單臂架齒條變幅門座起重機與四連桿門座起重機的比較與應用

宋 典 梁朝寬

1 單臂架齒條變幅門座起重機的產生背景及技術要點

隨著現代科技的發展，全球化、地球村等概念的提出，世界交流也日益頻繁，各種貨物的流動也越來越多，港口的貨物裝卸也越來越繁忙，各種卸貨要求的不同對應卸貨機械的選用也不同，常規四連桿門座起重機作為一種傳統型港口裝卸門座起重機以其通用性強、靈活性好、工作范圍大、可配上吊鉤、抓斗、集裝箱吊具等來裝卸各類件雜貨及散貨的特點在各港口依然有著很大的需求，但隨著現代工業的飛速發展與進步，對港口裝卸效率要求變得越來越高，為了降低能耗與成本，在保證安全使用的前提下，盡量減輕機械重量和降低機械耗電量成為一個迫切需要解決的問題。在這種要求下，一種新的機型在近一二十年被越來越多地應用在港口貨物的裝卸中來，這就是單臂齒條門座起重機。

單臂架齒條變幅門座起重機具有重量輕，能耗少，操作靈活，適應性強的特點，并且同樣可配上吊鉤、抓斗、集裝箱吊具等裝卸各類件雜貨及散貨進行作業，適用于各種散貨、件貨與雜貨的裝卸工作，在工作范圍內作業時，起升、變幅、回轉等機構可以單獨或聯合動作。通過多年的實際應用，單臂架齒條變幅門座起重機在港口的作業中取得了良好的運行效果，由于該機型性能優越、造價合理、能同時適應海港及內河碼頭的裝卸作業的系列產品，從而逐步取代常規四連桿門座起重機，成為港口裝卸作業中一種常用的機型而被越來越多的用戶所認可及采用。兩種門座起重機各有優缺點，用戶在選擇上應根據具體情況具體分析。

2 單臂架齒條變幅門座起重機與常規四連桿門座起重機的相同與不同點比較

常見的單臂架齒條變幅門座起重機和四連桿門座起重機一般以吊重50 噸以下為主，單臂架齒條變幅門座起重機與常規四連桿門座起重機相比較有以下相同及不同點。

2.1 相同之處

兩種門座起重機下部結構均采用由圓筒體和箱形橫梁及端梁組成的門框結構，圓筒體上方連接的回轉支承采用三排圓柱滾子軸承，軸承上部轉盤承載上轉柱、機器電氣房、起升機構、旋轉機構和司機室，臂架布置在轉盤前部，變幅機構布置在上轉柱中部平臺上，上轉柱頂部布置有起升滑輪組以及平衡梁系統。變幅均采用齒輪齒條形式，變幅機構布置在上轉柱或者人字架中部的變幅平臺上，齒條頭部通過鉸點連接在臂架中部。如圖1 所示。

2.2 不同之處

2.2.1 臂架結構

四連桿門座起重機的臂架系統大多采用箱形板梁結構，由主臂架、象鼻梁、大拉桿通過鉸軸連接，與上轉柱、轉盤等支承構件組成一個四連桿平面機構的組合臂架系統，通過變幅驅動裝置實現不同幅度范圍內的作業要求，鋼絲繩在上轉柱頂部沿大拉桿和象鼻梁通過滑輪連接吊鉤抓斗或吊具。

圖1 門座起重機各主要部件組成

單臂架齒條門座起重機沒有象鼻梁和大拉桿，只有一根主臂架，多采用高強度管材制成的三角形截面或矩形截面的大桿桁架結構。鋼絲繩通過上轉柱頂部滑輪與臂架頭滑輪之間來回纏繞數次并接入吊鉤抓斗或吊具。

這兩種臂架結構相比較：由于臂架系統較四連桿門座起重機結構簡單，臂架系統重量較四連桿門座起重機臂架系統要輕便許多，配重重量相應減小，整機重量較四連桿門座起重機大大減小。但是單臂架門座起重機采用桁架式結構，導致抗臂架的疲勞能力沒有箱型結構的四連桿門座起重機強，焊接及工藝難度較高，在質量控制方面要求更高。

