單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)與四連桿門(mén)座起重機(jī)的比較與應(yīng)用

宋 典 梁朝寬

1 單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)的產(chǎn)生背景及技術(shù)要點(diǎn)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，全球化、地球村等概念的提出，世界交流也日益頻繁，各種貨物的流動(dòng)也越來(lái)越多，港口的貨物裝卸也越來(lái)越繁忙，各種卸貨要求的不同對(duì)應(yīng)卸貨機(jī)械的選用也不同，常規(guī)四連桿門(mén)座起重機(jī)作為一種傳統(tǒng)型港口裝卸門(mén)座起重機(jī)以其通用性強(qiáng)、靈活性好、工作范圍大、可配上吊鉤、抓斗、集裝箱吊具等來(lái)裝卸各類(lèi)件雜貨及散貨的特點(diǎn)在各港口依然有著很大的需求，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)港口裝卸效率要求變得越來(lái)越高，為了降低能耗與成本，在保證安全使用的前提下，盡量減輕機(jī)械重量和降低機(jī)械耗電量成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。在這種要求下，一種新的機(jī)型在近一二十年被越來(lái)越多地應(yīng)用在港口貨物的裝卸中來(lái)，這就是單臂齒條門(mén)座起重機(jī)。

單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)具有重量輕，能耗少，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且同樣可配上吊鉤、抓斗、集裝箱吊具等裝卸各類(lèi)件雜貨及散貨進(jìn)行作業(yè)，適用于各種散貨、件貨與雜貨的裝卸工作，在工作范圍內(nèi)作業(yè)時(shí)，起升、變幅、回轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)可以單獨(dú)或聯(lián)合動(dòng)作。通過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用，單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)在港口的作業(yè)中取得了良好的運(yùn)行效果，由于該機(jī)型性能優(yōu)越、造價(jià)合理、能同時(shí)適應(yīng)海港及內(nèi)河碼頭的裝卸作業(yè)的系列產(chǎn)品，從而逐步取代常規(guī)四連桿門(mén)座起重機(jī)，成為港口裝卸作業(yè)中一種常用的機(jī)型而被越來(lái)越多的用戶所認(rèn)可及采用。兩種門(mén)座起重機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，用戶在選擇上應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。

2 單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)與常規(guī)四連桿門(mén)座起重機(jī)的相同與不同點(diǎn)比較

常見(jiàn)的單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)和四連桿門(mén)座起重機(jī)一般以吊重50 噸以下為主，單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)與常規(guī)四連桿門(mén)座起重機(jī)相比較有以下相同及不同點(diǎn)。

2.1 相同之處

兩種門(mén)座起重機(jī)下部結(jié)構(gòu)均采用由圓筒體和箱形橫梁及端梁組成的門(mén)框結(jié)構(gòu)，圓筒體上方連接的回轉(zhuǎn)支承采用三排圓柱滾子軸承，軸承上部轉(zhuǎn)盤(pán)承載上轉(zhuǎn)柱、機(jī)器電氣房、起升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和司機(jī)室，臂架布置在轉(zhuǎn)盤(pán)前部，變幅機(jī)構(gòu)布置在上轉(zhuǎn)柱中部平臺(tái)上，上轉(zhuǎn)柱頂部布置有起升滑輪組以及平衡梁系統(tǒng)。變幅均采用齒輪齒條形式，變幅機(jī)構(gòu)布置在上轉(zhuǎn)柱或者人字架中部的變幅平臺(tái)上，齒條頭部通過(guò)鉸點(diǎn)連接在臂架中部。如圖1 所示。

2.2 不同之處

2.2.1 臂架結(jié)構(gòu)

