一種移動式港口起重機起升系統

張建輝 馮小保 王余彬 馮 彬

南通潤邦重機有限公司

1 引言

移動式港口起重機(以下簡稱MHC)是一種工作級別很高的港口起重機，可配備吊鉤、集裝箱吊具和抓斗，裝卸件雜貨物、集裝箱和散料。

MHC回轉機構以上為塔式結構，臂架為桁架形式，該結構形式的優點是重量輕，缺點是剛度不佳。較高的工作級別要求較高的工作速度，這導致MHC的起升動載系數較高、沖擊較大，不佳的剛度會導致機器工作時晃動。通過分析總結，主要存在3個方面的問題：工作級別高，起升速度快，導致動載系數較大；起升機構不同步導致鋼絲繩拉力不同，存在安全隱患；吊鉤上的三角板在起升機構同步性較大時不起作用。因此，降低起升動載系數，對于提升整機的穩定性、延長疲勞壽命和降低整機自重都具有重要意義。

2 解決方案

2.1 工作機理分析

MHC具有2套獨立的起升機構，其鋼絲繩纏繞見圖1～圖3。在使用抓斗作業時，卷筒獨立旋轉時可實現抓斗的開閉，同步旋轉時可實現抓斗的升降。但由于不可能完全同步，導致鋼絲繩長短不等、松緊不一、受力大小不均，進而導致抓斗關不緊，造成灑料，受力較大的鋼絲繩還存在超載隱患。

圖4是MHC吊鉤，其上部兩端設計了2塊倒置的三角板，與圖1中的鋼絲繩一一對應。該方式可以在2組起升機構不同步時通過三角板的旋轉保證鋼絲繩繃緊，但并不能使鋼絲繩的拉力相等，且由于三角板較小，能吸收掉的鋼絲繩長度差非常有限，因此三角板并不能徹底解決鋼絲繩拉力不同的問題。

圖1 MHC鋼絲繩纏繞圖

2.2 對策與措施

2.2.1 總體思路

為了解決這3個問題，設計了一個能夠保證鋼絲繩拉力始終相同、對鋼絲繩長度差包容較大且能夠降低起升沖擊的系統。系統原理圖見圖5，包括2個高壓空氣蓄能器、4個油缸、2個節流閥、1個開閉閥、4個滑輪(對應圖1、圖2、圖3中的4個滑輪，安裝在塔架頂部前方)和液壓管路。4個油缸分別安裝在圖2、圖3中的4個滑輪位置，原來的4個滑輪分別安裝在4個油缸的端部。

圖2 MHC鋼絲繩纏繞三維圖

圖3 MHC塔架頂部滑輪

圖4 吊鉤

圖5 新型系統原理圖

該系統使用氣體作為彈性介質，其剛度隨著壓力的增加而增加，可以使系統在較大的壓力范圍內具有差別不大的壓縮量，使起重機在較大的起重量范圍內都具有良好的彈性，有效降低起升動載系數。

2.2.2 吊鉤工況分析

開閉閥打開，系統內所有油缸和蓄能器內的液壓油互相聯通，平衡后壓力處處相等。在吊重突然離地時，鋼絲繩受力繃緊，油缸受到鋼絲繩的拉力，油缸內的液壓油受壓后通過2個節流閥分別流入2個蓄能器，蓄能器內的高壓氣體被壓縮，由于氣體是彈性介質，可起到緩沖作用，減小動載系數，而液壓油在流過節流閥時，節流作用對系統的震動起到阻尼作用，消耗吊重的震動能量，使吊重較快穩定。如果2個卷筒的轉動存在差異，導致繩1、繩4的長度和繩2、繩3的長度不一致，由于液壓油是互相聯通的，受力大的油缸會自動將其內部的液壓油壓送到受力較小的油缸內，最終實現4根油缸的拉力在靜止狀態時始終相同，即4根鋼絲繩的拉力相同，進而使吊鉤受力始終保持平衡，實現自動平衡和自動水平。同理，鋼絲繩在安裝時存在的原始長度差也會自動抵消，因此對鋼絲繩的安裝精度要求大大降低了，可以極大減少或避免鋼絲繩纏繞系統的調試工作量。

2.2.3 抓斗工況分析

抓料時，保持開閉閥關閉，蓄能器1、油缸1和油缸4形成獨立的系統，蓄能器2、油缸2和油缸3形成獨立的系統，此時開閉卷筒開始收繩，關閉抓斗，將料抓入斗內；抓料完成后打開開閉閥，使所有液壓油聯通，兩卷筒同步收繩，抓斗起升，此時本系統發揮的作用與吊鉤工況相同，可保證在起升過程中4根鋼絲繩的拉力相同，始終以四分之一的總拉力繃緊，保證安全，避免鋼絲繩的松弛或超載。在需要打開料斗卸料時，再關閉開閉閥，隨后開閉卷筒開始放繩，打開抓斗進行卸料即可。

3 動力學仿真

3.1 仿真模型

根據GB/T3811[1]，起重機的起升動載系數計算如下：

Φ2=Φ2min+β2υq

式中，Φ2為起升動載系數；Φ2min為與起升狀態級別對應的起升動載系數的最小值；β2為按照起升狀態級別設定的系數；υq為起升速度。

起升狀態級別和Φ2min、β2的對應關系見表1。

表1 GB/T3811和EN 13001[2]中起升狀態級別

注：EN-13001中所列數字為起升額定載荷時吊重的位移量，包括結構和鋼絲繩系統的變形疊加。

為了說明該系統的有效性，以一款現有的最大幅度起重量32 t的機型為仿真對象，仿真未加入該系統時的動載系數，然后再加入該系統，采用控制變量法，保持起升重量32 t、起升速度1 m/s、蓄能器等不變，僅改變節流閥的開口直徑，找出最優的節流閥開口尺寸。建立的動力學仿真模型見圖6。

圖6 動力學仿真模型

通過結構靜力學計算，原機器的滿載變形量為289 mm(結構變形+鋼絲繩變形)，屬于HC3級別。加入該系統后，以HC1的800 mm總變形量為目標，按照300 K的溫度、預壓4 MPa、預壓氣注292 mm，選擇合適的蓄能器和油缸。

3.2 結果分析

根據規范計算，未采用該系統的起升動載系數為：1.15+0.51×1=1.66；采用該系統的起升動載系數為：1.05+0.17×1=1.22；未采用該系統時仿真出的動載系數為1.546；采用該系統時，僅改變節流閥開口尺寸仿真出的動載系數見表2。

表2 仿真動載系數

從以上計算和仿真結果可知：

(1)根據規范中的公式計算，采用該系統后動載系數降低了26.5%。

(2)通過動力學仿真，采用該系統后動載系數最高降低了25.4%。

(3)在實際結構計算中，是按照規范計算動載系數的，而采用該系統仿真出的動載系數，比不采用該系統且按照規范計算出的動載系數最高降低了30.5%。

綜上，無論是按照規范計算還是動力學仿真，采用該系統都可以十分明顯地降低起升動載系數，這對整機的輕量化設計是非常有利的。

4 結語

該系統可以有效解決目前MHC起升系統存在的3個主要問題，能夠始終保持鋼絲繩拉力相等，不會出現松弛或過載，保持吊鉤的自動水平和自動平衡；在起升過程中可以明顯地降低起升動載系數，對整機的輕量化設計具有非常大的幫助；且較低的動載系數也將明顯改善起升沖擊造成的機器晃動，改善司機的工作體驗。