船用起重機(jī)減搖裝置設(shè)計(jì)

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(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

船用起重機(jī)減搖裝置設(shè)計(jì)

韓廣冬，張桐，陳海泉，張金男，孫玉清，王生海

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

針對船用起重機(jī)的吊重?fù)u擺抑制問題，設(shè)計(jì)一種船用起重機(jī)吊盤減搖裝置，利用2根恒張力減搖索和主吊索在吊盤處形成相對穩(wěn)定的力的三角形，同時(shí)吊盤將減小吊繩及吊重的擺幅。建立吊重在有無吊盤下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，在Matlab/Simulink軟件中對模型進(jìn)行仿真分析，對比分析在船舶不同的橫、縱搖運(yùn)動(dòng)角度下有無減搖裝置時(shí)吊重的搖擺，結(jié)果表明，有吊盤的情況下，吊重的擺角可減小70%左右，通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，得到有吊盤時(shí)，吊重的擺角可減小60.7%左右，驗(yàn)證了減搖裝置的有效性。

船用起重機(jī)；減搖裝置；運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；Matlab/Simulink軟件

船用起重機(jī)在海上作業(yè)過程中由于受到風(fēng)、浪、流等外部環(huán)境和自身操縱的影響，起重機(jī)吊重會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，從而影響船用起重機(jī)工作的高效性和安全性。因此，對船用起重機(jī)吊重系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模并進(jìn)行吊重的擺動(dòng)控制，這對船用起重機(jī)作業(yè)的安全高效具有非常重要的意義[1]。在起重機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究中，將船體對吊重的直接作用直接簡化為吊臂頭上吊繩吊點(diǎn)處的簡諧激勵(lì)，這種模型實(shí)際上是將吊重作為一個(gè)空間擺[2-4]，研究表明即使是吊點(diǎn)的平面運(yùn)動(dòng)，在一定條件下也會(huì)使吊重產(chǎn)生空間搖擺，甚至產(chǎn)生混沌運(yùn)動(dòng)[5-6]。還有將船舶運(yùn)動(dòng)和吊重的擺動(dòng)進(jìn)行耦合分析，建立多體動(dòng)力學(xué)模型[7-9]。在起重機(jī)吊重的減搖控制方面，現(xiàn)有的減搖方法在理論上具有一定的效果[10-14]，但是機(jī)構(gòu)和控制都非常復(fù)雜，并沒有實(shí)際實(shí)驗(yàn)，存在很大的局限性。

為了解決現(xiàn)有船用起重機(jī)作業(yè)時(shí)吊重的擺動(dòng)問題，同時(shí)克服現(xiàn)有減搖裝置存在的不足，提出一種吊盤式機(jī)械減搖裝置。

1 吊盤裝置的原理與結(jié)構(gòu)

設(shè)置船用起重機(jī)吊盤式減搖裝置，通過吊盤阻礙吊物的單擺運(yùn)動(dòng)，等同于減小吊物單擺擺長，同時(shí)利用2根恒張力減搖索和主吊索在吊盤處形成相對穩(wěn)定的力的三角形，從而減小擺動(dòng)幅度。吊盤減搖裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 吊盤減搖裝置模型結(jié)構(gòu)

2 起重機(jī)吊重的動(dòng)力學(xué)模型

實(shí)際上，起重機(jī)本身就存在剛體與彈性體相互耦合作用。另外，起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)還受到船體與風(fēng)、浪、流等載荷的相互耦合作用，具有很強(qiáng)的非線性特征。考慮通過2減搖繩DE、DF和主吊索DB形成一個(gè)相對穩(wěn)定的力的三角形(見圖2所示)，起到對吊重的減搖效果。

將船體視為一個(gè)激勵(lì)平臺(tái)，進(jìn)行橫搖和縱搖。做如下假設(shè)：吊重視為質(zhì)點(diǎn)，吊繩質(zhì)量與吊重相比可忽略不計(jì)；吊繩無彈性形變；船用起重機(jī)的吊臂視為剛體，忽略彈性形變；船體在規(guī)則波上運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)以上假設(shè)和吊盤裝置的原理，得到所研究起重機(jī)吊盤式減搖系統(tǒng)的模型，如圖2所示。

