齒輪互鎖防搖雙起升小車的設計及在輪胎式龍門起重機上的應用

李 偉 陳 飛 朱文昌

1 南通振華重型裝備制造有限公司南通分公司 2 南通大學機械工程學院

1 引言

傳統的輪胎式龍門起重機(以下簡稱RTG)小車有單卷筒八繩小車(老八繩)、四繩小車等形式，在實際裝卸過程中這些傳統小車使用效果不盡人意。四繩小車功能簡單且防搖效果不佳[1-2]；擁有較好防搖效果的傳統單卷筒八繩小車自重較大、能耗高，功能較四繩小車相比并未有較大的突破，雖目前被廣泛使用，但其性能卻不能達到企業的期望值。

為提高小車的防搖效果及功能，國內對其結構性能進行了很多研究。唐凡[3]對八繩小車系統中“倒三角型”與“正三角型”結構進行分析仿真并指出其優缺點，提供了理論指導；謝錫聰等[4]設計出新型全功能小車，將傳統單卷筒起升改為雙卷筒起升并且引入了4個輔助鋼絲繩來對防搖繩力矩進行補償,小車不但自重輕、防搖性能好，而且可實現旋轉平移功能，但輔助卷筒上的鋼絲繩力矩大小難以控制；曹儀明等[5]打破了起升小車中單筒的設計模式，采用8套獨立工作的纏繞系統，提高了小車防搖性、控制精度與吊具的自動化水平，但也提高了小車的安裝復雜度及制造成本。為提高小車的防搖性能，不僅僅對于小車的機械結構進行改造，并且在小車的控制方面也做出很多研究，王廈[6]將小車的運動建立一個閉環模型，利用改進模糊理論的防搖控制方法，消除小車的搖動；高圓圓等[7]設計了一種模糊控制與變結構自適應PID控制相結合的控制方法；常維新等[8]引入Input-Shape技術對小車加速信號進行監測反饋給小車控制電機的運行；付主木等[9]提出一種以事件驅動為切換規則的多模型參考切換雙閉環防搖控制算法。此類方法均可通過計算機仿真驗證方法的有效性，解決小車搖動的問題，提高小車的性能，但在實際的裝卸過程中使用結果卻并不理想[10]。

為此通過建立小車與集裝箱運動的力學模型并分析小車搖晃原因，對小車機械結構進行創新，研發出一款齒輪互鎖防搖的雙起升小車，并運用在RTG中，成功克服了傳統小車的所存在的問題，提高了RTG的性能，滿足了自動化堆場的使用要求。

2 小車吊重力學模型分析

RTG小車在實際作業中受到外界風力、小車速度波動等因素影響，造成小車吊重發生搖晃，對小車精準度造成干擾，降低了工作效率，同時降低了鋼絲繩的使用壽命，甚至對RTG造成損壞，存在安全隱患。因此小車的防搖性是一個重要的指標，為提高此指標，針對小車的實際工況分別建立小車-吊重豎直起升力學模型與小車-吊重水平運動偏擺力學模型進行分析。

2.1 小車-吊重豎直起升力學模型

在起升作業中，小車利用鋼絲繩繞過上架上的滑輪帶動吊重起升。由于起升加速度很小可忽略不計，可看作勻速直線運動，鋼絲繩視為剛體并在空間中對稱分布。為簡化模型將小車及吊重空間受力問題轉換為二維平面，根據牛頓力學，建立如圖1所示的力學模型。此模型由鋼絲繩、載重、上架構成。其中F1、F2為簡化后的作用在上架上鋼絲繩的拉力，大小相等且與豎直方向的夾角θ相等；M為載重質量；m為剛架質量，忽略鋼繩的質量；F3、F4是作用在吊具上的一對作用力；g為重力加速度。設所有力均作用在質心。

圖1 小車-吊重起升力學模型圖

即可得到力學方程：

(1)

通過化簡得：

(2)

