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(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

傳統(tǒng)的輪胎式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱RTG)小車有單卷筒八繩小車(老八繩)、四繩小車等形式，在實(shí)際裝卸過程中這些傳統(tǒng)小車使用效果不盡人意。四繩小車功能簡(jiǎn)單且防搖效果不佳[1-2]；擁有較好防搖效果的傳統(tǒng)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(dá)到企業(yè)的期望值。

為提高小車的防搖效果及功能，國(guó)內(nèi)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了很多研究。唐凡[3]對(duì)八繩小車系統(tǒng)中“倒三角型”與“正三角型”結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析仿真并指出其優(yōu)缺點(diǎn)，提供了理論指導(dǎo)；謝錫聰?shù)萚4]設(shè)計(jì)出新型全功能小車，將傳統(tǒng)單卷筒起升改為雙卷筒起升并且引入了4個(gè)輔助鋼絲繩來對(duì)防搖繩力矩進(jìn)行補(bǔ)償,小車不但自重輕、防搖性能好，而且可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)模式，采用8套獨(dú)立工作的纏繞系統(tǒng)，提高了小車防搖性、控制精度與吊具的自動(dòng)化水平，但也提高了小車的安裝復(fù)雜度及制造成本。為提高小車的防搖性能，不僅僅對(duì)于小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)動(dòng)建立一個(gè)閉環(huán)模型，利用改進(jìn)模糊理論的防搖控制方法，消除小車的搖動(dòng)；高圓圓等[7]設(shè)計(jì)了一種模糊控制與變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)PID控制相結(jié)合的控制方法；常維新等[8]引入Input-Shape技術(shù)對(duì)小車加速信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)反饋給小車控制電機(jī)的運(yùn)行；付主木等[9]提出一種以事件驅(qū)動(dòng)為切換規(guī)則的多模型參考切換雙閉環(huán)防搖控制算法。此類方法均可通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證方法的有效性，解決小車搖動(dòng)的問題，提高小車的性能，但在實(shí)際的裝卸過程中使用結(jié)果卻并不理想[10]。

為此通過建立小車與集裝箱運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型并分析小車搖晃原因，對(duì)小車機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，研發(fā)出一款齒輪互鎖防搖的雙起升小車，并運(yùn)用在RTG中，成功克服了傳統(tǒng)小車的所存在的問題，提高了RTG的性能，滿足了自動(dòng)化堆場(chǎng)的使用要求。

2 小車吊重力學(xué)模型分析

RTG小車在實(shí)際作業(yè)中受到外界風(fēng)力、小車速度波動(dòng)等因素影響，造成小車吊重發(fā)生搖晃，對(duì)小車精準(zhǔn)度造成干擾，降低了工作效率，同時(shí)降低了鋼絲繩的使用壽命，甚至對(duì)RTG造成損壞，存在安全隱患。因此小車的防搖性是一個(gè)重要的指標(biāo)，為提高此指標(biāo)，針對(duì)小車的實(shí)際工況分別建立小車-吊重豎直起升力學(xué)模型與小車-吊重水平運(yùn)動(dòng)偏擺力學(xué)模型進(jìn)行分析。

2.1 小車-吊重豎直起升力學(xué)模型

在起升作業(yè)中，小車?yán)娩摻z繩繞過上架上的滑輪帶動(dòng)吊重起升。由于起升加速度很小可忽略不計(jì)，可看作勻速直線運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩視為剛體并在空間中對(duì)稱分布。為簡(jiǎn)化模型將小車及吊重空間受力問題轉(zhuǎn)換為二維平面，根據(jù)牛頓力學(xué)，建立如圖1所示的力學(xué)模型。此模型由鋼絲繩、載重、上架構(gòu)成。其中F1、F2為簡(jiǎn)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(zhì)量；m為剛架質(zhì)量，忽略鋼繩的質(zhì)量；F3、F4是作用在吊具上的一對(duì)作用力；g為重力加速度。設(shè)所有力均作用在質(zhì)心。

圖1 小車-吊重起升力學(xué)模型圖

即可得到力學(xué)方程：

(1)