2.2.2 補償的方式

滑輪組補償工作原理為：在變幅過程中，利用起升鋼絲繩的總長度不變，在貨物變幅過程中引起的升降現象依靠起升繩的繞繩系統及時收放一定長度的起升鋼絲繩的方法來進行補償，從而使貨物在變幅過程中沿著接近水平線的軌跡移動。

圖2（a）為補償滑輪組使貨物水平變幅的工作原理圖：當臂架從位置Ⅰ擺動到位置Ⅱ時，臂架頭部滑輪組落差為H，臂架端點至補償滑輪組的距離分別為l1和l2，假設起升滑輪組倍率為a1補償滑輪組倍率為ak，則通過三角函計算調整各個點位來實現。水平變幅因滿足的條式。

圖2

滑輪組補償優點是設計構造簡單，臂架的受力情況比較有利，臂架只承受軸向力。缺點是起升繩長度較大，易磨損，小幅度時由于貨物距離臂架頭部滑輪增大，會導致擺動幅度較大。另外，在起重量較大的情況時補償滑輪組倍率相應增大，增加了纏繞次數，會降低鋼絲繩的使用壽命。

四連桿組合臂架補償法是依靠組合臂架象鼻梁端點在變幅過程中沿接近水平線的軌距運動的幾何特征來實現的。

一般采用解析法得出合適的組合，原理如圖2（b）所示，簡介如下。

象鼻梁頭部端點的軌跡方程：

對方程組進行整理后，得

再利用計算機輔助編程等方法逐個通過試驗來確定合適的數值。

四連桿補償方案的主要優點是：貨物的懸掛長度減小，貨物的擺動現象減輕，起升繩的磨損及長度減小，其缺點是臂架系統結構復雜并且自重較大。

2.2.3 變幅速度

我們知道，這兩種形式的門座起重機在變幅過程中，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/變幅時間）求得的平均變幅速度來度量的，但是在變幅過程中，貨物的水平線速度如果變化過大、過急，對裝卸和安裝工作都非常不利，對比這兩種形式的門座起重機。

（1）單臂架門座起重機

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

（2）四連桿門座起重機

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，見圖3（b）），按下式計算。

圖3

我們利用上述方法分別對一臺單臂架及四連桿門座起重機的變幅速度進行計算。這兩臺機工幅度相同均為12m-35m變幅速度25m/min。選擇幾個幅度計算得出計算結果，如表1 所示。為了更直觀比較，我們利用Excel 作出兩臺門座起重機變幅速度變化曲線對比圖，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座起重機變幅速度對比可知，在變幅行程相同的情況下，四連桿門座起重機的變幅速度變化在小幅度時要明顯大于單臂架門座起重機，幅度越大變化越平緩。而單臂架門座起重機變幅速度的變化在整個變幅過程中都相對比較平緩。

圖4 速度變化曲線對比圖

3 單臂架門座起重機與四連桿門座起重機的優劣勢與實際應用意義

通過上文對單臂架及四連桿門座起重機的比較與分析，我們可以得出以下結論：由于單臂架齒條變幅門座起重機采用單根臂架，通過鋼絲繩纏繞系統滑輪組補償的方式來達到變幅中吊鉤走水平的要求，具有安裝簡單，自重輕，變幅速度變化較小等優點，但是小幅度時物品擺動幅度較大，臂架下部空間較小，另外由于采用滑輪組補償方式，增加了纏繞次數，會降低鋼絲繩的使用壽命。

而四連桿門座起重機采用組合四連桿結構來達到變幅中吊鉤走水平的要求，具有制造簡單，臂架下部空間較大，臂架抗疲勞能力較強，貨物擺動現象減輕，起升滑輪組對補償系統沒有影響等優點。其缺點是臂架結構復雜，小幅度時變幅速度變化較大，自重大，不太適用于較大起重量的門座起重機。

對于生產率要求較高，各個機構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，那么可能會更適合使用四連桿門座起重機。

而對于各個機構速度要求不高而更注重運行平穩的集裝箱裝卸用門座起重機或者起重量較大的造船安裝用門座起重機，使用單臂架門座起重機能更好滿足使用需求。