高可靠重載升降裝置技術研究

王蘭志，商李隱，王書浩

（1. 北京航天發射技術研究所，北京，100076；2. 中南大學航空航天學院，長沙，410083）

0 引 言

針對大型貴重負載垂直升降作業對高可靠升降裝置的需求，在充分調研國內外關于重載升降技術研究現狀及趨勢的基礎上，提出升降裝置設計方案，研究體積小、可靠性高、同步性好、升降速度高、啟停控制平穩的重載升降技術，為某重要產品的設計提供技術支撐。

1 重載升降技術國內外發展情況

對于大型重載升降系統，其核心技術是該系統的提升設備及升降技術，系統的特點是負載大、行程長、負載空間結構大，容易失穩，而且可靠性和安全性要求高，控制要求方便靈活[1]。目前對于大型重載工況，應用較多的升降方案有以下3種。

1.1 齒輪齒條升降技術

齒輪齒條升降技術是一種機械傳動方式，傳動準確可靠，依靠齒輪齒條傳遞動力和進行控制，其優點是：操作簡單、維護方便和傳動效率高等。但對于長距離大行程，加工精度要求高，結構比較復雜，傳動較困難，成本高。目前在大型重載升降系統中的典型應用有以德國呂內堡為代表的齒輪齒條爬升式升船機等[2]，如圖1所示。

圖1 呂內堡升船機Fig.1 Lüneburg Ship Lift

1.2 卷揚升降技術

卷揚升降系統多采用電力傳動，電力傳動是利用電力設備并調節電參數來傳遞動力和進行控制。主要優點是：能量傳遞方便，信號傳遞迅速，標準化程度高，易于實現自動化等。缺點是：運動平穩性差，易受外界負載的影響；慣性大，起動及換向慢；成本較高，受溫度、濕度、振動、腐蝕等環境影響較大。卷揚需耗用大量的鋼絲繩，受到卷揚機繩容量的限制，如果采用多臺卷揚機，多臺卷揚機的同步問題需要解決。為了改善其傳動性能，往往與機械或液壓傳動結合使用。卷揚技術在大型重載工況中的應用有起重設備和升船機等，圖2為卷揚起重機示意。

圖2 卷揚起重機Fig.2 Hoisting Crane

與齒輪齒條爬升型結構型式相比：卷揚提升型式結構簡單，制造安裝技術更加適應中國目前的工藝水平，同時中國亦有類似的設備研制經驗供借鑒。卷揚提升型升船機采用對稱安裝在塔柱頂部的多臺卷揚機，通過卷筒上的鋼絲繩使承船廂做升降運行，為保證各卷筒的同步運行，在各卷筒之間加設閉環剛性同步軸。平衡重系統分別設置為重力平衡重和轉矩平衡重。重力平衡重的鋼絲繩通過塔柱頂端定滑輪與承船廂相連；轉矩平衡重的鋼絲繩與卷筒相連，和提升鋼絲繩的出繩方向相反，形成力矩平衡。

1.3 液壓升降技術

液壓傳動有其獨特的優點：

a）單位功率的質量輕，即能以較輕的設備質量獲得較大的力和力矩。

b）由于體積小、質量輕，因而慣性小，起動、制動迅速。

c）在運行過程中能方便地進行無級調速；調速范圍大，而且低速性能好。

d）易于實現自動化。

e）易于實現過載保護，工作安全可靠。

f）液壓系統的各種元件可隨設備的需要任意安排，可以把液壓馬達或液壓缸安置在遠離原動機的任意位置，不需中間的機械傳動環節。

g）液體工作介質具有彈性和吸振能力，使液壓傳動運轉平穩、可靠。

h）易于實現標準化、系列化和通用化，便于設計、制造和推廣使用。

鑒于以上特點，液壓升降技術得到了廣泛的應用。

2 研究目標和輸入條件

2.1 研究目標

齒輪齒條裝置傳動精度要求高，制造困難。卷揚升降裝置平穩性差，升降速度低，環境影響大。液壓升降裝置效率低，不易排除故障。因此難以滿足某項目重要產品的升降需求。本項目通過機械-電子-液壓一體化設計配合先進控制方法，論證重載升降裝置的設計方案，給出最佳方案。

