岸邊集裝箱起重機(jī)前大梁頭部防扭裝置主參數(shù)分析

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）作業(yè)中吊載系統(tǒng)因慣性或風(fēng)的影響會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)并影響作業(yè)效率。防扭裝置可連續(xù)反向跟隨吊載系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)防扭作用。通過實(shí)踐，普通上架岸橋若有遠(yuǎn)程操作或自動(dòng)化要求時(shí)，應(yīng)在前大梁頭部增設(shè)一套單電動(dòng)推桿機(jī)構(gòu)作為防扭裝置。本文著重分析前大梁防扭裝置的功能特點(diǎn)和如何確定電動(dòng)推桿主參數(shù)，確保防扭效果不但好，性價(jià)比也高。

1 防扭裝置功能特點(diǎn)

防扭裝置的防扭角度范圍為0.5°～2°，由于慣性或風(fēng)作用而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)一般不會(huì)超過2°。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度小于0.5 時(shí)，可不配置防扭裝置。原因是40 ft集裝箱長12.192 m，扭轉(zhuǎn)角度在0.5 時(shí)的小車方向只偏離原位52 mm。目前不論是否為自動(dòng)化碼頭，碼頭前沿作業(yè)還需人工干預(yù)，故52 mm的偏離是可以克服的。另外，繩速為50 mm/s。繩速50 mm/s最早由ABB提出，也經(jīng)過調(diào)試實(shí)踐驗(yàn)證，一直沿用至今。

2 電動(dòng)推桿主參數(shù)定義

防扭裝置中的主要外購件為電動(dòng)推桿。經(jīng)過實(shí)踐，電動(dòng)推桿主參數(shù)范圍和每個(gè)主參數(shù)定義可見表1。

表1 電動(dòng)推桿主參數(shù)表

在表1中，參數(shù)均由岸橋制造商指定，其中額定推力F、行程L、最大靜態(tài)力F最大靜態(tài)對(duì)推桿選型影響較大。

3 電動(dòng)推桿主參數(shù)計(jì)算

防扭通過前大梁頭部電動(dòng)推桿調(diào)整吊載系統(tǒng)對(duì)角高低差實(shí)現(xiàn)，推桿額定推力F通過吊載系統(tǒng)每角鋼絲繩受力的差值并通過杠桿比得出，即

如圖1所示，其中FA、FB、FC、FD分別為鋼絲繩吊具下每角單根鋼絲繩受力值，載荷縱向橫向10%偏心工況下，可驗(yàn)證(FA-FD)+(FC-FB)＝0，即因杠桿作用鋼絲繩受力相互抵消，無需考慮偏心工況。

圖1 岸橋吊載系統(tǒng)受力分布示意圖

同理，推桿行程L通過吊載系統(tǒng)單角鋼絲繩變化量并通過三角形相似等比例定理得出；最大靜態(tài)力（F最大靜態(tài)）是當(dāng)?shù)踺d系統(tǒng)發(fā)生掛艙或最大回轉(zhuǎn)時(shí)，吊載系統(tǒng)每角單根鋼絲繩受力的差值并通過杠桿比得出，計(jì)算公式與額定推力F的類似。

表2列舉的數(shù)據(jù)是通過自主研發(fā)的計(jì)算程序?qū)?個(gè)項(xiàng)目的電動(dòng)推桿主參數(shù)計(jì)算結(jié)果，以及實(shí)際采購參數(shù)對(duì)比，并嘗試從中找出主參數(shù)確定規(guī)律。需要注意的是，鋼絲繩彈性模量統(tǒng)一按98 100 MPa計(jì)算。考慮到防扭只在軌上特定高度才會(huì)產(chǎn)生，起升鋼絲繩有效長度是指單根起升繩不放商檢及設(shè)計(jì)余量減去軌下起升高度，再減去兩端在卷筒上的壓繩圈、安全圈后的長度，最后除以2。

