集裝箱龍門起重機吊具智能主動跟隨防搖控制研究

王 成

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

集裝箱龍門起重機(以下簡稱龍門吊)是在堆場范圍內進行集裝箱裝卸作業的關鍵設備，根據作業功能的需求由大車水平運行、起升垂直運行和小車水平運行共三大運行型式組成。龍門吊小車運行機構通常安放在高度約20～25 m的大梁上，小車機構上布置鋼絲繩卷筒和滑輪組，鋼絲繩從小車進出繩，柔性連接下部的吊具進行作業。龍門吊通常起吊15～50 t的載荷，在水平方向做23～50 m距離的高速運行，小車頻繁加減速高速運行，柔性連接導致下部吊具和載荷與上部小車機構不能同步加、減速，形成吊具和載荷的柔性擺動。為了消除等待擺動消失的時間，提高效率，吊具和載荷的防搖控制成為龍門吊必不可少的功能。

通常對龍門吊防搖控制的性能要求是：吊具底部距離地面2 m，吊具下載荷空載，小車機構以額定速度運行，制動停車后的5 s內，空吊具的擺動幅度控制在±100 mm以內；吊具下掛載額定起重量時，同等擺動幅度下允許的時間可以放寬至8～10 s。目前，研究吊具防搖主要集中在小車方向的防搖，輪胎式龍門起重機帶載大車運行的概率不高，但是自動化軌道吊帶載大車運行則是工作的重要組成部分，因此研究小車和大車方向的吊具防搖控制都非常重要。

2 現有小車機構布局及吊具防搖控制

現有龍門吊的小車機構主要形式是單一起升卷筒輔以多滑輪組構成，以此為基礎再配合多種形式的防搖裝置，實現小車機構帶載的運行。起重機常用的防搖裝置分為機械式、力矩電機式、液壓式、電子式4類。

機械式是指利用機械原理減搖或防搖，分剛性和撓性兩大類，主要有剛性導筒制動(剛性)、分離臺車(撓性)和八字繩系(撓性)3種；力矩電機式是指通過卷筒給鋼絲繩一定的張力并配合制動器的制動力給鋼絲繩增加阻尼的防搖系統；液壓式是指用液壓油缸推動滑輪組的防搖系統；電子式是指完全依靠電氣自動控制小車移動原理的防搖系統。

這些防搖裝置都屬于被動防搖裝置，雖然實現了防搖功能，但存在著輪胎磨損量大、影響整機結構疲勞壽命、結構復雜、維修頻繁、保養工作量大、容易發生泄漏污染、時滯性明顯和靈敏度不高等缺點，各種防搖形式的優缺點總結見表1。

表1 各種被動防搖形式差異表

3 主動跟隨的四卷筒智能防搖控制系統

新型小車的起升卷筒由1個改為2個，軸向與小車運行方向同向，每個卷筒上設置2根起升鋼絲繩，每根鋼絲繩分別從卷筒以接近于90°的出繩角出繩后經過吊具1角的1個起升滑輪后固定在小車上。依據新型小車的結構，設計了吊具主動跟隨的四卷筒智能防搖控制系統。

3.1 系統組成

集裝箱吊具主動跟隨的四卷筒智能防搖控制系統，包括布置在小車上的4個防搖電機和減速機(采用三合一電機)、4個防搖鋼絲繩卷筒、4個絕對值編碼器與重量傳感器、4個變頻器和相應的PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)、Profibus(Process Field Bus過程現場總線)系統等(見圖1)。采用變頻電機，配置增量式編碼器，實現閉環矢量控制。

圖1 防搖系統總體布局圖

4根防搖鋼絲繩在空間布置上是等長度并且互不交叉干涉的，一端固定在主起升卷筒上，另一端通過布置在吊具上的一次導向滑輪纏繞在4個防搖卷筒上(見圖2)。

圖2 防搖系統繞繩形式

3.2 系統功能和工作原理

智能防搖控制系統具備智能檢測和控制的功能，通過信息采集識別作業工況；通過實時智能控制系統的運算比較，計算防搖變頻器輸出轉矩和速度；通過Profibus實時采集變頻器輸出轉矩值，使防搖鋼絲繩達到所需的最佳防搖拉力，實現防搖過程的實時控制；采用變頻無級調速技術，能實現吊具在不同的高度進行防搖，動態響應快，防搖效果較好。

