集裝箱起重機(jī)多功能起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司 長垣 453400

0 引言

集裝箱起重機(jī)主要由起升系統(tǒng)、金屬結(jié)構(gòu)、大車小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、吊具系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。其中起升系統(tǒng)是其主要工作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集裝箱裝卸的起升下降。隨著集裝箱起重機(jī)自動(dòng)化程度的要求越來越嚴(yán)格，常規(guī)的起升系統(tǒng)很難適應(yīng)自動(dòng)化對(duì)精度和抗搖擺性的要求。為尋求提高集裝箱起重機(jī)的裝卸效率，起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)圍繞提高效率的多種形式進(jìn)行了探索：提高起升速度縮短起升下降時(shí)間；增加防搖擺控制系統(tǒng)，縮短搖擺時(shí)間；增加微動(dòng)調(diào)節(jié)功能，縮短對(duì)箱時(shí)間。但能夠滿足自動(dòng)化精確定位要求和快速防搖擺的起升系統(tǒng)并不多，特別是應(yīng)用在自動(dòng)化上的起升系統(tǒng)。若不能迅速抑制搖擺，將嚴(yán)重影響運(yùn)行精度和對(duì)箱操作等待時(shí)間，大大降低效率。

目前能夠滿足自動(dòng)化這種要求的起升系統(tǒng)，有8 繩機(jī)械防搖起升系統(tǒng)，如圖1 所示。該系統(tǒng)具備起升、防搖功能，再配微調(diào)裝置可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、雙向平移功能，能夠滿足自動(dòng)化要求。但該系統(tǒng)倍率是1，8 根鋼絲繩承載都作用在卷筒上，防搖通過8 根鋼絲繩斜拉實(shí)現(xiàn)，起升機(jī)構(gòu)傻大笨粗，鋼絲繩磨損大、壽命較短，維護(hù)保養(yǎng)不便。因此需要探索新的起升系統(tǒng)，滿足自動(dòng)化的要求。

圖1 八繩機(jī)械防搖起升系統(tǒng)

1 起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多功能起升系統(tǒng)由起升機(jī)構(gòu)，輔助機(jī)構(gòu)，纏繞系統(tǒng)等組成，其中起升機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)載荷升降功能的機(jī)構(gòu)，力求設(shè)計(jì)合理、布置巧妙。輔助機(jī)構(gòu)為滿足自動(dòng)化、非自動(dòng)化要求，實(shí)現(xiàn)起升系統(tǒng)的多功能，整合升級(jí)了防搖系統(tǒng)。纏繞系統(tǒng)通過特殊纏繞方式，矢量變頻控制使起升機(jī)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)、纏繞系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，形成一種多功能起升系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 多功能起升系統(tǒng)

起升機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、卷筒、滑輪等組成。其卷筒設(shè)計(jì)較特殊，卷筒兩邊側(cè)布置起升鋼絲繩，內(nèi)側(cè)布置輔助鋼絲繩，設(shè)計(jì)在同一個(gè)卷筒上，優(yōu)點(diǎn)是同步性好，即使輔助機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題，也不影響起升機(jī)構(gòu)的正常工作。

輔助機(jī)構(gòu)由三合一減速器電機(jī)，輔助卷筒等組成。通過特殊布置形式，使輔助鋼絲繩在大車、小車方向均有斜拉鋼絲繩分力，為實(shí)現(xiàn)多功能提供必要條件。

輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)小車運(yùn)行停止，由于起升載荷通過鋼絲繩懸掛具有一定的慣性而不能停止，進(jìn)而擺動(dòng)，這種現(xiàn)象可簡化成單擺。若要有效提高定位、對(duì)箱效率，必須盡快停止擺動(dòng)，故防搖功能需求較大。

