環(huán)球起重技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司 上海 200135

0 引言

隨著集裝箱運(yùn)輸船的大型化，岸邊集裝箱橋式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）高度隨之增高，前伸距也在向外延伸，使司機(jī)操作視線受限，加大操作難度。岸橋在作業(yè)過程中，由于操作不當(dāng)或作業(yè)條件影響，例如波浪、船傾斜、船體結(jié)構(gòu)損壞、集裝箱位置偏差等，吊具在空載或者吊載起升過程中，易發(fā)生吊具上架、吊具或集裝箱掛住船艙或相鄰的集裝箱，導(dǎo)致鋼絲繩力迅速增加、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定值的情況。由于載荷迅速增大，結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)產(chǎn)生巨大應(yīng)力，若不加以保護(hù)，會(huì)對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，故岸橋應(yīng)配備掛艙保護(hù)系統(tǒng)。

掛艙保護(hù)系統(tǒng)的功能是在檢測(cè)到掛艙發(fā)生時(shí)系統(tǒng)可快速動(dòng)作，利用制動(dòng)器使機(jī)構(gòu)快速停止，或同時(shí)采取其他手段，如液壓缸回縮、聯(lián)軸器脫開等，阻止鋼絲繩力進(jìn)一步增加，從而保護(hù)岸橋的整機(jī)的安全。文中通過分析在起升階段掛艙過程中鋼絲繩的受力變化，優(yōu)化掛艙保護(hù)程序閾值，利用已有的質(zhì)量傳感器系統(tǒng)及主程序控制系統(tǒng)，增設(shè)邏輯保護(hù)程序，實(shí)現(xiàn)掛艙保護(hù)的目的。

1 各系統(tǒng)簡(jiǎn)介及優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 液壓掛艙保護(hù)系統(tǒng)

液壓掛艙保護(hù)系統(tǒng)利用岸橋尾部的4個(gè)液壓缸來實(shí)現(xiàn)掛艙保護(hù)功能，如圖1所示。鋼絲繩拉力通過杠桿作用在液壓缸上，故鋼絲繩拉力與液壓系統(tǒng)的壓力有對(duì)應(yīng)關(guān)系。該系統(tǒng)通過壓力繼電器檢測(cè)液壓系統(tǒng)壓力。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)壓力達(dá)到掛艙設(shè)定壓力值時(shí)，發(fā)出掛艙信號(hào)給主系統(tǒng)，主系統(tǒng)令驅(qū)動(dòng)斷電或增加反力矩。反力矩是否施加取決于具體控制系統(tǒng)情況。同時(shí)，制動(dòng)器閉合，使電機(jī)、卷筒快速停止。在壓力繼電器發(fā)出信號(hào)的同時(shí)，液壓系統(tǒng)溢流閥在鋼絲繩拉力作用下溢流，液壓缸在鋼絲繩拉力作用下快速回縮，抵消在此過程中吊具的起升位移，阻止鋼絲繩拉力進(jìn)一步增大，達(dá)到保護(hù)岸橋的目的。

圖1 液壓掛艙保護(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)成本較低，性能穩(wěn)定可靠，能保證岸橋正常作業(yè)；同時(shí)，由于采用液壓缸回縮的方式，對(duì)沖擊載荷有緩沖作用，可以更全面地保護(hù)岸橋。但是，壓力開關(guān)設(shè)定值的精確性、泄壓速度、掛艙發(fā)生的信號(hào)傳輸、動(dòng)作反饋以及制動(dòng)器閉合都會(huì)有一定時(shí)間的滯后，實(shí)際掛艙保護(hù)效果會(huì)受到一定影響。

2.2 機(jī)械掛艙保護(hù)系統(tǒng)

機(jī)械掛艙保護(hù)系統(tǒng)采用安全聯(lián)軸器進(jìn)行保護(hù)，如圖2所示。該系統(tǒng)中高速聯(lián)軸器傳遞的力矩可以設(shè)定，當(dāng)發(fā)生掛艙時(shí)，馬達(dá)與減速器之間的力矩大于設(shè)定力矩，聯(lián)軸器脫開，利用聯(lián)軸器脫開來切斷電機(jī)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同時(shí)，聯(lián)軸器上的限位開關(guān)感應(yīng)到此動(dòng)作發(fā)出掛艙信號(hào)，應(yīng)急制動(dòng)器快速閉合，高速制動(dòng)器正常閉合，令卷筒停轉(zhuǎn)，從而阻止鋼絲繩力繼續(xù)升高，保護(hù)岸橋。