2.2 輸入條件

a）需升降的負載：重120 t，外形為圓柱體，直徑2.7 m，高26 m；

b）升降行程30 m，下降時間不大于5 min，上升時間不大于15 min；

c）載荷升降是豎直固定在工作平臺上，由升降裝置拖動工作平臺進行載荷升降。

2.3 研究內容

在上述研究目標和關鍵技術框架下，以達到下述技術指標展開研究工作：

a）研究重載高可靠升降裝置技術，滿足高價值載荷的升降需求；

b）研究提高升降裝置下降速度的技術途徑；

c）研究提高升降裝置升降啟停過程中的平穩性和控制魯棒特性的技術方案。

3 總體方案論證

3.1 功能需求分析

通過分析大型負載垂直升降作業，可將升降系統工況分為以下3種：

a）滿載升降工況。

滿載升降工況，即120 t載荷作用在升降平臺上，通過卷揚起升技術實現載荷與升降平臺兩者的上升與下降。將滿載上升過程與下降過程優化為逆過程，方便控制，增強可靠性。

b）空載升降工況。

空載升降工況，即120 t載荷未作用在升降平臺上，通過卷揚技術實現升降平臺獨立的上升與下降。同理，也應將空載上升過程與下降過程優化為逆過程。

c）載荷懸停工況。

載荷懸停工況，即120 t載荷通過卷揚起升機構作用在升降平臺上，此時工作平臺和載荷處于懸停狀態，與地面有50 mm懸停間距。

3.2 擬采用的總體方案對比

3.2.1 兩步升降方案（方案1）

根據總體方案功能分析，可以將系統主要工作計劃分為2步，采用2步升降方案，即底部升降和頂部起升2個過程，通過卷揚機組、頂部起升機構和配重組件實現。系統升降過程示意如圖3所示。

圖3 方案一原理示意Fig.3 Schematic Diagram of Scheme 1

當載荷上升時，第1步底部升降過程，如圖3a到圖3b所示：在卷揚機組和配重組件的帶動下，載荷上升至高位，此時，由于滑輪位置安裝的限制，載荷距離地面還有一定距離；第2步頂部起升過程，如圖3b到3c所示：通過頂部起升機構將載荷抬升至地面處，完成載荷的上升過程。

載荷下降過程為上升過程的逆過程。第1步，載荷首先通過頂部起升機構和配重組件的雙重作用下降；第2步，在卷揚機組和配重組件的作用下，下降至最低位，完成載荷的下降過程。

3.2.2 一步升降方案（方案2）

同樣采用卷揚升降技術，通過升降平臺優化設計，取消頂部起升機構，直接通過卷揚起升機構將載荷提升至地面，即采用一步升降方案。圖4為一步升降方案原理示意。

圖4 方案2原理示意Fig.4 Schematic Diagram of Scheme 2

3.2.3 方案對比分析

2個方案均采用卷揚技術實現升降，結合國內外重型升降裝備的現狀及發展，卷揚技術方案理論上可行。

2個方案主要區別是：方案1采用了頂部起升機構，方案2通過對升降平臺進行優化設計，直接取消頂部起升機構。在工程實際中，頂部起升機構的同步性不能完全保證，會導致載荷升降過程中不能平穩運行。方案2中重點保證升降平臺的強度滿足載荷工作工況的要求即可。從系統可靠性的角度考慮，減少一個串聯環節，可以更好地提高系統的可靠性。綜上，本系統采用方案2，即一步升降方案。

4 方案詳細研究

4.1 升降機構總體布局設計

圖5為三維模型模擬系統升降過程，表示升降過程的不同狀態。

圖5 升降過程三維示意Fig.5 Three Dimensional Diagram of Lifting Process

根據總體方案設計，結合輸入條件，進行總體布局設計。本項目工況要求將載荷從地下提升至地面，根據方案的設計，所有的機械設備都在地下。為降低施工工程難度，減少工作量，在滿足項目要求的前提下應盡可能減少設備間體積，機械結構布置盡量緊湊，將各部分進行如圖6所示布局。