當小車開始運行處于加速狀態時，小車運行方向同側的主動防搖卷筒在變頻防搖電機驅動下張緊防搖鋼絲繩，以減小吊具向運行方向相反側擺動的角度；當小車到達恒定速度運行，則4個輔助卷筒保持靜止狀態，防搖鋼絲繩處于張緊狀態防止吊具搖晃；當小車減速停止運行時，運行方向相反側的主動防搖卷筒在變頻防搖電機驅動下張緊繩索，防止吊具因慣性產生擺動，從而保證吊具穩定。雙起升卷筒和四防搖卷筒構成的主動防搖系統可兼顧大車方向的防搖，相同于小車方向上防搖功能的原理，大車帶載運行加速時和大車運行方向一致的防搖卷筒在變頻防搖電機驅動下張緊防搖鋼絲繩，以減小吊具向大車運行方向相反側擺動的角度；勻速運行時防搖卷筒保持不動；減速時與大車運行方向相反的防搖卷筒張緊防搖鋼絲繩，以減小吊具和載荷的慣性運動。

3.3 系統優勢

現有的被動防搖裝置中多是利用制動器摩擦增加阻尼的原理來達到防搖的效果，吊具和貨物搖擺的能量又傳導到龍門吊整機結構和輪胎上，對輪胎的磨損和結構的疲勞壽命都帶來不利的影響。利用變頻電機進行的主動智能防搖系統可以在預知作業載荷重量、作業高度、運行距離等參數的前提下，主動跟隨性的預設變頻電機的力矩，盡可能減小吊具和貨物的擺動。擺動的能量可通過變頻器的能量反饋功能回收到機上的超級電池能量存儲裝置，將原來對結構造成損傷的能量轉變成為驅動起重機運行的綠色能量，是原有被動防搖裝置所不具備的顯著優點。

4 多軸拖動系統的吊具微動和傾轉功能

龍門吊作業的對象主要是場地上的集裝箱，隨著作業量的增加及場地的自然沉降，集裝箱堆場、集裝箱卡車行車道、龍門吊運行場地都會出現不同程度的凹凸不平，對集裝箱作業過程中的對箱過程產生不利影響，會嚴重影響集裝箱裝卸的作業效率。通過實現吊具的水平旋轉、垂直傾轉、水平側移等微動功能可顯著降低司機的對箱困難，彌補上述不足造成的效率下降。傳統的防搖裝置主要功能就是單一的防搖，不具備這些功能。新型的雙起升卷筒和四防搖卷筒組成的多軸拖動系統在實現了主動跟隨防搖控制的同時，還可通過多軸拖動系統的協同運行實現吊具的多種微動功能。

小車方向微動功能實現：當①②號兩個防搖卷筒同時收繩其余卷筒維持不動時，吊具帶載可向右側水平微動正向20 cm；③④號兩個防搖卷筒同時收繩其余卷筒維持不動時，吊具帶載可向左側水平微動正向20 cm，從而可實現小車運行方向的正反向微動(見圖3)。當小車停車位與對箱位有出入時，可通過這項功能避免頻繁移動小車實現快速對箱。

圖3 小車方向微動和水平旋轉功能實現原理圖

水平旋轉微動功能實現：當①③號兩個防搖卷筒同時收繩其余卷筒維持不動時，吊具可實現水平順時針方向旋轉5°；②④號防搖卷筒同時收緊其余卷筒維持不動時，可實現吊具水平逆時針方向旋轉5°。當小車停車位與下方集卡產生水平夾角的時候，可通過這項功能實現快速對位著箱。

大車方向微動功能實現：當起升主卷筒保持不動，①②③④防搖卷筒同時同向運行時，可實現吊具在大車方向單向微動20 cm；4個防搖卷筒反向同時運行時，則可實現吊具在大車方向反方向微動20 cm(見圖4)。當大車停車位與下方著箱位有偏差時，可避免頻繁移動大車對位實現快速著箱。

圖4 大車方向微動功能實現原理圖

5 結語

集裝箱龍門起重機吊具智能主動跟隨防搖控制系統在優化突破傳統單一被動防搖系統的基礎上，實現了由單自由度防搖向雙自由度防搖的創新，同時融合實現了吊具的多種微動功能，可顯著提高龍門起重機的作業效率。防搖卷筒和起升卷筒組成的多軸傳動系統應用智能算法的控制，可顯著優化龍門起重機的動態運行特性，同時小車機構的簡化降低了起重機頂部結構的重量，還可顯著增加起重機整機結構運行的壽命。