岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的相關(guān)研究

張江朋

摘 要：隨著港口業(yè)務(wù)的發(fā)展，起重機(jī)設(shè)備得到了成熟的應(yīng)用。港口業(yè)務(wù)中岸邊集裝箱運(yùn)輸中經(jīng)常使用橋式起重機(jī)，橋式起重機(jī)專門(mén)負(fù)責(zé)岸邊集裝箱的貨物運(yùn)輸，保證集裝箱獲取能夠順利達(dá)到指定地點(diǎn)。橋式起重機(jī)的機(jī)械化、自動(dòng)化水平較高，從根本上滿足岸邊集裝箱的運(yùn)輸需求。橋式起重機(jī)在岸邊集裝箱運(yùn)輸工作中最為重要的是防遙控制，由此本文主要圍繞橋式起重機(jī)進(jìn)行研究，探討防遙控制系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：岸邊；集裝箱；橋式起重機(jī)；防遙控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）10-0056-02

Abstract： With the development of port business， crane equipment has been mature application. In port business， bridge crane is often used in container transportation， and bridge crane is specially responsible for cargo transportation of quayside container， so as to ensure that container can get to the designated place smoothly. The level of mechanization and automation of bridge crane is relatively high， which basically meets the transportation demand of quayside container. The most important task of bridge crane in container transportation work is remote control. Therefore， this paper mainly focuses on bridge crane， and discusses the relevant contents of remote control system.

Keywords： shore； container； bridge crane； remote control system

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防遙控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展后實(shí)現(xiàn)了多樣化的防遙控制系統(tǒng)，橋式起重機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了防遙控制系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，很容易在起重機(jī)工作過(guò)程中出現(xiàn)遙控的問(wèn)題。橋式起重機(jī)防遙控制系統(tǒng)的直接目的就是預(yù)防集裝箱在吊起、運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)搖擺，維護(hù)集裝箱運(yùn)輸過(guò)程的穩(wěn)定性與安全性。起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)消除了機(jī)械晃動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)階段起重機(jī)中比較注重智能化防搖系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能化的防遙控制，優(yōu)化岸邊集裝箱運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境。

1 岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的運(yùn)行工況

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的基本原理是：結(jié)合小車相對(duì)吊具/負(fù)荷的位置，適度的修正好起重機(jī)小車的速度指令，做到電子式、智能化的防搖控制。橋式起重機(jī)內(nèi)安裝了驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器，內(nèi)部存儲(chǔ)容量非常大，其可提高起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的運(yùn)算速度，同時(shí)利用智能軟件與數(shù)學(xué)模型，從驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器里完成小車驅(qū)動(dòng)工作，防搖控制系統(tǒng)要具備較高的影響特征，減少傳導(dǎo)延時(shí)的時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)高效的防遙控制[1]。本文按照岸邊集裝箱橋式起重機(jī)的工作狀態(tài)，利用條件模擬的方式分析防搖控制系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

1.1 假設(shè)條件

起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)運(yùn)行工程在岸邊集裝箱運(yùn)輸中的假設(shè)條件是：（1）防搖控制系統(tǒng)中參考自由懸掛的單擺設(shè)計(jì)吊重；（2）假設(shè)條件中可以忽略起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的掉引設(shè)備；（3）排除岸邊集裝箱吊重中較小的縱向振幅，縱向振幅參考橫向振幅；（4）集裝箱吊重的橫向振動(dòng)數(shù)值需要在小偏擺角的作用下研究，角度代表掉引零件中鉛垂線的擺角數(shù)值；（5）力學(xué)模型中可以直接忽略大車的運(yùn)輸軌跡，大車在集裝箱起重運(yùn)輸時(shí)為靜止?fàn)顟B(tài)，暫不考慮大車對(duì)防遙控制系統(tǒng)的影響，有利于提高防搖控制系統(tǒng)研究的準(zhǔn)確性；（6）橋式起重機(jī)小車行走期間，起升的鋼絲繩長(zhǎng)度不可變動(dòng)，應(yīng)保持長(zhǎng)度一致；（7）計(jì)算橋式起重機(jī)運(yùn)輸集裝箱中的空氣阻尼與風(fēng)力，不需計(jì)算防搖控制系統(tǒng)的彈性變形數(shù)值；（8）吊重模型中只研究平面運(yùn)動(dòng)軌跡，保持水平的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 計(jì)算方法