通過化簡(jiǎn)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(wěn)定性。鋼絲繩拉力隨著偏角θ增大而增大，故在設(shè)計(jì)中要對(duì)小車鋼絲繩的纏繞方式進(jìn)行優(yōu)化，在滿足小車起升高度和穩(wěn)定性的前提下，減小鋼絲繩偏角來降低扭轉(zhuǎn)力矩。

2.2 小車-吊重水平運(yùn)動(dòng)單擺力學(xué)模型

圖2 小車-吊重水平運(yùn)動(dòng)單擺力學(xué)模型

小車受力分析：

(3)

吊重水平方向力學(xué)分析：

(4)

將式(3)化簡(jiǎn)并且?guī)胧?4)中得：

(5)

吊重垂直方向力學(xué)分析：

(6)

由于此模型中鋼絲繩視為剛體，且偏轉(zhuǎn)角度θ僅在水平運(yùn)動(dòng)的啟停階段才會(huì)發(fā)生較小變化[12]，則：

(7)

(8)

最終模型為：

(9)

根據(jù)最終模型可知在任意時(shí)刻t，此系統(tǒng)有：

(10)

由式(10)可知此系統(tǒng)穩(wěn)定性與小車的運(yùn)動(dòng)速度、偏擺角度有關(guān)，故在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生偏角，在保證小車最大的穩(wěn)定性的狀態(tài)下提高小車的水平運(yùn)動(dòng)速度。

3 小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過建立小車與吊重的力學(xué)模型，分析影響小車穩(wěn)定性的因素。對(duì)小車起升系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在防搖性得到保障的前提下，使得小車的作業(yè)性能大大提升。新型小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)左右傾轉(zhuǎn)，且小車防搖效果良好、控制方式簡(jiǎn)單(見圖3)。上架和吊具之間通過鏈條和電動(dòng)推桿聯(lián)接，通過控制推桿的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)吊具的左右平移、前后平移、回轉(zhuǎn)等微動(dòng)動(dòng)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(qiáng)。

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(jié)構(gòu)布置圖

3.1 小車起升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 雙起升八繩小車?yán)p繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

小車的起升纏繞系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，每個(gè)卷筒上設(shè)置4段繩槽，2個(gè)卷筒共8段繩槽用以存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行控制。此起升纏繞系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)小車功能得到提升，可分別控制2個(gè)卷筒的升降動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)吊具的左右傾轉(zhuǎn)功能；吊具和上架之間設(shè)置有3根推桿，通過控制3根推桿的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)吊具的回轉(zhuǎn)、前后平移、左右平移等功能，使得小車姿態(tài)調(diào)整精度得以提高。微動(dòng)控制原理簡(jiǎn)單，特別適用于自動(dòng)化起重機(jī)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(jī)構(gòu)，采用“正三角型”纏繞方式，充分利用了三角形力學(xué)穩(wěn)定的特點(diǎn)，不需其他任何防搖或輔控制機(jī)構(gòu)，在保障小車穩(wěn)定性的前提下有效降低小車的自重及能耗，最終設(shè)計(jì)出的小車重量控制在28 t之內(nèi)，相比老八繩小車減重20%。

(3)零部件通用性得到提高。小車設(shè)計(jì)中所用的8根鋼絲繩、2套起升機(jī)構(gòu)、8個(gè)滑輪各自的規(guī)格完全一致，可減少配套件的型號(hào)選擇和備件庫存要求，提高了零部件的通用性。

(4)安裝、維護(hù)更加便捷。2套起升機(jī)構(gòu)分別布置于小車架左右兩端，小車結(jié)構(gòu)受力好、布置簡(jiǎn)單、維護(hù)方便；8根鋼絲繩的固定點(diǎn)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(diǎn)均有平臺(tái)可安全抵達(dá)，換繩、檢修方便；通過調(diào)節(jié)鎖具螺旋扣，可以方便地調(diào)整8根鋼絲繩的長(zhǎng)度及吊具水平，對(duì)鋼絲繩的初始長(zhǎng)度及穿繩要求不高，降低整體安裝調(diào)試難度。