圖2 船用起重機(jī)吊盤式減搖系統(tǒng)模型

對圖2中各參考系坐標(biāo)系的定義如下：(O0-X0Y0Z0)為大地慣性坐標(biāo)系，(O1-X1Y1Z1)為定位在船體上的船體坐標(biāo)系，初始(O1-X1Y1Z1)坐標(biāo)系和大地慣性坐標(biāo)系(O0-X0Y0Z0)重合，船舶6自由度坐標(biāo)曲線受到波浪激勵(lì)運(yùn)動(dòng)，(O2-X2Y2Z2)為定位在底座上的坐標(biāo)系原點(diǎn)O2為起重機(jī)基座與船體的交點(diǎn)，轉(zhuǎn)盤繞Z2軸回轉(zhuǎn)，其中p點(diǎn)位于底座坐標(biāo)系(O2-X2Y2Z2)中并與O2點(diǎn)重合,γ為加入吊盤后主吊繩與Z軸所成的初始角度。

船用起重機(jī)吊臂吊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)主要由回轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)、吊臂的變幅以及船體的運(yùn)動(dòng)來決定。通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將起重機(jī)底座上的坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)系(O0-X0Y0Z0)中進(jìn)行表示。

令mPn為坐標(biāo)系(On-XnYnZn)的原點(diǎn)On在坐標(biāo)系(Om-XmYmZm)中的位置向量，則

0P1=[0 0 0]T

(1)

1P2=[x2sy2sz2s+h2]T

(2)

根據(jù)機(jī)器人學(xué)的相關(guān)理論可得到坐標(biāo)系(On+1-Xn+1Yn+1Zn+1)相對于坐標(biāo)系(On-XnYnZn)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

(3)

式中，θn+1x，θn+1y分別為坐標(biāo)系(On+1-Xn+1Yn+1Zn+1)相對于坐標(biāo)系(On-XnYnZn)在x，y軸方向旋轉(zhuǎn)的角度。

起重機(jī)在船體坐標(biāo)系中的位置1P2為

1P2=[0 3.5 1.5]T

(4)

起重機(jī)坐標(biāo)系(O2-X2Y2Z2)的原點(diǎn)O2在慣性坐標(biāo)系(O0-X0Y0Z0)的位置為：

(5)

利用0P2的坐標(biāo)來表示起重機(jī)B點(diǎn)、E點(diǎn)和F點(diǎn)的坐標(biāo)。

根據(jù)笛卡爾矢量形式對吊盤和吊重進(jìn)行受力分析。

1)對吊盤進(jìn)行靜力學(xué)分析。

(6)

2)吊重運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(有吊盤)。

(7)

3)吊重運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(無吊盤)。

(8)

式中：F1為2根恒張力牽引繩上的力；F2為起重機(jī)主吊索上的力。

3 吊重系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證起重機(jī)吊盤減搖裝置的可行性，根據(jù)上面建立的吊重系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(6)～(8)，在吊重質(zhì)量為50 kg，起重機(jī)底座高度位0.2 m，吊臂(lab)長度為1.5 m，變幅角度α為45°，lbd長度為1.5 m，ldh長度為0.3 m，lce=lif=0.5 m，β=30°的情況下，船舶搖擺角度分別為橫搖13°-縱搖6°、橫搖15°-縱搖8°，利用Simulink對有無吊盤時(shí)重物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，見圖3。

圖3 吊重面內(nèi)擺幅變化

由圖3可見，在船舶橫搖13°-縱搖6°的情況下，沒有減搖裝置時(shí)，吊重最大面內(nèi)擺幅0.36 m；安裝減搖裝置后，吊重最大面內(nèi)擺幅為0.05 m，減搖幅度為86.1%。在船舶橫搖15°-縱搖8°的情況下，沒有減搖裝置時(shí)，吊重的最大面內(nèi)擺幅為0.37 m，安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面內(nèi)擺幅為0.06 m，減搖幅度為83.8%。