將整個系統設計為完全封閉結構，便于偽裝。在頂蓋和混凝土基座之間有200 mm的鋼板安裝座，用于電機、減速器、卷筒等安裝。為便于設備的安裝、維修和拆卸，在地基中挖掘一條地道，用于施工。在設備間處設置兩通道門，平時可以通過該通道門進入地道，進行設備的日常維護和維修檢驗[3]，如圖6所示。

圖6 整體布局示意Fig.6 Overall Layout

卷揚起升機構作為升降裝置的主要動力源，滿足載荷及平臺的升降和懸停工況需求。

配重組件與卷揚起升機構相互獨立，充當升降裝置的輔助動力源。與卷揚起升機構配合。滿足載荷及平臺的升降及懸停工況需求。

升降平臺在載荷升降及懸停工況中，起到支撐作用。在載荷升降工況中，它具有導向功能，保證系統的同步性和穩定性；在載荷工作工況中，還應滿足重載耐沖擊的要求。

動滑輪組件在滿載升降工況和空載升降工況過程中，作為升降動滑輪，能夠增強倍率，減小電機功率。

基座為升降裝置提供安裝空間和安裝維修通道。

4.2 卷揚起升機構研究與優化

根據總體設計要求，需要滿足載荷升降過程中的同步性。由于采用4組卷揚起升機構進行升降，卷揚起升機構之間的同步性直接影響著整個升降系統的同步穩定性，設計一種合理的布置形式至關重要。

圖7為單倍率的同步原理示意。

圖7 單倍率同步工作原理Fig.7 Schematic Diagram of Single Rate Synchronization

先架設B1為驅動卷筒，B2為定滑輪固定在機座上。該系統有2套鋼絲繩：鋼絲繩1和鋼絲繩2。

鋼絲繩1一端固定在平臺上表面A1點，繞過B1和兩個滑輪后固定在平臺右端的下表面C1點。鋼絲繩2一端固定在平臺上表面A2點，繞過B2和2個滑輪后固定在平臺左端的下表面C2點。

在驅動卷筒B1的驅動下，可使得平臺A1點向上運動。此時，C2和A1點相對靜止，C2點同時也向上運動；通過鋼絲繩2，C2驅動平臺的A2向上運動。此時，A1和A2同時向上運動。如不考慮鋼絲繩的剛性，A1和A2運動時是完全同步的。C1點固定于平臺上目的是為了A2運動帶動C1運動，從而吸收了卷筒B1釋放的鋼絲繩。

值得注意的是，此時只有一個驅動，因為B2被假設為滑輪。如果B2同時被假設為驅動，此時單驅動的系統變為雙驅動，驅動B1和驅動B2時完全同步。

由于單倍率驅動無法滿足系統需要，為此把系統演變為雙倍率驅動，其工作原理如圖8所示。

圖8 雙倍率同步工作原理Fig.8 Schematic Diagram of Double Rate Synchronization

根據總體方案設計，采用4組卷揚起升機構對稱布置在基座四周，同側相鄰2組卷揚起升機構通過剛性聯軸器直聯電機，保證此2組卷揚起升機構的同步性和穩定性。2側2組卷揚起升機構若采用控制系統實現同步性，難以達到設計要求，因此需要通過機械同步來保證系統的同步性。由于卷揚起升機構采用鋼絲繩進行傳遞運動和力，因此，可以通過鋼絲繩的傳動方式布置來保證2側電機的完全同步性。

最終得到的卷揚起升機構布置如圖9、圖10所示。4組卷揚起升機構可記為卷揚A、卷揚B、卷揚C、卷揚D。其中，卷揚A和卷揚B，卷揚C和卷揚D分別布置在基座左側和右側，其減速器采用單輸入雙輸出的減速器。減速器一輸出軸連接卷筒，另一輸出軸與相鄰減速器一輸出軸通過剛性聯軸器直聯，實現剛性同步。