四連桿門(mén)座起重機(jī)的臂架系統(tǒng)大多采用箱形板梁結(jié)構(gòu)，由主臂架、象鼻梁、大拉桿通過(guò)鉸軸連接，與上轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)盤(pán)等支承構(gòu)件組成一個(gè)四連桿平面機(jī)構(gòu)的組合臂架系統(tǒng)，通過(guò)變幅驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)不同幅度范圍內(nèi)的作業(yè)要求，鋼絲繩在上轉(zhuǎn)柱頂部沿大拉桿和象鼻梁通過(guò)滑輪連接吊鉤抓斗或吊具。

圖1 門(mén)座起重機(jī)各主要部件組成

單臂架齒條門(mén)座起重機(jī)沒(méi)有象鼻梁和大拉桿，只有一根主臂架，多采用高強(qiáng)度管材制成的三角形截面或矩形截面的大桿桁架結(jié)構(gòu)。鋼絲繩通過(guò)上轉(zhuǎn)柱頂部滑輪與臂架頭滑輪之間來(lái)回纏繞數(shù)次并接入吊鉤抓斗或吊具。

這兩種臂架結(jié)構(gòu)相比較：由于臂架系統(tǒng)較四連桿門(mén)座起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，臂架系統(tǒng)重量較四連桿門(mén)座起重機(jī)臂架系統(tǒng)要輕便許多，配重重量相應(yīng)減小，整機(jī)重量較四連桿門(mén)座起重機(jī)大大減小。但是單臂架門(mén)座起重機(jī)采用桁架式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致抗臂架的疲勞能力沒(méi)有箱型結(jié)構(gòu)的四連桿門(mén)座起重機(jī)強(qiáng)，焊接及工藝難度較高，在質(zhì)量控制方面要求更高。

2.2.2 補(bǔ)償?shù)姆绞?/p>

滑輪組補(bǔ)償工作原理為：在變幅過(guò)程中，利用起升鋼絲繩的總長(zhǎng)度不變，在貨物變幅過(guò)程中引起的升降現(xiàn)象依靠起升繩的繞繩系統(tǒng)及時(shí)收放一定長(zhǎng)度的起升鋼絲繩的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使貨物在變幅過(guò)程中沿著接近水平線的軌跡移動(dòng)。

圖2（a）為補(bǔ)償滑輪組使貨物水平變幅的工作原理圖：當(dāng)臂架從位置Ⅰ擺動(dòng)到位置Ⅱ時(shí)，臂架頭部滑輪組落差為H，臂架端點(diǎn)至補(bǔ)償滑輪組的距離分別為l1和l2，假設(shè)起升滑輪組倍率為a1補(bǔ)償滑輪組倍率為ak，則通過(guò)三角函計(jì)算調(diào)整各個(gè)點(diǎn)位來(lái)實(shí)現(xiàn)。水平變幅因滿足的條式。

圖2

滑輪組補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，臂架的受力情況比較有利，臂架只承受軸向力。缺點(diǎn)是起升繩長(zhǎng)度較大，易磨損，小幅度時(shí)由于貨物距離臂架頭部滑輪增大，會(huì)導(dǎo)致擺動(dòng)幅度較大。另外，在起重量較大的情況時(shí)補(bǔ)償滑輪組倍率相應(yīng)增大，增加了纏繞次數(shù)，會(huì)降低鋼絲繩的使用壽命。

四連桿組合臂架補(bǔ)償法是依靠組合臂架象鼻梁端點(diǎn)在變幅過(guò)程中沿接近水平線的軌距運(yùn)動(dòng)的幾何特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

一般采用解析法得出合適的組合，原理如圖2（b）所示，簡(jiǎn)介如下。

象鼻梁頭部端點(diǎn)的軌跡方程：

對(duì)方程組進(jìn)行整理后，得

再利用計(jì)算機(jī)輔助編程等方法逐個(gè)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定合適的數(shù)值。

四連桿補(bǔ)償方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：貨物的懸掛長(zhǎng)度減小，貨物的擺動(dòng)現(xiàn)象減輕，起升繩的磨損及長(zhǎng)度減小，其缺點(diǎn)是臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且自重較大。

