王蘭志，商李隱，王書浩

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 中南大學(xué)航空航天學(xué)院，長沙，410083）

0 引 言

針對(duì)大型貴重負(fù)載垂直升降作業(yè)對(duì)高可靠升降裝置的需求，在充分調(diào)研國內(nèi)外關(guān)于重載升降技術(shù)研究現(xiàn)狀及趨勢的基礎(chǔ)上，提出升降裝置設(shè)計(jì)方案，研究體積小、可靠性高、同步性好、升降速度高、啟?？刂破椒€(wěn)的重載升降技術(shù)，為某重要產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 重載升降技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展情況

對(duì)于大型重載升降系統(tǒng)，其核心技術(shù)是該系統(tǒng)的提升設(shè)備及升降技術(shù)，系統(tǒng)的特點(diǎn)是負(fù)載大、行程長、負(fù)載空間結(jié)構(gòu)大，容易失穩(wěn)，而且可靠性和安全性要求高，控制要求方便靈活[1]。目前對(duì)于大型重載工況，應(yīng)用較多的升降方案有以下3種。

1.1 齒輪齒條升降技術(shù)

齒輪齒條升降技術(shù)是一種機(jī)械傳動(dòng)方式，傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，依靠齒輪齒條傳遞動(dòng)力和進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是：操作簡單、維護(hù)方便和傳動(dòng)效率高等。但對(duì)于長距離大行程，加工精度要求高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動(dòng)較困難，成本高。目前在大型重載升降系統(tǒng)中的典型應(yīng)用有以德國呂內(nèi)堡為代表的齒輪齒條爬升式升船機(jī)等[2]，如圖1所示。

圖1 呂內(nèi)堡升船機(jī)Fig.1 Lüneburg Ship Lift

1.2 卷揚(yáng)升降技術(shù)

卷揚(yáng)升降系統(tǒng)多采用電力傳動(dòng)，電力傳動(dòng)是利用電力設(shè)備并調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞動(dòng)力和進(jìn)行控制。主要優(yōu)點(diǎn)是：能量傳遞方便，信號(hào)傳遞迅速，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。缺點(diǎn)是：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差，易受外界負(fù)載的影響；慣性大，起動(dòng)及換向慢；成本較高，受溫度、濕度、振動(dòng)、腐蝕等環(huán)境影響較大。卷揚(yáng)需耗用大量的鋼絲繩，受到卷揚(yáng)機(jī)繩容量的限制，如果采用多臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)，多臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)的同步問題需要解決。為了改善其傳動(dòng)性能，往往與機(jī)械或液壓傳動(dòng)結(jié)合使用。卷揚(yáng)技術(shù)在大型重載工況中的應(yīng)用有起重設(shè)備和升船機(jī)等，圖2為卷揚(yáng)起重機(jī)示意。

圖2 卷揚(yáng)起重機(jī)Fig.2 Hoisting Crane

與齒輪齒條爬升型結(jié)構(gòu)型式相比：卷揚(yáng)提升型式結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝技術(shù)更加適應(yīng)中國目前的工藝水平，同時(shí)中國亦有類似的設(shè)備研制經(jīng)驗(yàn)供借鑒。卷揚(yáng)提升型升船機(jī)采用對(duì)稱安裝在塔柱頂部的多臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)，通過卷筒上的鋼絲繩使承船廂做升降運(yùn)行，為保證各卷筒的同步運(yùn)行，在各卷筒之間加設(shè)閉環(huán)剛性同步軸。平衡重系統(tǒng)分別設(shè)置為重力平衡重和轉(zhuǎn)矩平衡重。重力平衡重的鋼絲繩通過塔柱頂端定滑輪與承船廂相連；轉(zhuǎn)矩平衡重的鋼絲繩與卷筒相連，和提升鋼絲繩的出繩方向相反，形成力矩平衡。

1.3 液壓升降技術(shù)

液壓傳動(dòng)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

a）單位功率的質(zhì)量輕，即能以較輕的設(shè)備質(zhì)量獲得較大的力和力矩。

b）由于體積小、質(zhì)量輕，因而慣性小，起動(dòng)、制動(dòng)迅速。

c）在運(yùn)行過程中能方便地進(jìn)行無級(jí)調(diào)速；調(diào)速范圍大，而且低速性能好。

d）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

e）易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，工作安全可靠。

f）液壓系統(tǒng)的各種元件可隨設(shè)備的需要任意安排，可以把液壓馬達(dá)或液壓缸安置在遠(yuǎn)離原動(dòng)機(jī)的任意位置，不需中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。

g）液體工作介質(zhì)具有彈性和吸振能力，使液壓傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠。

h）易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。

鑒于以上特點(diǎn)，液壓升降技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

2 研究目標(biāo)和輸入條件

2.1 研究目標(biāo)