該系統(tǒng)反應(yīng)速度快，可使系統(tǒng)快速停止，但其成本較高，掛艙后復(fù)位過程長，若聯(lián)軸器脫開，需先復(fù)位聯(lián)軸器，再進(jìn)行電氣復(fù)位。同時(shí)，由于設(shè)定力矩的大小取決于彈簧力和摩擦系數(shù)，應(yīng)用一段時(shí)間多次脫開后，受潤滑等因素的影響，摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，其力矩穩(wěn)定性也值得探討。如果設(shè)定值不合適，會(huì)在作業(yè)過程中產(chǎn)生誤報(bào)掛艙的情況，在日常工作和急停情況下都有可能發(fā)生脫開現(xiàn)象，對(duì)碼頭操作效率有一定影響。每2～3 a需對(duì)安全聯(lián)軸器進(jìn)行周期性拆卸校驗(yàn)或更換，耗時(shí)耗力且增加費(fèi)用支出。

圖2 安全聯(lián)軸器系統(tǒng)

3 掛艙過程的受力分析

掛艙發(fā)生后，鋼絲繩在掛點(diǎn)處被固定，卷筒側(cè)持續(xù)施加拉力。通過分析鋼絲繩的變形量與鋼絲繩拉力來判斷掛艙過程中各受力件的變化。

鋼絲繩拉長量與鋼絲繩受力關(guān)系

式中：Δl鋼絲繩為鋼絲繩受力情況下的變形量，F(xiàn)鋼絲繩為施加在鋼絲繩上的拉力，A為鋼絲繩橫截面的凈面積，E為彈性模量，L為鋼絲繩計(jì)算變形量的理論長度。

以額定起重量65 t的岸橋?yàn)槔?，前伸?8 m,后伸距12 m，大車軌距30 m，軌上起升高度37 m，軌下起升高度14 m，空載起升速度150 m/min，額載起升速度60 m/min，鋼絲繩直徑30 mm、規(guī)格為8XK26WS、破斷力為70.21 t，A取509.58 mm2，E取21×104MPa，L的理論長度取140 ～170 m。

由式（1）計(jì)算得出，鋼絲繩拉力ΔF鋼絲繩每增加10 t，鋼絲繩變形量Δl鋼絲繩被拉長約0.128～0.156 m，故如何及時(shí)診斷并快速反應(yīng)進(jìn)行掛艙保護(hù)動(dòng)作尤其重要。

岸橋上的質(zhì)量傳感器將壓力電信號(hào)傳送給主系統(tǒng)，主系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為程序質(zhì)量讀取值，循環(huán)周期約為20 ms。以一般岸橋控制系統(tǒng)為例，主系統(tǒng)的掃描周期為50 ms，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行程序命令周期忽略不計(jì)，制動(dòng)器從斷電到開始對(duì)制動(dòng)盤施加力的作用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，時(shí)間約為210 ms。制動(dòng)器作用于制動(dòng)盤至卷筒停止運(yùn)動(dòng)需要約20 ms。利用主系統(tǒng)結(jié)合質(zhì)量傳感器信號(hào)，可以保證在300 ms以內(nèi)執(zhí)行掛艙動(dòng)作保護(hù)反應(yīng)并使機(jī)構(gòu)停止，同時(shí)考慮到隨著鋼絲繩力的增加，前大梁也會(huì)有一定程度的結(jié)構(gòu)下?lián)?，進(jìn)一步緩解鋼絲繩力實(shí)際增加程度。此外，伴隨著掛艙后導(dǎo)致鋼絲繩拉力的增加，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)等比減小。綜合以上因素，可得實(shí)際發(fā)生掛艙達(dá)到預(yù)設(shè)值至機(jī)構(gòu)停止，空載情況下鋼絲繩被拉伸量約343 mm，額載情況下鋼絲繩被拉伸量約290 mm，即從實(shí)際發(fā)生掛艙達(dá)到預(yù)設(shè)值至實(shí)行掛艙保護(hù)動(dòng)作機(jī)構(gòu)停止，鋼絲繩在空載情況下的拉力增加量在22.0～26.8 t，在額載情況下的拉力增加量在18.6～22.7 t。