3.2 雙起升小車互鎖防搖裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)小車的垂直起升及水平運(yùn)動(dòng)過程中的力學(xué)模型，為消除小車運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的偏角，設(shè)計(jì)了齒輪互鎖防搖裝置(見圖5、6)。此裝置由2對(duì)帶齒輪的滑輪及嚙合的齒輪組成，利用齒輪傳動(dòng)精度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，解決了小車防搖過程中擺動(dòng)衰減慢的技術(shù)難題。此設(shè)計(jì)可抑制偏角產(chǎn)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(tài)滑輪轉(zhuǎn)向示意圖

圖6 上架晃動(dòng)狀態(tài)滑輪轉(zhuǎn)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(gè)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，如圖5中實(shí)心箭頭所示，2個(gè)滑輪轉(zhuǎn)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(wěn)性。當(dāng)上架進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)發(fā)生時(shí)，沿?cái)[動(dòng)方向的兩個(gè)滑輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6中的空心箭頭所示，擺動(dòng)過程中滑輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)與由齒輪傳動(dòng)引起的異向轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)抵消，保證了擺動(dòng)過程中滑輪處于穩(wěn)定不轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，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(diǎn)”。利用此開式齒鎖緊滑輪，抑制了水平運(yùn)動(dòng)中偏角的產(chǎn)生，使得小車防搖效果大大提高。

4 雙起升小車布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對(duì)小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，為提高小車性能，降低制造、安裝及維護(hù)成本，對(duì)小車布局進(jìn)行以下的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)利用卷筒中段的光面筒體部分布置起升低速制動(dòng)器，節(jié)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(dòng)器的安裝、調(diào)整難度，降低了制動(dòng)盤磨損的風(fēng)險(xiǎn)，有利于制動(dòng)器的后期正常工作。

(2)小車驅(qū)動(dòng)軸承座采用新形式，單側(cè)固定螺栓數(shù)量由常規(guī)的6個(gè)改為4個(gè)，降低安裝強(qiáng)度；偏心軸套調(diào)整距離由1 mm改為2 mm，降低后期調(diào)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(jiǎn)潔美觀。

(4)高壓房和高壓電纜卷盤布置于支腿內(nèi)側(cè)同一平臺(tái)上，變壓器高低壓接線端子位于同側(cè)，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(zhǎng)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(zhǎng)度大大縮短。

5 應(yīng)用效果

2019年初此雙起升小車的研發(fā)、制造、調(diào)試已經(jīng)完成，雙起升小車與國(guó)內(nèi)當(dāng)前同種技術(shù)小車的技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 各類型小車技術(shù)參數(shù)對(duì)比

通過如上技術(shù)參數(shù)的比較，雙起升八繩系統(tǒng)小車具有功能強(qiáng)大、自重輕、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，制造成本低，具有推廣價(jià)值。目前，此技術(shù)已運(yùn)用于PSA意大利VTE碼頭的21臺(tái)RTG，起升高度可達(dá)18.2 m，滿足用戶的使用要求。

6 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)RTG小車的缺點(diǎn)，提出了一種新型小車設(shè)計(jì)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(shè)置電動(dòng)推桿，使其具有回轉(zhuǎn)、傾轉(zhuǎn)、前后平移、左右平移等功能，控制簡(jiǎn)單，能滿足自動(dòng)化堆場(chǎng)的使用要求。設(shè)計(jì)了齒輪互鎖裝置對(duì)水平運(yùn)動(dòng)中的搖晃進(jìn)行抑制，增強(qiáng)了小車的防搖性，并對(duì)對(duì)小車布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保障功能的前提下減小了體積，節(jié)約成本。

雙起升八繩卷筒小車已成功應(yīng)用于RTG中。通過與傳統(tǒng)小車技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比及PSA意大利VTE碼頭的良好反饋，驗(yàn)證了雙起升八繩小車在RTG中應(yīng)用的可行性及此類型RTG性能的優(yōu)越性。