2.2.3 變幅速度

我們知道，這兩種形式的門(mén)座起重機(jī)在變幅過(guò)程中，貨物的水平線速度并非是恒定不變的，通常我們講的變幅速度是用（變幅行程/變幅時(shí)間）求得的平均變幅速度來(lái)度量的，但是在變幅過(guò)程中，貨物的水平線速度如果變化過(guò)大、過(guò)急，對(duì)裝卸和安裝工作都非常不利，對(duì)比這兩種形式的門(mén)座起重機(jī)。

（1）單臂架門(mén)座起重機(jī)

利用圖3（a）所示的各變量之間的三角函數(shù)關(guān)系，可求出臂架頭部在水平方線的變幅速度的計(jì)算關(guān)系式如下。

（2）四連桿門(mén)座起重機(jī)

采用圖解法確定象鼻梁頭部變幅速度（象鼻梁頭部速度在水平方向的投影，見(jiàn)圖3（b）），按下式計(jì)算。

圖3

我們利用上述方法分別對(duì)一臺(tái)單臂架及四連桿門(mén)座起重機(jī)的變幅速度進(jìn)行計(jì)算。這兩臺(tái)機(jī)工幅度相同均為12m-35m變幅速度25m/min。選擇幾個(gè)幅度計(jì)算得出計(jì)算結(jié)果，如表1 所示。為了更直觀比較，我們利用Excel 作出兩臺(tái)門(mén)座起重機(jī)變幅速度變化曲線對(duì)比圖，如圖4 所示。

表1 各幅度變幅速度

由圖4 中單臂架與四連桿門(mén)座起重機(jī)變幅速度對(duì)比可知，在變幅行程相同的情況下，四連桿門(mén)座起重機(jī)的變幅速度變化在小幅度時(shí)要明顯大于單臂架門(mén)座起重機(jī)，幅度越大變化越平緩。而單臂架門(mén)座起重機(jī)變幅速度的變化在整個(gè)變幅過(guò)程中都相對(duì)比較平緩。

圖4 速度變化曲線對(duì)比圖

3 單臂架門(mén)座起重機(jī)與四連桿門(mén)座起重機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)與實(shí)際應(yīng)用意義

通過(guò)上文對(duì)單臂架及四連桿門(mén)座起重機(jī)的比較與分析，我們可以得出以下結(jié)論：由于單臂架齒條變幅門(mén)座起重機(jī)采用單根臂架，通過(guò)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)滑輪組補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)達(dá)到變幅中吊鉤走水平的要求，具有安裝簡(jiǎn)單，自重輕，變幅速度變化較小等優(yōu)點(diǎn)，但是小幅度時(shí)物品擺動(dòng)幅度較大，臂架下部空間較小，另外由于采用滑輪組補(bǔ)償方式，增加了纏繞次數(shù)，會(huì)降低鋼絲繩的使用壽命。

而四連桿門(mén)座起重機(jī)采用組合四連桿結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到變幅中吊鉤走水平的要求，具有制造簡(jiǎn)單，臂架下部空間較大，臂架抗疲勞能力較強(qiáng)，貨物擺動(dòng)現(xiàn)象減輕，起升滑輪組對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)沒(méi)有影響等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是臂架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，小幅度時(shí)變幅速度變化較大，自重大，不太適用于較大起重量的門(mén)座起重機(jī)。

對(duì)于生產(chǎn)率要求較高，各個(gè)機(jī)構(gòu)需求的工作速度較大，起重量不大，碼頭裝卸以散料居多的港口，那么可能會(huì)更適合使用四連桿門(mén)座起重機(jī)。

而對(duì)于各個(gè)機(jī)構(gòu)速度要求不高而更注重運(yùn)行平穩(wěn)的集裝箱裝卸用門(mén)座起重機(jī)或者起重量較大的造船安裝用門(mén)座起重機(jī)，使用單臂架門(mén)座起重機(jī)能更好滿足使用需求。