траверсу.

Целью разработки является создание высокого магнитного потока в полюсах. Электрическая часть. Обмотки алюминиевые. Вес такой обмотки составляет всего 50% от медной обмотки. Но общая экономия веса при использовании алюминия составляет меньше 50% за счет увеличения габаритов стальных узлов. Термические параметры обмотки рассчитаны  на продолжительность включения меньше 100%. Это связано с наличием пауз и холостого хода. Система подача энергии располагается на кране. Система состоит из выпрямителя, питаемого с токоподводящих шин, и из аккумулятора, который может подключаться без  перерыва электроснабжения. Для импульсного возбудителя, номинального возбуждения и размагничивания  учтены ступени напряжения.  Для ускорения создания магнитной силы импульсное возбуждение работает на повышенном напряжении. Номинальное возбуждение используется при поднятии, транспортировке и опускании груза. Для размагничивания создается напряжение с обратным знаком.

Рис. 2

Силы. На рис. 2 изображен подвешенный к магниту рулон. В статическом положении на него действует сила веса G, подъемная сила М и сила контакта К. На рисунке изображены стоящий (горизонтальная ось намотки) и лежащий (вертикальная ось намотки) рулон. Сила магнита действует вертикально по отношению к поверхности захвата в зоне магнитного полюса. На стоящем рулоне магнитные силы имеют только одну вертикальную составляющую. На лежащем рулоне дополнительно возникают горизонтальные составляющие, сумма которых, однако, равна нулю.

Рис. 2.  Силы на стоящем (верхний) и лежащем (нижний) рулоне с магнитными полюсами N/S. M= магнитная сила, K= контактное нажатие, G= вес.

Силу контакта между магнитным полюсом и рулоном можно проследить на лежащем рулоне. Сумма силы контакта и коэффициента сцепления магнитного полюса и рулона составляет удерживающую силу электромагнита в направлении оси рулона.

Метод измерения подъемной силы. Подъемная сила направлена вертикально к поверхности груза. Величина подъемной силы на элементе поверхности груза указана в формуле 1. Эта сила увеличивается вместе с квадратом магнитного потока или магнитной индукции. Поэтому высокая электромагнитная индукция играет важную роль. Наивысшая используемая в электротехнике индукция равна 20000 гаусс. Более высокое значение практически недостижимо по причине магнитного насыщения железа. Самое высокое механическое напряжения, достигаемое с помощью подъемной силы магнита, равно ок. 1.6 Н/мм². Это значение наглядно может быть продемонстрировано следующим образом. Пруток из ферромагнитного железа определенной длины постоянного сечения удерживается на магните, при этом на общей поверхности сечения создается индукция в 20000 гаусс. Удержание будет обеспечиваться на прутке длиной всего в 20 м. При сравнении прутка с рулоном,  имеющим вертикальную ось намотки, длина прутка будет соответствовать ширине рулона. Ширина рулона составляет всего около 10% названной длины прутка; это значит, что магнитное удержание рулона возможно. Имеющийся запас будет использован при изготовлении магнита: рулон не полностью охватывается магнитными полюсами; индукция, как правило, составляет менее 20 000 гаусс, при этом необходимо выдержать коэффициент прочности. В основу методики измерения подъемной силы магнита заложено измерение магнитного потока, который позволяет с помощью приведенного формуле 1 уравнения определить подъемную силу магнита. Магнитный поток создается с помощью токопроводящей электрической обмотки. Магнитный поток приблизительно рассчитывается с помощью уравнения, приведённого в таблице 1. Показатель i используется для колена, ярма, полюса, воздушного зазора и рулона. Более высокий поток достигается в основном за счет высокой намагничивающей силы. Магнитное сопротивление воздуха намного выше, чем у стали, поэтому воздушные зазоры должны быть как можно меньше. Имея значение намагничивающей силы и, выбрав оптимальную поверхность сечения полюсов, получаем максимальную подъемную силу магнита. С одной стороны, при уменьшении  поверхности полюсов, увеличивается подъемная сила,  и одновременно с этим увеличивается и магнитное сопротивление, но с другой стороны, это ведет к уменьшению магнитного потока, т.е., к уменьшению подъемной силы магнита. При проектировании магнита необходимо рассчитать оптимальную поверхность полюсов. Измерение подъемной силы сводится к измерению магнитного потока, который измеряется по принципу индукции. На полюсах установлены измерительные шлейфы, в которых при включении и отключении магнита замеряется электрическое напряжение. Интегрируя напряжение во времени, получаем магнитный поток в измерительных шлейфах, а затем – подъемную силу магнита.