根據(jù)表2的理論計(jì)算結(jié)果和對(duì)比，有以下結(jié)論：

1）當(dāng)鋼絲繩下質(zhì)量相同時(shí)，推桿額定推力主要受上架滑輪開檔和小車架滑輪開檔影響。尤其以小車軌道方向小車架滑輪開檔影響最大，開檔1 800 mm時(shí)推桿額定推力會(huì)比2 000 mm時(shí)大。因此，電動(dòng)推桿額定推力理論計(jì)算基本小于6 t（基于375/660杠桿比）。例如LS+LL＝84 t的項(xiàng)目，若小車架滑輪開檔為2 000 mm，額定推力約5 t；若小車架滑輪開檔為1 800 mm，額定推力約6 t；上架采用液壓缸點(diǎn)動(dòng)的自動(dòng)化碼頭岸橋LS+LL＝87 t的項(xiàng)目，額定推力僅為6.1 t。

2）當(dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，推桿行程主要跟鋼絲繩彈性變形有關(guān)，即受鋼絲繩直徑、有效截面積和鋼絲繩有效長度影響。鋼絲繩直徑越小其有效長度越長，則推桿行程越大。由表2可知，對(duì)于軌距、起升高度和前伸距都超大的項(xiàng)目（如新加坡PSA），理論計(jì)算的推桿行程超過了260 mm，但考慮到表2計(jì)算都是基于額載65 t，實(shí)際操作額載大部分情況都是低于50 t，故推桿行程可統(tǒng)一規(guī)定L＝±260 mm。

表2 計(jì)算程序?qū)?個(gè)項(xiàng)目電動(dòng)推桿主參數(shù)的計(jì)算結(jié)果既實(shí)際采購參數(shù)對(duì)比

3）最大靜態(tài)力考慮單角掛艙或最大回轉(zhuǎn)角度受力的情況，取兩者中的最大值。對(duì)角掛艙工況因極少發(fā)生，可不考慮。以弗吉尼亞項(xiàng)目為例，掛艙發(fā)生時(shí)的推桿受力為13.3 t；最大回轉(zhuǎn)角度5 時(shí)的推桿受力為16.35 t。

所以，推桿最大靜態(tài)力 F最大靜態(tài)為16.35t。目前，常規(guī)LS+LL＝84 t的項(xiàng)目按最大靜態(tài)力30 t選取過于保守，取 F最大靜態(tài)＝ 20 t即可。

4 配套廠家參數(shù)注意事項(xiàng)

1）效率

電動(dòng)推桿無論采用渦輪蝸桿減速器或斜齒輪減速器，防扭裝置總效率約η＝0.8～0.9，效率對(duì)于電動(dòng)機(jī)功率有重大影響。

2）最大動(dòng)態(tài)允許推力

前述中只考慮了電動(dòng)推桿的靜態(tài)額定推力，而未考慮最大動(dòng)態(tài)允許推力。推桿電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有一定的過載系數(shù)(250%～300%)，且為變頻驅(qū)動(dòng)，所以啟動(dòng)時(shí)沒有問題。

3）電機(jī)功率

從表2中可以看出，電機(jī)功率一般不會(huì)超過7.5 kW，電機(jī)功率超過7.5 kW的項(xiàng)目需復(fù)核推桿主參數(shù)和計(jì)算是否準(zhǔn)確。根據(jù)推桿速度V＝80 mm/s，額定推力F＝6 t，效率η＝0.8，所以功率P＝FV/η＝5.88 kW。由此可知，功率一般低于6 kW，但配套廠家有時(shí)為了安全余量和備貨方便，電機(jī)功率一般為7.5 kW。

4）推桿最大靜態(tài)力

推桿的 F最大靜態(tài)主要依靠電機(jī)制動(dòng)器維持，如果F最大靜態(tài)偏大，會(huì)造成制動(dòng)器偏大，甚至?xí)绊戨姍C(jī)功率，原因是制動(dòng)器過大而電機(jī)過小會(huì)造成不匹配，故需合理確定F最大靜態(tài)。

