集裝箱起重機多功能起升系統設計

河南衛華重型機械股份有限公司 長垣 453400

0 引言

集裝箱起重機主要由起升系統、金屬結構、大車小車運行機構、吊具系統、電控系統等組成。其中起升系統是其主要工作系統，實現集裝箱裝卸的起升下降。隨著集裝箱起重機自動化程度的要求越來越嚴格，常規的起升系統很難適應自動化對精度和抗搖擺性的要求。為尋求提高集裝箱起重機的裝卸效率，起升系統設計圍繞提高效率的多種形式進行了探索：提高起升速度縮短起升下降時間；增加防搖擺控制系統，縮短搖擺時間；增加微動調節功能，縮短對箱時間。但能夠滿足自動化精確定位要求和快速防搖擺的起升系統并不多，特別是應用在自動化上的起升系統。若不能迅速抑制搖擺，將嚴重影響運行精度和對箱操作等待時間，大大降低效率。

目前能夠滿足自動化這種要求的起升系統，有8 繩機械防搖起升系統，如圖1 所示。該系統具備起升、防搖功能，再配微調裝置可實現回轉、雙向平移功能，能夠滿足自動化要求。但該系統倍率是1，8 根鋼絲繩承載都作用在卷筒上，防搖通過8 根鋼絲繩斜拉實現，起升機構傻大笨粗，鋼絲繩磨損大、壽命較短，維護保養不便。因此需要探索新的起升系統，滿足自動化的要求。

圖1 八繩機械防搖起升系統

1 起升系統的設計

多功能起升系統由起升機構，輔助機構，纏繞系統等組成，其中起升機構是實現載荷升降功能的機構，力求設計合理、布置巧妙。輔助機構為滿足自動化、非自動化要求，實現起升系統的多功能，整合升級了防搖系統。纏繞系統通過特殊纏繞方式，矢量變頻控制使起升機構、輔助機構、纏繞系統有機地結合起來，形成一種多功能起升系統，如圖2 所示。

圖2 多功能起升系統

起升機構由電機、減速器、制動器、聯軸器、卷筒、滑輪等組成。其卷筒設計較特殊，卷筒兩邊側布置起升鋼絲繩，內側布置輔助鋼絲繩，設計在同一個卷筒上，優點是同步性好，即使輔助機構出現問題，也不影響起升機構的正常工作。

輔助機構由三合一減速器電機，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，為實現多功能提供必要條件。

輔助機構設計中，當小車運行停止，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，進而擺動，這種現象可簡化成單擺。若要有效提高定位、對箱效率，必須盡快停止擺動，故防搖功能需求較大。

計算選型簡算示例：起重量41 t，吊架吊具重9.5 t，小車運行70 m/min，加減速時間4 s。由牛頓第二定律可計算，起升載荷慣性力F ＝ma ＝（41 ＋9.5）×1 000×（70÷60÷4）＝14 729.17 N。根據圖2 布置，每側有2 臺輔助機構，故均分到單臺上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，當起升高度較低時，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°進行選型計算。則輔助鋼絲繩拉力F0＝F1/cos75°＝28 454.6 N，根據GB/T 3811—2008《起重機設計規范》[2]計算選擇鋼絲繩直徑取φ16 mm，輔助機構卷筒直徑取φ280 mm。計算所需三合一減速電機功率為

式中：D0為輔助卷筒名義直徑，n 為電機轉速，i為減速器速比，η 為傳動效率。

取變頻電機功率P ＝4 kW。

纏繞系統由滑輪組、鋼絲繩等組成。為增強防搖效果同時減少擺動，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，便于輔助機構的控制操作，實現升降、傾轉、回轉、雙向平移、主動防搖多種功能。