計(jì)算選型簡算示例：起重量41 t，吊架吊具重9.5 t，小車運(yùn)行70 m/min，加減速時(shí)間4 s。由牛頓第二定律可計(jì)算，起升載荷慣性力F ＝ma ＝（41 ＋9.5）×1 000×（70÷60÷4）＝14 729.17 N。根據(jù)圖2 布置，每側(cè)有2 臺(tái)輔助機(jī)構(gòu)，故均分到單臺(tái)上F1＝F/2 ＝7 364.59 N。由于起升高度的變化，輔助鋼絲繩與水平夾角也在變化，當(dāng)起升高度較低時(shí)，效果較弱，這種工況也較少使用，故為保證效果夾角一般取75°進(jìn)行選型計(jì)算。則輔助鋼絲繩拉力F0＝F1/cos75°＝28 454.6 N，根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]計(jì)算選擇鋼絲繩直徑取φ16 mm，輔助機(jī)構(gòu)卷筒直徑取φ280 mm。計(jì)算所需三合一減速電機(jī)功率為

式中：D0為輔助卷筒名義直徑，n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，i為減速器速比，η 為傳動(dòng)效率。

取變頻電機(jī)功率P ＝4 kW。

纏繞系統(tǒng)由滑輪組、鋼絲繩等組成。為增強(qiáng)防搖效果同時(shí)減少擺動(dòng)，吊架上滑輪采取一定角度的布置形式，使得鋼絲繩具有一定的斜拉效果，便于輔助機(jī)構(gòu)的控制操作，實(shí)現(xiàn)升降、傾轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)、雙向平移、主動(dòng)防搖多種功能。

2 起升機(jī)構(gòu)多功能的實(shí)現(xiàn)

起升機(jī)構(gòu)布置在小車上，是起重機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，布置如圖3 所示是小車的俯視圖，由起升機(jī)構(gòu)，輔助機(jī)構(gòu)，小車架等組成。

1）升降功能 通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒，收放鋼絲繩實(shí)現(xiàn)升級(jí)。為保證起升機(jī)構(gòu)的同步性，兩套起升機(jī)構(gòu)（5＃和6＃）采用變頻器主從控制，再通過起升卷筒尾部安裝的絕對(duì)編碼器進(jìn)行速度同步，實(shí)現(xiàn)兩起升機(jī)構(gòu)的同步性。由于輔助機(jī)構(gòu)鋼絲繩卷繞在主起升機(jī)構(gòu)卷筒上的，故只要起升機(jī)構(gòu)同步，則輔助機(jī)構(gòu)也同步，此種工況輔助機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。

2）傾轉(zhuǎn)功能 當(dāng)需要傾轉(zhuǎn)時(shí)，通過控制主卷筒5收緊鋼絲繩，另一主卷筒6 下放鋼絲繩，4 個(gè)輔助機(jī)構(gòu)不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)功能。在此過程中為防止過度傾轉(zhuǎn)，設(shè)有高度差值控制，不能大于設(shè)定值。

3）回轉(zhuǎn)功能 主要靠4 個(gè)輔助機(jī)構(gòu)1～4 來實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)主卷筒5 和6 不動(dòng)。對(duì)角輔助機(jī)構(gòu)1 和2 收緊鋼絲繩，另一對(duì)對(duì)角輔助機(jī)構(gòu)3 和4 下放鋼絲繩。

圖3 小車俯視圖

4）雙向平移功能 即大車、小車方向平移主要是靠4 個(gè)輔助機(jī)構(gòu)1～4，兩個(gè)主卷筒5 和6 不動(dòng)。輔助機(jī)構(gòu)1 和3 鋼絲繩下放，右邊輔助機(jī)2 和4 收緊鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)大車方向的平移。輔助機(jī)構(gòu)1 和2 鋼絲繩縮放，后邊輔助機(jī)構(gòu)3 和4 鋼絲繩收緊，實(shí)現(xiàn)小車方向的平移。

5）防搖功能 通過主鋼絲繩上的測(cè)量傳感器和吊具擺動(dòng)的位置，反饋給控制中心，經(jīng)過特殊模型計(jì)算變頻器輸出力矩給防搖電機(jī)，實(shí)現(xiàn)防搖控制。功能原理示意如圖4 所示。