由公式可知，鋼絲繩的力可分解在水平與豎直方向上，水平方向的平衡力可提高小車的穩定性。鋼絲繩拉力隨著偏角θ增大而增大，故在設計中要對小車鋼絲繩的纏繞方式進行優化，在滿足小車起升高度和穩定性的前提下，減小鋼絲繩偏角來降低扭轉力矩。

2.2 小車-吊重水平運動單擺力學模型

圖2 小車-吊重水平運動單擺力學模型

小車受力分析：

(3)

吊重水平方向力學分析：

(4)

將式(3)化簡并且帶入式(4)中得：

(5)

吊重垂直方向力學分析：

(6)

由于此模型中鋼絲繩視為剛體，且偏轉角度θ僅在水平運動的啟停階段才會發生較小變化[12]，則：

(7)

(8)

最終模型為：

(9)

根據最終模型可知在任意時刻t，此系統有：

(10)

由式(10)可知此系統穩定性與小車的運動速度、偏擺角度有關，故在設計中應該盡量避免運動中產生偏角，在保證小車最大的穩定性的狀態下提高小車的水平運動速度。

3 小車機械結構設計

通過建立小車與吊重的力學模型，分析影響小車穩定性的因素。對小車起升系統的機械結構進行創新設計，在防搖性得到保障的前提下，使得小車的作業性能大大提升。新型小車的結構設計采用類似全功能小車的雙起升卷筒形式，配合8根鋼絲繩“正三角型”的纏繞方式，可實現左右傾轉，且小車防搖效果良好、控制方式簡單(見圖3)。上架和吊具之間通過鏈條和電動推桿聯接，通過控制推桿的動作，可以實現吊具的左右平移、前后平移、回轉等微動動作。位于上架上的2組滑輪通過開式齒輪互鎖，使小車防搖效果大大加強。

1.起升卷筒 2.鋼絲繩 3.鎖具螺旋扣 4.滑輪 5.推桿 6.鏈條圖3 雙起升小車結構布置圖

3.1 小車起升系統設計

圖4 雙起升八繩小車纏繞系統設計圖

小車的起升纏繞系統由起升卷筒、鋼絲繩、鎖具螺旋扣、滑輪、上架與推桿組成(見圖4)。雙卷筒起升結構，每個卷筒上設置4段繩槽，2個卷筒共8段繩槽用以存儲鋼絲繩。鋼絲繩一端固定于卷筒之上，另一端豎直向下穿過吊具上架上的滑輪，通過鎖具螺旋扣斜拉固定于小車結構上。其中4根鋼絲繩沿著小車方向斜拉，另外4根鋼絲繩沿著大車方向斜拉，鋼絲繩與小車架結構間形成形狀一致的三角形。上架與吊具之間通過3根推桿進行控制。此起升纏繞系統有以下優點。

(1)小車功能得到提升，可分別控制2個卷筒的升降動作，實現吊具的左右傾轉功能；吊具和上架之間設置有3根推桿，通過控制3根推桿的動作，可以實現吊具的回轉、前后平移、左右平移等功能，使得小車姿態調整精度得以提高。微動控制原理簡單，特別適用于自動化起重機上的使用。

(2)在保障防搖性的前提下，小車自重減輕。小車架表面僅需布置2套起升機構，采用“正三角型”纏繞方式，充分利用了三角形力學穩定的特點，不需其他任何防搖或輔控制機構，在保障小車穩定性的前提下有效降低小車的自重及能耗，最終設計出的小車重量控制在28 t之內，相比老八繩小車減重20%。

(3)零部件通用性得到提高。小車設計中所用的8根鋼絲繩、2套起升機構、8個滑輪各自的規格完全一致，可減少配套件的型號選擇和備件庫存要求，提高了零部件的通用性。

(4)安裝、維護更加便捷。2套起升機構分別布置于小車架左右兩端，小車結構受力好、布置簡單、維護方便；8根鋼絲繩的固定點一端用壓繩板固定于卷筒上，另外一端通過鎖具螺旋扣固定于小車架上，所有固定點均有平臺可安全抵達，換繩、檢修方便；通過調節鎖具螺旋扣，可以方便地調整8根鋼絲繩的長度及吊具水平，對鋼絲繩的初始長度及穿繩要求不高，降低整體安裝調試難度。

