新型控制集裝箱吊具姿態調整保持設計方法

韓中成 楊小明 張浩星 王 偉

青島海西重機有限責任公司 青島 266530

0 引言

集裝箱吊具姿態調整是集裝箱裝卸效率提高的瓶頸[1]，直接影響裝卸過程中集裝箱對位的時間、操作舒適性和安全[2]。自動化輪胎起重機、軌道起重機的作業效率也較大程度取決于其吊具的水平回轉、小車方向平移和大車方向平移的姿態調整并在整個起升、下降過程中始終保持姿態不變的功能。當前，通過小車系統的鋼絲繩纏繞方式實現以上功能是設計的主要方向。在實際設計中，由于繞繩方式、集裝箱質量、起升高度、需求姿態的多樣化組合使得執行機構的動作控制起來十分復雜。本文詳細介紹一種可以充分綜合考慮以上所有因素得出執行機構控制方式的新設計方法。

1 原理說明

以如圖2所示為例，在4個方位布置4套輔助鋼絲繩卷筒，卷筒出繩后斜拉向吊具。當4個輔助鋼絲繩卷筒出繩按照一定的邏輯關系和長度變化，對于懸在空中的集裝箱吊具產生水平力，驅動集裝箱吊具在空中實現水平回轉、小車方向平移和大車方向平移的位置調整。各繩索達到力的平衡后，吊具保持穩定姿態。實際設計樣機存在左前輔助卷筒及鋼絲繩、左后輔助卷筒及鋼絲繩、右前輔助卷筒及鋼絲繩、右后輔助卷筒及鋼絲繩。圖2中X坐標為大車行走方向，Y坐標為小車行走方向，Z坐標方向為起升高度方向。左前、右前、左后、右后4個方位輔助卷筒收、放鋼絲繩與所實現的集裝箱動作邏輯關系如表1所示。

表1 輔助卷筒收、放繩動作與集裝箱動作邏輯關系

上述邏輯關系表明集裝箱吊具在某一固定高度可以實現位置調整，實際設備應用中還需要保證調整好的吊具姿態（即吊具水平回轉角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離）在整個起升、下降過程中保持不變。這就要求4個方位布置4套輔助鋼絲繩卷筒出繩的長度需要在集裝箱吊具上升、下降過程中根據集裝箱質量、起升高度、需求姿態做出不斷調整。

本文即解決考慮繞繩方式、集裝箱質量、需求姿態等因素，得出為保證集裝箱吊具起升、下降過程中需求姿態調整后保持不變，輔助鋼絲繩卷筒控制的一種新設計方法。

2 實現過程

1）根據繞繩方式參數化建立數字樣機；2）確定集裝箱吊具在整個起升、下降過程中需要達到并始終保持的姿態（水平回轉角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離）為計算目標；3）以集裝箱質量、起升高度、計算目標作為自變量，輔助卷筒鋼絲繩收放長度調整量作為因變量，計算并將所得數據匯總；4）匯總數據擬合出3次擬合方程；5）3次擬合方程，寫入輔助鋼絲繩卷筒的電機控制PLC程序，實現吊具姿態按預期調整后在整個起升、下降過程中姿態保持功能。

3 設計計算

3.1 建立模型

如圖1所示小車系統的結構及繞繩形式主要包括相互獨立同軸起升卷筒、輔助卷筒、起升鋼絲繩和輔助鋼絲繩。

圖1 小車系統的結構及繞繩形式

根據圖1參數化建立模型如圖2所示。為便于修改，模型建立時參數化變量如表2所示。

圖2 參數化建立模型示意

表2 模型建立所使用的參數化變量

3.2 確定計算目標（實現吊具姿態）

驅動輔助卷筒實現以下吊具姿態：吊具大車方向平移± 200 mm；吊具小車方向平移± 200 mm；吊具水平回轉± 5°。

3.3 運行計算

以吊具大車方向平移± 200 mm為例，在某一特定起升高度、特定集裝箱起重量計算模型下，得出吊具質心X大車方向位移曲線、輔助卷筒驅動及跟隨位移曲線、輔助卷筒驅動繩拉力載荷曲線如圖3所示，從而得出集裝箱吊具質心X向位移分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm時對應的輔助卷筒驅動、跟隨繩收放位移量及驅動繩拉力載荷數據。

圖3 某特定起升高度、起重量下的曲線圖

3.4 數據匯總

將不同的集裝箱質量、起升高度、計算目標作為自變量匯總到數據庫中，可以分別取0.25、0.5、0.75、1倍的變量數據進行組合。將計算出的輔助鋼絲繩收放長度調整量作為因變量。以40 000 kg吊重X向平移200 mm運動控制為例數據如表3所示。

表3 數據匯總舉例

3.5 數據擬合

對得出的所有數據進行參數擬合，以集裝箱質量、高度、調整量為自變量x、y、z，輔助卷筒鋼絲繩收放長度調整量為因變量，擬合考慮上述因素的近似方程。以X向位移200 mm為例擬合出的方程如表4所示，這里采用3次擬合方程

表4 X向位移200 mm擬合方程

同樣，以此方式可以得出吊具小車方向平移±200 mm及吊具水平回轉±5°的數據及擬合方程，在此不再列舉。

3.6 控制實施

將得到的大車方向平移、小車方向平移、吊具水平回轉的3次擬合方程，寫入輔助鋼絲繩卷筒的電機控制PLC程序。2個自變量為吊重、起升高度在設備運行過程中實時采集，1個自變量為控制姿態目的值，3個自變量輸入各擬合方程，得到因變量輔助卷筒鋼絲繩收放長度調整量。輔助鋼絲繩卷筒的變頻電機配置絕對值編碼器，通過程序準確控制鋼絲繩收放長度。

4 結論

1）參數化建立模型 將計算模型進行了參數化處理，在不同方案判斷時可以快速修改，以適應多方案的快速比選工作；

2）計算方法考慮多因素影響 主要考慮了起重量、起升高度、吊具姿態目標值等多項因素同時對控制輔助鋼絲繩收放長度需要調整量的綜合影響。并能模擬出鋼絲繩自身柔性的影響、集裝箱吊重懸垂狀態下的動力影響等；

3）可精確實現吊具姿態調整并保持 通過本方法擬合出的方程可精確實現水平回轉角度、小車方向平移距離和大車方向平移距離的快速調整，且調整后的姿態在集裝箱吊具起升、下降整個過程中保持不變；

4）數字樣機節約成本 算例為數字樣機，無需試驗等實體消耗，可以從理論上確認各方案的可行性和優劣程度，規避了預期目標無法實現的設計風險；

5）控制方程可直接用于電氣控制 擬合出的3次多項次方程可以編譯程序用于姿態控制，對變頻驅動電機的控制程序設計具有重要指導意義。

本控制集裝箱吊具姿態調整并保持的設計方法，可以多因素考慮、快速預先評判設計方案的可行性和優劣程度，為電氣精確控制程序設計提供了數據支持，為實現集裝箱吊具姿態調整、保持提供了一種新的設計思路。