На рис. 3 изображена кривая замера подъемной силы магнита. Рулон с вертикальной осью намотки находится на полу. Обесточенный магнит позиционируется на рулоне. После подачи и отключения тока происходит замер тока и индукции напряжения на измерительных шлейфах. Запись тока ведется по оси Х (рис. 3а); измерительное напряжение – по оси Y. Максимальное значение Y означает магнитный поток, по которому с помощью уравнения (формула 1) рассчитывается подъемная сила магнита. Кривая на рис. 3а падает, т.к. магнит находится в зоне насыщения. Выпад кривой объясняется переключением с импульсного возбуждения на номинальное. Кривая XY представляет собой графическую характеристику намагничивания магнита с грузом, и дает важную информацию об остаточном намагничивании и гистерезисе. 

 

Bild 3

а) Рулон находится на полу, подача и отключение тока

b) сравнительный замер: подается ток, рулон приподнимается, после чего ток отключается

Рис. 3  Измерение подъемной силы магнита, запись кривой XY

Ось x: ток в обмотке

Ось y: магнитный поток, замеренный на измерительном шлейфе и интеграторе

Этот простой сравнительный замер доказывает правильность метода измерения, рис. 3 b. В качестве сравнительной силы использовался вес рулона. Испытание было идентичным испытанию на рис. 3а. Тем не менее, после того, как ток достиг своего предельного значения, рулон на несколько сантиметров приподнялся с пола, подача тока прекратилась, и рулон упал. Падение рулона показано на рис. 3 b. При отключении энергии ток отключается неравномерно: некоторое время он повышается, т.к. магнитный поток при падении резко уменьшается. При этом в обмотке магнита создается напряжение, которое сохраняет ток. На рис. 3 b на оси Y изображен магнитный поток в момент начала падения груза. С помощью этого значения рассчитываем подъемную силу магнита в момент начала падения. Она полностью совпадает с весом рулона. Это доказательство того, что новый метод измерения верен.
 
Контроль удара. Для надежной кантовки рулонов магнит должен быть соответствующим образом позиционирован на рулоне, чтобы нагрузка равномерно распределялась на все магнитные полюса, а центр тяжести рулона располагалась под крановым крюком. Позиционирование может контролироваться заводом с помощью описанного выше метода измерения подъемной силы магнита. Для этого на магнитных полюсах в пазах необходимо установить измерительные шлейфы. Сравнение показаний измерительного напряжения можно проводить  с помощью соответствующего включения измерительных шлейфов. Параметр сравнительного напряжения является критерием оценки правильности позиционирования. На магните для кантовки рулонов такой контроль не требуется, т.к. испытания  с эксцентричным позиционированием показали надежность кантовки.
 
Обзор. Преимущества крановой транспортировки электромагнитом блюмов, слябов, заготовок и рулонов по сравнению с транспортировкой клещами или крюками налицо: это большая поверхность захвата и предотвращение повреждения груза, увеличение плотности размещения на складе, отсутствие износа, более высокая рентабельность и надежность. Так как в большинстве случаев  электромагниты изготовляются по спецзаказу, то основным условием для широкого применения магнита является проведение испытание грузоподъемности при помощи измерения подъемной силы магнита, см. выше. Для автоматизации процесса кантования необходим контроль позиционирования магнита на грузе. Вариант решения этой задачи разработан, остаётся только применить его на практике.