圖9 卷揚起升機構布置示意Fig.9 Layout of Winch Hoisting Mechanism

圖10 卷揚起升機構三維布置示意Fig.10 Three Dimensional Layout of Winch Hoisting Mechanism

卷揚A和卷揚C，卷揚B和卷揚D之間通過鋼絲繩的繞線形式，來實現完全同步，其工作原理如圖11所示。

圖11 升降鋼絲繩三維布置示意Fig.11 Three Dimensional Layout of Winch Lifting Wire Rope

綜上分析，通過4組卷揚起升機構的對稱布置，同側相鄰卷揚電機之間剛性聯軸器直聯，兩側相對卷揚起升機構鋼絲繩的繞線形式，理論上可實現升降平臺升降時的完全同步性，即實現載荷升降時的完全同步性。

4.3 配重組件研究與優化

增加配重組件的作用是使配重與載荷能達到相對平衡，保證載荷的升降傳動平穩、正常運行，同時也能夠減小電機功率損耗，增強鋼絲繩使用壽命，增強系統可靠性[4]。

圖12為配重繞線方式示意。如圖12所示，配重裝置按照鋼絲繩繞線方式可以分為無反繩輪式和有反繩輪式兩類。無反繩輪配重形式，即配重鋼絲繩兩端傳動比為1∶1；有反繩輪配重形式，即配重鋼絲繩兩端傳動比不為1∶1。兩類配重裝置結構組成基本相同，都是由配重塊、導靴、配重鋼絲繩等組成。

本文升降裝置配重組件與卷揚起升機構相互獨立，因此，可直接采用無反繩輪式配重，結構簡單，制造安裝方便。

圖12 配重繞線方式示意Fig.12 Schematic Diagram of Counterweight Winding Mode

圖13為配重結構示意。配重由配重架、配重塊、導靴、壓板螺栓和繩頭板等組成。配重架由槽鋼制成；配重塊由鑄鐵或加重混凝土制造而成，滿足質量要求即可；配重塊安裝在配重架上后，要用壓板壓緊，以防運行中移位和振動并產生噪聲。

圖13 配重結構示意Fig.13 Schematic Diagram of Counterweight

根據總體方案原理設計，設計配重組件布置形式如圖14所示。其中，配重定滑輪上的鋼絲繩一端連接配重，另一端連接升降平臺。配重組件和卷揚起升機構相互獨立，共同作用在升降平臺上。在基座兩側各布置一配重組件，保證運行的穩定性和同步性。

圖14 配重組件布置示意Fig.14 Layout of Counterweight Components

配重質量的確定，將影響整個運動系統總質量的大小、驅動電機功率的大小、電能損耗的多少，影響著鋼絲繩在卷筒摩擦輪上滑動危險。因此合理確定配重質量的大小至關重要。

配重質量的確定，可遵循以下原則進行設計：驅動電機功率最小原則；載荷上升和下降極限工況防滑程度相同原則；鋼絲繩不打滑原則。

本升降裝置中配重組件和卷揚起升機構相互獨立，滑輪充當導向輪作用，因此可直接根據驅動電機功率最小原則進行配重質量的確定。

圖15為配重組件力學簡化圖。

圖15 配重組件力學簡化示意Fig.15 Simplified Mechanical Diagram of Counterweight Components

a）滿載升降工況下，配重導向輪兩側鋼絲繩靜張力差ΔmT為

式中ΔmT為滿載工況下配重導向輪兩側鋼絲繩靜張力差，N；T1m為滿載工況下升降平臺側鋼絲繩張力，N；

考慮補償繩的作用及升降過程中阻力作用，滿載工況下，升降平臺側鋼絲繩張力T1m為

式中G0為升降載荷質量，1.2×103kN；TG為升降平臺質量（按 TG=3.0×105N計算）；m為配重升降鋼絲繩根數；p為配重升降鋼絲繩線密度，N/m；h為鋼絲繩最大懸垂高度，m；f1為升降平臺側運動阻力，主要為運動時摩擦阻力和空氣阻力，N。