2 起升機構多功能的實現

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

1）升降功能 通過控制電機驅動卷筒，收放鋼絲繩實現升級。為保證起升機構的同步性，兩套起升機構（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編碼器進行速度同步，實現兩起升機構的同步性。由于輔助機構鋼絲繩卷繞在主起升機構卷筒上的，故只要起升機構同步，則輔助機構也同步，此種工況輔助機構不動作。

2）傾轉功能 當需要傾轉時，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 個輔助機構不動，實現傾轉功能。在此過程中為防止過度傾轉，設有高度差值控制，不能大于設定值。

3）回轉功能 主要靠4 個輔助機構1～4 來實現，兩個主卷筒5 和6 不動。對角輔助機構1 和2 收緊鋼絲繩，另一對對角輔助機構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 個輔助機構1～4，兩個主卷筒5 和6 不動。輔助機構1 和3 鋼絲繩下放，右邊輔助機2 和4 收緊鋼絲繩，實現大車方向的平移。輔助機構1 和2 鋼絲繩縮放，后邊輔助機構3 和4 鋼絲繩收緊，實現小車方向的平移。

5）防搖功能 通過主鋼絲繩上的測量傳感器和吊具擺動的位置，反饋給控制中心，經過特殊模型計算變頻器輸出力矩給防搖電機，實現防搖控制。功能原理示意如圖4 所示。

圖4 防搖功能原理示意

3 多功能起升系統的調試

在系統投入使用前，需要進行調試，直至滿足設計功能和效果。通過多功能起升系統的控制程序，進行參數的設置，設置原則為起升下降時，4 輔助機構力矩控制值一致；在運行時，根據運行速度、加速度進行輔助機構的力矩控制設置，啟動時運行方向力矩大值，制動時運行方向力矩小值。初始值來源于建立的仿真模型，但由于實際起重機特性與理論仿真還有一定差距，則需要在調試過程中不斷地進行數值的調整，最終確定合理數值。

在調試過程通過不斷的運行測試，數值調整，最終確定合理數據。由于起重機是新設備，在運行磨合后，特性會有一定的變化，效果會有不確定性，有時會變得更好，有時會變弱。所以一般在使用3～5 個月時，還需要再次校調，確保效果。

4 功能測試結果

通過對已安裝交付的帶有該多功能的集裝箱起重機進行測量，通過上述控制實現小車方向平移±250 mm，大車方向平移±250 mm，水平回轉±5°，均需要輔助機構動作實現，如圖5 所示。

圖5 輔助機構動作實現平移、回轉

傾轉功能不需要輔助機構動作，只需控制起升機構即可實現。考慮到傾轉時會引起載荷重心的變化，一般均取±3°，該起升系統通過控制起升機構一升一降實現傾轉±3°功能。

當小車速度70 m/min，大車速度 50 m/min 時，防搖功能通過變頻模型化控制，在2.5 個循環后測得搖擺量≤±50 mm。這些數據來源于總起升高度是18.2 m，吊具底部離地面2 m 時測量數據。它小于目前國際上對集裝箱起重機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，小車以額定速度運行，制動停車后5 s 內，吊具的擺幅控制在±100 mm 以內。

5 應用前景

集裝箱起重機的平移、回轉、傾轉及防搖等多功能一直是困擾起重裝備智能化、自動化發展的難題。該起升系統具備的多種功能，均滿足市場、自動化的要求，具有自己的特點和優勢，完全可應用在手動半自動化自動化等多種場合中，功能多，效果好，效率高，應用前景范圍廣。

目前國內外均有應用，具備的平移、回轉、傾轉功能有利于對箱作業，提高作業效率，減輕手動操作者的疲勞強度，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量，提高了集裝箱裝卸的效率，平穩安全，避免了因集裝箱擺動量過大而發生碰撞等安全事故，使得擁有該技術的集裝箱起重機更加安全可靠。同時自動化控制技術的應用，也使其控制精度高、性能穩定、安全可靠、維護方便，大大提高了整機可監控性、穩定性、可靠性，是集裝箱起重機優異的起升系統。