圖4 吊重面外擺幅變化

從圖4可見，在船舶橫搖13°-縱搖6°的情況下，沒有減搖裝置時(shí)，面外最大擺幅0.126 m；安裝吊盤減搖裝置后，吊重最大面外擺幅0.05 m，減搖幅度為60.32%。在船舶橫搖15°-縱搖8°的情況下，沒有減搖裝置時(shí)，面外最大擺幅0.143 m；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面外擺幅為0.051 m，減搖幅度為64.34%。

4 試臺(tái)搭建及試驗(yàn)

仿真結(jié)果表明，吊盤減搖裝置可行。為了驗(yàn)證吊盤式減搖裝置的有效性，利用2自由度搖擺平臺(tái)和起重機(jī)縮比樣機(jī)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。其中2自由度搖擺平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)船舶的橫搖和縱搖，同時(shí)搖擺角度可調(diào)，試驗(yàn)縮比樣機(jī)按照某航標(biāo)船起重機(jī)進(jìn)行縮放得到。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)

在與仿真條件相近的情況下，搖擺平臺(tái)的搖擺角度分別為橫搖11°-縱搖5°、橫搖13°-縱搖6°、橫搖15°-縱搖8°，試驗(yàn)結(jié)果見圖6、7。

圖6 吊重面內(nèi)擺幅試驗(yàn)結(jié)果

圖7 吊重面外擺幅試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可見，在搖擺平臺(tái)橫搖13°-縱搖6°的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，沒有減搖裝置時(shí)，吊重的最大面內(nèi)擺幅為14.3°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面內(nèi)擺幅為5.2°，減搖幅度為63.64%。在搖擺平臺(tái)橫搖15°-縱搖8°的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，沒有減搖裝置時(shí)，吊重的最大面內(nèi)擺幅為18.2°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面內(nèi)擺幅為8.3°，減搖幅度為54.4%。

由圖7可見，在搖擺平臺(tái)橫搖13°-縱搖6°的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，沒有減搖裝置時(shí)，面外最大擺幅為9.8°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面外擺幅為4.13°，減搖幅度為57.86%。在搖擺平臺(tái)橫搖15°-縱搖8°的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，沒有減搖裝置時(shí)，面外最大擺幅為16.3°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面外擺幅為8.2°，減搖幅度為49.7%。

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的船用起重機(jī)吊盤式減搖裝置，在抑制吊重?fù)u擺方面效果明顯，有利于提升起重機(jī)的作業(yè)能力和操作的安全性。但是在吊盤處形成的力的三角形是不穩(wěn)定的，這樣對減搖裝置的效果有一定的影響，在模型設(shè)計(jì)方面還應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

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Anti-swing Device Design of Ship-mounted Crane

HANGuang-dong,ZHANGTong,CHENHai-quan,ZHANGJin-nan,SUNYu-qing,WANGSheng-hai

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To suppress the swing of the payload, a kind of sling tray anti-swing device was designed, which can reduce the swing of payload by reducing the length of the lifting rope by using two constant force cables with the main cable to establish a relatively stable triangle by the sling tray. The kinematic equations of the payload were established under the condition of whether sling tray was provided, and the dynamic was carried out in Matlab/Simulink environment. The swing of the payload under different rolling and pitching angles was analyzed. The results showed that the swing reduced about 70% payload in the case of the hanging plate. It was well agreed with the experimental result, verifying the effectiveness of the anti-swing device.

ship-mounted crane; Anti-swing device; kinematics model; Matlab/Simulink software

U664.4

A

1671-7953(2017)06-0038-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.008

2017-01-19

2017-03-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(3132014332,3132015025)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015020132)

韓廣冬(1991—)，男，碩士生

研究方向：船用起重機(jī)減搖和波浪補(bǔ)償