4 掛艙保護(hù)程序的閾值分析

以岸橋?yàn)槔M(jìn)行分析，其主要參數(shù)為：起升系統(tǒng)質(zhì)量LS＝17 t，額定起重量LL＝65 t，雙20尺箱長度L11＝5 200 mm，長度方向最大偏心L21＝1 200 mm；寬度L12＝1 060 mm，寬度方向偏心L22＝0 mm。

4.1 在額載的情況下

鋼絲繩正常工作狀態(tài)下的拉力

在偏載工作狀況下鋼絲繩的最大拉力

式中：ηRM為纏繞系統(tǒng)效率系數(shù)，取0.963。

1）單角掛艙質(zhì)量傳感器（A角或B角或C角或D角）閾值保護(hù)值設(shè)定

式中：kr為帶載安全系數(shù)，取1.1；IMP為沖擊系數(shù)，取1.25；S02r為偏載下鋼絲繩的工作拉力。

以示例中的岸橋?yàn)槔?，結(jié)果如表1所示。

2）單邊掛艙質(zhì)量傳感器（左側(cè)兩個(gè)角的和或右側(cè)兩個(gè)角的和）閾值保護(hù)值設(shè)定

以示例中的岸橋?yàn)槔?，結(jié)果如表2所示。

3）四角掛艙質(zhì)量傳感器（A角+B角+C角+D角）閾值保護(hù)值設(shè)定

在四角掛艙的情況下，偏載和正常工作狀態(tài)下總質(zhì)量是一致的，為簡(jiǎn)化計(jì)算，以正常工作情況下鋼絲繩的拉力為設(shè)定值參考對(duì)象。以示例中的岸橋?yàn)槔?，結(jié)果如表3所示。

4.2 在空載的情況下

鋼絲繩正常工作狀態(tài)下的拉力

1）單角掛艙質(zhì)量傳感器（A角或B角或C角或D角）閾值保護(hù)值設(shè)定

式中：ke為空載安全系數(shù)，取1.1；IMP為沖擊系數(shù)，取1.25；S01e為偏載下鋼絲繩的工作拉力。以示例中的岸橋?yàn)槔?，結(jié)果如表1所示。

2）單邊掛艙質(zhì)量傳感器（左側(cè)兩個(gè)角的和或右側(cè)兩個(gè)角的和）閾值保護(hù)值設(shè)定

以示例中的岸橋?yàn)槔?，結(jié)果如表2所示。

3）四角掛艙質(zhì)量傳感器（A角+B角+C角+D角）閾值保護(hù)值設(shè)定

以示例中的岸橋?yàn)槔Y(jié)果如表3所示。

表1 單角掛艙質(zhì)量傳感器（A角或B角或C角或D角）閾值保護(hù)值設(shè)定

表2 單邊掛艙質(zhì)量傳感器（左側(cè)兩個(gè)角的和或右側(cè)兩個(gè)角的和）閾值保護(hù)值設(shè)定

表3 四角掛艙質(zhì)量傳感器（A角+B角+C角+D角）閾值保護(hù)值設(shè)定

4.3 掛艙保護(hù)程序閾值的優(yōu)化

由此可知，當(dāng)發(fā)生掛艙時(shí)，鋼絲繩拉力將急劇增加，其中單角掛艙受影響最大的是鋼絲繩拉力，即對(duì)鋼絲繩的影響。而四角掛艙受影響最大的是結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)受力。在相同的掛艙情況下，單角掛艙下整體掛艙力在空載的情況下約為70.9 t，額載的情況下約為138.4 t，而四角掛艙整體掛艙力在空載的情況下約為238.6 t，在額載的情況下將達(dá)到298.2 t。

對(duì)于額載情況下四角掛艙閾值被激活的時(shí)候，整體掛艙閾值為116.6 t，此閾值對(duì)應(yīng)的吊具下的質(zhì)量為99.6 t，相當(dāng)于額載65 t的1.523倍。此掛艙閾值相對(duì)于工作載荷較合理。