橋式起重機(jī)防遙控制系統(tǒng)的計(jì)算方法中，重點(diǎn)從電機(jī)驅(qū)動(dòng)力、摩擦力以及剩余驅(qū)動(dòng)力三個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)[2]。模型中假設(shè)橋式起重機(jī)的小車與驅(qū)動(dòng)電機(jī)質(zhì)量都是m1，港口運(yùn)輸集裝箱的質(zhì)量是m2，起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比是i，行走車輪的半徑是r，起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)效率是η，過(guò)程中的摩擦力是f，起重機(jī)運(yùn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是T，具體的計(jì)算方式是：

機(jī)構(gòu)效率η=0.90～0.95，

摩擦力f=0.02（m1+m2）g，

電機(jī)驅(qū)動(dòng)力F=η，

剩余驅(qū)動(dòng)力的大小F0=F-f，

制動(dòng)力大小F0=F+f。

1.3 工況分析

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)在假設(shè)條件下分析運(yùn)行工況。首先假設(shè)起重機(jī)小車受剩余驅(qū)動(dòng)力作用，作用力為F0，初始速度記為v0=0，初始位移s=0，在初始速度和初始位移的作用下開(kāi)始運(yùn)行，按照最大加速度amax逐漸加速，假設(shè)模型中需明確好小車以及吊裝懸掛的集裝箱此時(shí)的受力狀態(tài)[3]。起重機(jī)的小車沿著導(dǎo)軌開(kāi)始加速時(shí)，進(jìn)入加速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)集裝箱貨物在垂直平面內(nèi)呈現(xiàn)出單擺運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，小車的運(yùn)行速度為1/2最大速度時(shí)，小車需要維持勻速行駛的狀態(tài)，控制好小車的運(yùn)動(dòng)路徑、初始偏擺角以及偏擺角速度，小車的運(yùn)行速度是勻速狀態(tài)下時(shí)，為了提高防搖控制的水平，此時(shí)小車會(huì)沿著導(dǎo)軌呈現(xiàn)出均速直線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，集裝箱獲取垂直平面為具備初始角度和初始速度，完成單擺運(yùn)動(dòng)，在偏擺角的正最大位移、負(fù)最大位移位置處記錄好運(yùn)行曲線，吊裝集裝箱貨物的單擺運(yùn)行到正最大位移位置后就開(kāi)始進(jìn)入回?cái)[狀態(tài)，小車按照最大加速度的數(shù)值進(jìn)入加速狀態(tài)，設(shè)計(jì)好小車運(yùn)行過(guò)程中的受力，便于預(yù)防起重機(jī)搖晃。

2 岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防遙控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)中采用的是電子防搖系統(tǒng)，根據(jù)岸邊集裝箱裝卸過(guò)程分析起重機(jī)小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的擺動(dòng)搖晃問(wèn)題，避免出現(xiàn)整機(jī)搖晃的情況，同時(shí)提高吊裝運(yùn)輸定位的準(zhǔn)確性，積極提高裝卸的效率。一般情況下橋式起重機(jī)的司機(jī)在岸邊集裝箱操作的過(guò)程中經(jīng)常頻繁跟蹤小車，以此來(lái)緩解吊裝運(yùn)輸過(guò)程中的搖擺問(wèn)題，這種方法很容易延長(zhǎng)起重機(jī)的運(yùn)輸時(shí)間，降低了起重機(jī)的機(jī)械效率，現(xiàn)階段很多岸邊集裝箱橋式起重機(jī)在防搖控制系統(tǒng)中采用了智能電子防搖系統(tǒng)，減輕橋式起重機(jī)的遙控問(wèn)題。

2.1 運(yùn)行軌跡

岸邊集裝箱連接橋式起重機(jī)的吊具之后處于上升的狀態(tài)，運(yùn)輸?shù)叫读衔恢玫恼戏?，待卸下集裝箱之后吊具再重新回到岸邊，重復(fù)運(yùn)輸岸邊集裝箱。橋式起重機(jī)吊具從岸邊集裝箱到指定卸貨位置完成了一次正行程、一次負(fù)行程。首先設(shè)計(jì)好橋式起重機(jī)的吊具位置，在進(jìn)入運(yùn)輸狀態(tài)之前吊具需要移動(dòng)到岸邊集裝箱的正上方，吊具控制到危險(xiǎn)線上方，具體的停止位置需由現(xiàn)場(chǎng)的操作司機(jī)確定[4]。吊具提升集裝箱時(shí)不能碰撞裝載集裝箱的船體，必須在整個(gè)運(yùn)行軌跡中發(fā)揮智能電子防搖控制系統(tǒng)的作用，在裝卸的過(guò)程中岸邊船體也會(huì)出現(xiàn)左右搖擺、上下浮動(dòng)的問(wèn)題，增加了防搖控制系統(tǒng)的運(yùn)行難度，吊裝集裝箱從船體向上移動(dòng)的過(guò)程中一直到提升到危險(xiǎn)線內(nèi)都不能有遙控碰壁的情況。