配重側鋼絲繩張力T2m為

式中GP為配重質量，N；n為補償繩鋼絲繩根數；q為補償繩鋼絲繩線密度，N/m；f2為配重側運動阻力，主要為運動時摩擦阻力和空氣阻力，N。

配重質量設為

式中ξ為平衡系數。

假設采用等重補償系統，則有mp=nq，整理得到：

b）空載升降工況下，配重導向輪兩側鋼絲繩靜張力差ΔkT為

式中kTΔ 為空載工況下配重導向輪兩側鋼絲繩靜張力差，N；T2k為空載工況下配重側鋼絲繩張力，N；T1k為空載工況下升降平臺側鋼絲繩張力，N。

考慮補償繩的作用及升降過程中阻力作用，假設空載工況下運動阻力與滿載工況下運動阻力相等，則升降平臺側鋼絲繩張力T1k為

空載工況下，配重側鋼絲繩張力T2k為

整理得到：

根據對配重組件的分析，對驅動裝置所需驅動力進行數學建模如下：

式中FQ為驅動裝置所需最小驅動力，N。

易知，當 ΔTm=ΔTk時，驅動裝置所需驅動力最小，此時，解得ξ=0.5。即配重質量取GP=GT+ 0.5G0，此時驅動裝置所需驅動力最小，因速度不變，所以此時滿足驅動功率最小原則。

4.4 彈簧裝置研究與優化

卷揚起升機構升降鋼絲繩一端連接彈簧裝置。彈簧裝置在升降裝置中起到2個作用：a）緩沖和吸振，利用彈簧的變形來緩和沖擊和吸收振動時的能量，主要是來自風載荷鋼絲繩彈性變形所產生的振動和沖擊；b）預緊功能，給定彈簧一定的預緊力，即預先考慮的最大彈性恢復力和彈性時間維持力，在彈簧受力小于預緊力時，彈簧相當于剛性元件，不產生變形。且預緊力使鋼絲繩張緊，增加系統剛度，使系統更加平穩。

碟形彈簧結構簡單，緩沖和減振能力強，多用于重型機械的緩沖和減振。符合本文重載特點，因此選用碟簧進行彈簧裝置的設計，結構如圖16所示。

圖16 彈簧裝置結構Fig.16 Structural Drawing of Spring Device

圖17 彈簧裝置三維圖Fig.17 Three Dimensional of Spring Device

由圖16、圖17可知，該彈簧裝置主要包括：鋼絲繩接口，調整桿，左拉桿，右拉桿，拉桿焊接頭，螺紋軸，擋塊，套筒，碟簧組合，左右支撐等結構。

鋼絲繩接口通過螺紋聯接聯接鋼絲繩端部，起到固定鋼絲繩端部的作用。碟簧組合放置于套筒內部。左右拉桿通過螺紋軸聯接后從碟簧內孔穿入，為減少螺紋加工，降低成本和裝置質量，左右拉桿使用空心軸，頭部焊接帶有內螺紋的拉桿接頭。螺紋軸左端與左拉桿焊接頭聯接，采用開口銷固定，開口銷的作用是防止螺紋軸和左拉桿發生轉動。右拉桿和螺紋軸通過擋塊連接，保證螺紋軸的平穩傳動。左拉桿通過調整桿與鋼絲繩接口連接，調整桿兩端帶有外螺紋，分別與鋼絲繩接口和左拉桿進行連接。調整桿的作用是調整鋼絲繩與彈簧裝置的距離，因此，調整桿兩端螺紋旋向相反，一端左旋，另一端右旋，從而達到調整間隙的作用。