圖4 防搖功能原理示意

3 多功能起升系統(tǒng)的調(diào)試

在系統(tǒng)投入使用前，需要進(jìn)行調(diào)試，直至滿足設(shè)計(jì)功能和效果。通過多功能起升系統(tǒng)的控制程序，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置原則為起升下降時(shí)，4 輔助機(jī)構(gòu)力矩控制值一致；在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)運(yùn)行速度、加速度進(jìn)行輔助機(jī)構(gòu)的力矩控制設(shè)置，啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行方向力矩大值，制動(dòng)時(shí)運(yùn)行方向力矩小值。初始值來源于建立的仿真模型，但由于實(shí)際起重機(jī)特性與理論仿真還有一定差距，則需要在調(diào)試過程中不斷地進(jìn)行數(shù)值的調(diào)整，最終確定合理數(shù)值。

在調(diào)試過程通過不斷的運(yùn)行測(cè)試，數(shù)值調(diào)整，最終確定合理數(shù)據(jù)。由于起重機(jī)是新設(shè)備，在運(yùn)行磨合后，特性會(huì)有一定的變化，效果會(huì)有不確定性，有時(shí)會(huì)變得更好，有時(shí)會(huì)變?nèi)酢Ｋ砸话阍谑褂?～5 個(gè)月時(shí)，還需要再次校調(diào)，確保效果。

4 功能測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)已安裝交付的帶有該多功能的集裝箱起重機(jī)進(jìn)行測(cè)量，通過上述控制實(shí)現(xiàn)小車方向平移±250 mm，大車方向平移±250 mm，水平回轉(zhuǎn)±5°，均需要輔助機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，如圖5 所示。

圖5 輔助機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)平移、回轉(zhuǎn)

傾轉(zhuǎn)功能不需要輔助機(jī)構(gòu)動(dòng)作，只需控制起升機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。考慮到傾轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起載荷重心的變化，一般均取±3°，該起升系統(tǒng)通過控制起升機(jī)構(gòu)一升一降實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)±3°功能。

當(dāng)小車速度70 m/min，大車速度 50 m/min 時(shí)，防搖功能通過變頻模型化控制，在2.5 個(gè)循環(huán)后測(cè)得搖擺量≤±50 mm。這些數(shù)據(jù)來源于總起升高度是18.2 m，吊具底部離地面2 m 時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。它小于目前國際上對(duì)集裝箱起重機(jī)吊具減搖效果的一般性要求：吊具底部離地2 m，載荷為空載時(shí)，小車以額定速度運(yùn)行，制動(dòng)停車后5 s 內(nèi)，吊具的擺幅控制在±100 mm 以內(nèi)。

5 應(yīng)用前景

集裝箱起重機(jī)的平移、回轉(zhuǎn)、傾轉(zhuǎn)及防搖等多功能一直是困擾起重裝備智能化、自動(dòng)化發(fā)展的難題。該起升系統(tǒng)具備的多種功能，均滿足市場(chǎng)、自動(dòng)化的要求，具有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，完全可應(yīng)用在手動(dòng)半自動(dòng)化自動(dòng)化等多種場(chǎng)合中，功能多，效果好，效率高，應(yīng)用前景范圍廣。

目前國內(nèi)外均有應(yīng)用，具備的平移、回轉(zhuǎn)、傾轉(zhuǎn)功能有利于對(duì)箱作業(yè)，提高作業(yè)效率，減輕手動(dòng)操作者的疲勞強(qiáng)度，意義較大。具備的防搖功能可顯著抑制大車方向和小車方向的擺動(dòng)量，提高了集裝箱裝卸的效率，平穩(wěn)安全，避免了因集裝箱擺動(dòng)量過大而發(fā)生碰撞等安全事故，使得擁有該技術(shù)的集裝箱起重機(jī)更加安全可靠。同時(shí)自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，也使其控制精度高、性能穩(wěn)定、安全可靠、維護(hù)方便，大大提高了整機(jī)可監(jiān)控性、穩(wěn)定性、可靠性，是集裝箱起重機(jī)優(yōu)異的起升系統(tǒng)。