然后從起重機(jī)吊裝運(yùn)行周期中分析智能電子防搖控制的表現(xiàn)。起重機(jī)吊具抓住船艙中的集裝箱后向上并橫向移動(dòng)到岸邊一側(cè)，此時(shí)小車并未達(dá)到最大速度，懸繩需到達(dá)上升階段的停止點(diǎn)，橫行過(guò)程中小車開(kāi)始減速，最好以勻速的方式運(yùn)行，因?yàn)榘哆吋b箱的位置不同，所以吊具抓取的點(diǎn)位也不同，司機(jī)提前從控制界面上設(shè)計(jì)好，此時(shí)智能電子防搖控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入模糊減遙狀態(tài)，集裝箱裝載搖擺的角度需處于可控制的狀態(tài)以內(nèi)，此時(shí)吊具正好位于卸料處的上方中心處，獲取穩(wěn)定、自動(dòng)的下降到停止位置，卸貨時(shí)智能電子防搖控制系統(tǒng)要求下降過(guò)程中集裝箱不能碰撞到最上層的集裝箱，司機(jī)可以改用手動(dòng)操作提高吊具的穩(wěn)定性。

最后在起重機(jī)智能電子防搖控制系統(tǒng)中配合安裝起升、橫行的同步信號(hào)發(fā)生器，輔助檢測(cè)智能電子防搖控制系統(tǒng)在起重機(jī)中的運(yùn)行狀態(tài)，同步起升與橫行的信號(hào)，避免發(fā)生過(guò)度搖晃，促使小車橫向移動(dòng)時(shí)能夠與吊具保持一致的動(dòng)作狀態(tài)。

2.2 智能電子防搖控制

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)智能電子防搖控制系統(tǒng)中的主要構(gòu)成是：CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、工控機(jī)、PLC、變頻器、小車電機(jī)，智能電子防搖控制解決了起重機(jī)小范圍的擺動(dòng)，杜絕發(fā)生偏擺情況[5]。PLC在智能電子防搖控制系統(tǒng)中提供了模糊計(jì)算以及過(guò)程推理的條件，向起重機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)提供相對(duì)的控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)整變頻器的參數(shù)指令把控小車運(yùn)行的速度、加速度，進(jìn)而準(zhǔn)確控制吊裝過(guò)程中的偏擺角，促使集裝箱穩(wěn)定、安全的到達(dá)指定位置。簡(jiǎn)單分析智能電子防搖控制設(shè)計(jì)在橋式起重機(jī)中的功能，如：（1）CCD攝像機(jī)：拍攝小車鋼絲繩在運(yùn)輸過(guò)程中的偏擺狀態(tài)，利用視頻信號(hào)線把采集的圖像傳輸?shù)綀D像采集卡；（2）圖像采集卡：轉(zhuǎn)化CCD攝像機(jī)的圖像，形成整幅的數(shù)字圖像；（3）工控機(jī)：用于采集圖像信息，設(shè)計(jì)好鋼絲繩擺角、偏擺角速度并把數(shù)值傳送到PLC結(jié)構(gòu)中；（4）PLC：接收防搖控制系統(tǒng)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模糊推理后給出準(zhǔn)確的控制信號(hào)，從變頻器中輸出；（5）小車電機(jī)：控制小車運(yùn)行過(guò)程中的速度、加速度，控制集裝箱運(yùn)輸時(shí)的偏擺角。

3 岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還要配置好軟件，包括控制軟件、模糊控制軟件以及數(shù)據(jù)采集軟件[6]?？刂栖浖萌l率控制的方法，實(shí)現(xiàn)一般控制模塊內(nèi)容的有效控制，如吊起高度、加速度。模糊控制軟件用于推理控制，可以用在減速、偏擺角度等方面，配合PLC使用。數(shù)據(jù)采集軟件，根據(jù)鋼絲繩的實(shí)際擺動(dòng)角度設(shè)計(jì)好吊具運(yùn)行的速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)防遙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是必須的工作，防遙控制系統(tǒng)直接關(guān)系到橋式起重機(jī)在岸邊集裝箱中的工作狀態(tài)。橋式起重機(jī)防搖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)朝向智能化的方向發(fā)展，把智能技術(shù)融入到防遙控制系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)用中，提高岸邊集裝箱運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定水平，最主要的是確保起重機(jī)防遙控制系統(tǒng)能夠符合岸邊集裝箱的運(yùn)輸要求，為其提供簡(jiǎn)單、方便的操作，加強(qiáng)橋式起重機(jī)在岸邊集裝箱運(yùn)輸中防搖控制的力度。

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