彈簧裝置的設計重點為碟簧組合的設計。碟形彈簧具有結構緊湊、加壓均勻、操縱省力，并且摩擦片磨損后，工作壓力變化較小等特點。碟簧的組合方式一般有對合、疊合、復合、不同厚度組合、不同片數組合等[5]。本彈簧裝置采用如對合的方式進行碟簧組合。圖18為碟簧對合的對合方式。

圖18 碟簧對合形式Fig.18 Disc Spring Combination Form and Characteristic Curve

根據對合的組合形式，得到其計算公式如下：

式中Fz為組合碟簧的載荷，N；F為單個碟片的載荷，N；fz為組合碟簧的變形，mm；f為單個碟片的變形，mm；Hz為組合碟簧的自由高度，mm；H0為單個碟片的自由高度，mm；i為碟片個數。

根據設計要求，彈簧裝置具有預緊功能。初選碟片個數i=50，型號選擇碟簧A 180-3，具體參數為：外徑D=180 mm，內徑d=92 mm，厚度δ=10 mm，無支承面碟簧壓平時變形量的計算值h0=4 mm，單個碟簧自由高度H0=14 mm。在碟簧變形為0.75倍無支承碟簧壓平時變形量時，即f=0.75h0，此時有，單個碟片載荷F=125000 N，變形量f=0.75h0=3 mm。

根據計算結果，可驗證預緊力的大小。彈簧裝置預緊力為yF=80000 N。

升降鋼絲繩受力為：FG= 0.5G0/(4 ×2) = 75000N 。

有FG＜Fy，即升降鋼絲繩正常工作時，彈簧由于預緊，相當于剛性元件，不會發生彈性變形。在外部振動時，彈簧裝置可起到減小振動，緩和沖擊的作用。

5 關鍵技術及解決方案

5.1 保證升降過程穩定性問題

升降裝置使用對象為120 t的重型載荷，直徑2.7 m，高度為26 m，如何實現細長型重負載的升降，要求升降過程穩定性好，是項目解決的首要難題。

為此，在以往大型項目經驗的基礎上，采取如下2個措施來提高升降系統的穩定性。

a）采用4個卷揚機來實現升降功能，四點懸吊結構能保證較好的吊裝穩定性，避免發生偏擺和震蕩。

b）采用配重方式實現穩定性控制，配重懸掛于定滑輪的另一端，在下降過程中起到蓄能作用，在上升過程中提供動能，因此可以平衡整個系統。由于平衡重系統的存在，升船機上升和下降過程中，電機只需要克服一些摩擦阻力、慣性力及其他阻力，易于控制，可以極大提高系統控制穩定性。

c）保證同步性，為了保證升降過程平穩，防止由于不同驅動電機的運動速度和載荷不一致引起的工作平臺傾斜或運行中斷，在升降裝置的4個驅動單元之間建立一套同步系統，如圖19所示。4套驅動單元之間由機械同步軸相連接，構成剛性機械系統，嚴格匹配確保升降速度相同。通過合理巧妙地布置鋼絲繩，能夠實現系統完全同步。

圖19 升降裝置結構布局示意Fig.19 Layout of Lifting Device

5.2 升降速度提升問題

傳統重載升降裝置因載荷質量大，導致升降裝置體積大，升降速度低，無法滿足某產品的升降需求，為此，在以往大型重載升降項目經驗的基礎上，采用了配重的方案。使用配重充當升降系統的輔助動力源，不僅能夠非常有效地降低電機功率，增強鋼絲繩壽命，提高系統可靠性，在載荷升降過程中，還能相對減輕載荷質量。使用配重的方案，使得升降速度可以大大提升。本文中，升降過程分為2個過程，通過增加配重的方案，可以實現上升/下降2個過程的互逆。

6 結 論

本文從大型負載升降裝置的功能需求入手，對升降裝置的總體方案進行了對比論證分析，提出一步式升降裝置總體方案，進而對升降裝置方案進行了詳細研究，提出了可行方案，并進行了相關計算及零部件初步選型，在上述工作基礎上，對升降裝置的關鍵技術及其解決途徑進行了論述，為升降裝置的工程研制奠定了基礎。