5）推桿行程

配套廠家會(huì)在要求的推桿行程下自行留出一定余量。有些廠家甚至留出100 mm余量，主要考慮電控錯(cuò)誤設(shè)置的可能性，若是通過電機(jī)反制動(dòng)力矩而非制動(dòng)器直接剎車，制動(dòng)距離過長會(huì)拉壞絲桿。

5 對(duì)一些項(xiàng)目調(diào)試結(jié)果的分析判斷

1）ZP13-2016 AMPT 馬士基：調(diào)試報(bào)告顯示推桿力需要8 t以上。該項(xiàng)目推桿理論行程為 320 mm，與要求的 260 mm存在 60 mm差值，另外還有配套廠家的行程余量。調(diào)試中，將推桿推到極限位置，而非限位限定的位置，所以調(diào)試時(shí)推桿力必然增大，也是沒有必要的。 同時(shí)，該項(xiàng)目為分離上架，調(diào)試時(shí)雖僅采用主上架，但也有LS＝26 t，即使推桿行程正確，調(diào)試時(shí)額定推力也會(huì)比常規(guī)項(xiàng)目大。對(duì)于常規(guī)項(xiàng)目，額定推力約為6 t是合理的。

2）1002000254 新加坡PSA調(diào)試反饋，電動(dòng)推桿制動(dòng)器拉不住吊載系統(tǒng)，最大靜態(tài)力至少要30 t以上；無法通過推桿電機(jī)復(fù)位吊載系統(tǒng)。具體如下：

①在做后大梁傾轉(zhuǎn)液壓缸試驗(yàn)，前大梁防扭推桿當(dāng)時(shí)為未工作狀態(tài)，制動(dòng)器合閘；

②在試驗(yàn)到一定狀況下，防扭推桿制動(dòng)器剎不住，推桿被拉出。系統(tǒng)顯示轉(zhuǎn)角14°，繩荷載為30.2 t，此為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，瞬間動(dòng)態(tài)繩荷載會(huì)更大；

③制動(dòng)器達(dá)到極限值，推桿被拉動(dòng)，制動(dòng)片亦已被拉紅；

④在65 t荷載下，正常傾轉(zhuǎn)5°，動(dòng)作比較緩慢，此時(shí)載荷已顯示接近30 t，防扭制動(dòng)器正常，但推桿電機(jī)無法復(fù)位吊載系統(tǒng)。

根據(jù)以上調(diào)試數(shù)據(jù)，有觀點(diǎn)認(rèn)為無論動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)推桿受力已達(dá)到30 t以上，最大靜態(tài)保持力僅采用20 t會(huì)過低。經(jīng)調(diào)查無論動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)，約30 t的推桿受力概念理解錯(cuò)誤。此30 t是指吊具下單角的質(zhì)量，不考慮松繩端的受力，僅考慮30 t的對(duì)角受力，推桿最大靜態(tài)保持力F最大靜態(tài)＝18.44 t，20 t的最大靜態(tài)力是滿足的。另外，此時(shí)吊載系統(tǒng)偏角已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防扭所需的2 要求，此時(shí)光靠推桿電機(jī)無法復(fù)位吊載系統(tǒng)是合理的。

推桿拉不住的主要原因是：鋼絲繩制動(dòng)器被拉紅說明在超出正常作業(yè)工況下頻繁測(cè)試，制動(dòng)器溫度已大幅升高，摩擦系數(shù)大幅下降，剎不住是有可能的。制動(dòng)器沒有磨合好也是另外一個(gè)原因。

3）配套廠家反饋洋山四期在風(fēng)速比較大的情況下作業(yè)，實(shí)際推力比要求的大，經(jīng)調(diào)查，尚未出現(xiàn)上述問題。

6 結(jié)論

由上述分析可知，采用額定推力F＝6 t、推桿行程L＝±260 mm、F最大靜態(tài)＝20 t、功率P≤7.5 kW的電動(dòng)推桿可實(shí)現(xiàn)普通上架岸橋的防扭作用，同時(shí)也可杜絕配套件選型過大的問題，性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)效益顯著。