3.2 雙起升小車互鎖防搖裝置設計

根據小車的垂直起升及水平運動過程中的力學模型，為消除小車運動過程中產生的偏角，設計了齒輪互鎖防搖裝置(見圖5、6)。此裝置由2對帶齒輪的滑輪及嚙合的齒輪組成，利用齒輪傳動精度高、工作可靠等優點，解決了小車防搖過程中擺動衰減慢的技術難題。此設計可抑制偏角產生，提升小車的防搖效果。

1.帶齒輪的滑輪1 2.齒輪1 3.齒輪2 4.帶齒輪的滑輪2圖5 上架起升狀態滑輪轉向示意圖

圖6 上架晃動狀態滑輪轉向示意圖

在吊具上架起升過程中，卷筒通過鋼絲繩控制2個滑輪轉動方向相反，如圖5中實心箭頭所示，2個滑輪轉向相反，齒輪嚙合方向相同，可提高上架在其升過程中的平穩性。當上架進行水平運動，擺動發生時，沿擺動方向的兩個滑輪同向轉動，如圖6中的空心箭頭所示，擺動過程中滑輪同向轉動的趨勢與由齒輪傳動引起的異向轉動趨勢抵消，保證了擺動過程中滑輪處于穩定不轉動狀態，鋼絲繩與滑輪繩槽之間的摩擦力將鋼絲繩與上架的連接變成了“固定點”。利用此開式齒鎖緊滑輪，抑制了水平運動中偏角的產生，使得小車防搖效果大大提高。

4 雙起升小車布置結構優化

在對小車結構進行設計之后，為提高小車性能，降低制造、安裝及維護成本，對小車布局進行以下的優化設計。

(1)利用卷筒中段的光面筒體部分布置起升低速制動器，節省了小車表面的布置空間；由于卷筒體中段角變形最小，大大降低了低速制動器的安裝、調整難度，降低了制動盤磨損的風險，有利于制動器的后期正常工作。

(2)小車驅動軸承座采用新形式，單側固定螺栓數量由常規的6個改為4個，降低安裝強度；偏心軸套調整距離由1 mm改為2 mm，降低后期調整難度。

(3)將牽引架做成桁架形式，電纜直接利用桁架作為電纜槽，方便電纜固定，且不額外占用空間，簡潔美觀。

(4)高壓房和高壓電纜卷盤布置于支腿內側同一平臺上，變壓器高低壓接線端子位于同側，減小了高壓房的寬度；利用高壓房的入口門作為高壓柜模塊小車的推拉空間，減小了高壓房的長度；高壓電纜卷盤置于高壓房旁，從卷盤至房體的高壓電纜長度大大縮短。

5 應用效果

2019年初此雙起升小車的研發、制造、調試已經完成，雙起升小車與國內當前同種技術小車的技術參數對比見表1。

表1 各類型小車技術參數對比

通過如上技術參數的比較，雙起升八繩系統小車具有功能強大、自重輕、控制簡單等優勢，制造成本低，具有推廣價值。目前，此技術已運用于PSA意大利VTE碼頭的21臺RTG，起升高度可達18.2 m，滿足用戶的使用要求。

6 結語

針對傳統RTG小車的缺點，提出了一種新型小車設計方案。采用雙起升卷筒、“正三角型”纏繞方式。吊具和上架之間設置電動推桿，使其具有回轉、傾轉、前后平移、左右平移等功能，控制簡單，能滿足自動化堆場的使用要求。設計了齒輪互鎖裝置對水平運動中的搖晃進行抑制，增強了小車的防搖性，并對對小車布置結構進行優化，保障功能的前提下減小了體積，節約成本。

雙起升八繩卷筒小車已成功應用于RTG中。通過與傳統小車技術參數進行對比及PSA意大利VTE碼頭的良好反饋，驗證了雙起升八繩小車在RTG中應用的可行性及此類型RTG性能的優越性。