對(duì)于空載情況下的示例岸橋，四角整體掛艙閾值被激活時(shí)，整體掛艙閾值為24.2 t，此時(shí)相當(dāng)于吊具下的載重為7.2 t，此值偏小，可能會(huì)誤動(dòng)作。若將相當(dāng)于吊具下的載重值提升至約30 t，反推計(jì)算整體掛艙閾值設(shè)定值約為47 t?；谡w掛倉閾值設(shè)定值為47 t進(jìn)行推算，此時(shí)，ke空載安全系數(shù)取2.1。掛艙保護(hù)觸發(fā)至掛艙保護(hù)動(dòng)作，額載下鋼絲繩總增加拉力為214.4 t，鋼絲繩最大拉力32.7 t，此時(shí)鋼絲繩的安全系數(shù)為2.1，整體掛艙拉力約262.4 t，仍小于額載下四角掛艙的整體掛艙力298.2 t。如此，掛艙動(dòng)作閾值由吊具下7.2 t提升至30 t，能有效地防止掛艙保護(hù)程序的誤動(dòng)作，故而在空載情況下ke空載安全系數(shù)取2.1將更為合理有效。

同時(shí)，通過分析可得，發(fā)生整體掛艙時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于整體掛艙的識(shí)別并不能明顯地先于單角掛艙閾值的觸發(fā)。但為了程序邏輯的完整與清晰，文中仍然分別給定了單角掛艙、單邊掛艙以及整體掛艙的閾值設(shè)定值。

進(jìn)一步地分析可得，掛艙過程中起升速度的因素也是導(dǎo)致掛艙力迅速增加的主要原因之一。由于整體掛艙情況下實(shí)際掛艙力最大將達(dá)到298.2 t，此力對(duì)于岸橋的機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)存在很大的安全隱患。如果將起升速度在可能發(fā)生掛艙的范圍內(nèi)進(jìn)行50%限速運(yùn)行，掛艙過程中鋼絲繩力的增加速率將可以減少約50%。對(duì)最大掛艙力進(jìn)行分析，從觸發(fā)值至實(shí)際保護(hù)值能控制在空載的情況下鋼絲繩的拉力增加量在11.0 t～13.4 t，額載鋼絲繩的拉力增加量在9.3 t～11.4 t。基于此計(jì)算空載四角整體掛艙對(duì)應(yīng)的最大整體掛艙拉力約為154.2 t。額載四角整體掛艙對(duì)應(yīng)的最大整體掛艙拉力約為207.8 t。

4.4 掛艙保護(hù)程序的設(shè)定

岸橋基于質(zhì)量傳感器系統(tǒng)及主PLC的程序控制，可增加一段掛艙保護(hù)程序邏輯描述。為簡(jiǎn)化程序邏輯與控制，根據(jù)實(shí)際掛艙情況下的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，掛艙保護(hù)程序的前置判定條件設(shè)為吊具作業(yè)工況下，帶載與空載的區(qū)分條件為吊具鎖頭狀態(tài)處于開鎖位置還是閉鎖位置。吊鉤作業(yè)、吊具上吊耳掛鋼索吊異形箱等特殊作業(yè)工況下，起吊速度相對(duì)較慢，掛艙風(fēng)險(xiǎn)小，且程序的過載保護(hù)邏輯已能做出相應(yīng)的保護(hù)，故不進(jìn)行掛艙保護(hù)程序條件的判定，以減少程序誤判的情況的發(fā)生。同時(shí)，增加速度限定條件，在小車位于前大梁位置，吊具位于船艙內(nèi)高度范圍，將起升速度限定50%運(yùn)行。

5 結(jié)語

在岸橋大型化、遠(yuǎn)程化及自動(dòng)化的趨勢(shì)下，掛艙保護(hù)系統(tǒng)成為岸橋必不可少的配置。在不改變岸橋任何配置的情況下，基于岸橋上現(xiàn)有的質(zhì)量傳感器系統(tǒng)及主系統(tǒng)的程序控制，增加一段簡(jiǎn)單易行的掛艙保護(hù)邏輯程序，即可以實(shí)現(xiàn)增加一道安全保護(hù)，對(duì)于新造岸橋以及使用中的岸橋的安全防護(hù)都是一種提高，同時(shí)，程序性的保護(hù)，復(fù)位過程不需要在進(jìn)行額外的機(jī)械調(diào)整，對(duì)于維修要求也簡(jiǎn)單易行。本文主要分析在起升上升階段掛艙發(fā)生過程中的鋼絲繩受力變化。對(duì)于處于起升初始階段的掛艙，由于起升初始速度低，其受力變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上升階段，風(fēng)險(xiǎn)性較小，相應(yīng)的程序保護(hù)也能夠覆蓋對(duì)于此過程中發(fā)生的掛艙進(jìn)行保護(hù)。