齒輪齒條裝置傳動(dòng)精度要求高，制造困難。卷揚(yáng)升降裝置平穩(wěn)性差，升降速度低，環(huán)境影響大。液壓升降裝置效率低，不易排除故障。因此難以滿足某項(xiàng)目重要產(chǎn)品的升降需求。本項(xiàng)目通過機(jī)械-電子-液壓一體化設(shè)計(jì)配合先進(jìn)控制方法，論證重載升降裝置的設(shè)計(jì)方案，給出最佳方案。

2.2 輸入條件

a）需升降的負(fù)載：重120 t，外形為圓柱體，直徑2.7 m，高26 m；

b）升降行程30 m，下降時(shí)間不大于5 min，上升時(shí)間不大于15 min；

c）載荷升降是豎直固定在工作平臺(tái)上，由升降裝置拖動(dòng)工作平臺(tái)進(jìn)行載荷升降。

2.3 研究內(nèi)容

在上述研究目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)框架下，以達(dá)到下述技術(shù)指標(biāo)展開研究工作：

a）研究重載高可靠升降裝置技術(shù)，滿足高價(jià)值載荷的升降需求；

b）研究提高升降裝置下降速度的技術(shù)途徑；

c）研究提高升降裝置升降啟停過程中的平穩(wěn)性和控制魯棒特性的技術(shù)方案。

3 總體方案論證

3.1 功能需求分析

通過分析大型負(fù)載垂直升降作業(yè)，可將升降系統(tǒng)工況分為以下3種：

a）滿載升降工況。

滿載升降工況，即120 t載荷作用在升降平臺(tái)上，通過卷揚(yáng)起升技術(shù)實(shí)現(xiàn)載荷與升降平臺(tái)兩者的上升與下降。將滿載上升過程與下降過程優(yōu)化為逆過程，方便控制，增強(qiáng)可靠性。

b）空載升降工況。

空載升降工況，即120 t載荷未作用在升降平臺(tái)上，通過卷揚(yáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)獨(dú)立的上升與下降。同理，也應(yīng)將空載上升過程與下降過程優(yōu)化為逆過程。

c）載荷懸停工況。

載荷懸停工況，即120 t載荷通過卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)作用在升降平臺(tái)上，此時(shí)工作平臺(tái)和載荷處于懸停狀態(tài)，與地面有50 mm懸停間距。

3.2 擬采用的總體方案對(duì)比

3.2.1 兩步升降方案（方案1）

根據(jù)總體方案功能分析，可以將系統(tǒng)主要工作計(jì)劃分為2步，采用2步升降方案，即底部升降和頂部起升2個(gè)過程，通過卷揚(yáng)機(jī)組、頂部起升機(jī)構(gòu)和配重組件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)升降過程示意如圖3所示。

圖3 方案一原理示意Fig.3 Schematic Diagram of Scheme 1

當(dāng)載荷上升時(shí)，第1步底部升降過程，如圖3a到圖3b所示：在卷揚(yáng)機(jī)組和配重組件的帶動(dòng)下，載荷上升至高位，此時(shí)，由于滑輪位置安裝的限制，載荷距離地面還有一定距離；第2步頂部起升過程，如圖3b到3c所示：通過頂部起升機(jī)構(gòu)將載荷抬升至地面處，完成載荷的上升過程。

載荷下降過程為上升過程的逆過程。第1步，載荷首先通過頂部起升機(jī)構(gòu)和配重組件的雙重作用下降；第2步，在卷揚(yáng)機(jī)組和配重組件的作用下，下降至最低位，完成載荷的下降過程。

3.2.2 一步升降方案（方案2）

同樣采用卷揚(yáng)升降技術(shù)，通過升降平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消頂部起升機(jī)構(gòu)，直接通過卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)將載荷提升至地面，即采用一步升降方案。圖4為一步升降方案原理示意。

圖4 方案2原理示意Fig.4 Schematic Diagram of Scheme 2

3.2.3 方案對(duì)比分析

2個(gè)方案均采用卷揚(yáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)升降，結(jié)合國內(nèi)外重型升降裝備的現(xiàn)狀及發(fā)展，卷揚(yáng)技術(shù)方案理論上可行。

2個(gè)方案主要區(qū)別是：方案1采用了頂部起升機(jī)構(gòu)，方案2通過對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直接取消頂部起升機(jī)構(gòu)。在工程實(shí)際中，頂部起升機(jī)構(gòu)的同步性不能完全保證，會(huì)導(dǎo)致載荷升降過程中不能平穩(wěn)運(yùn)行。方案2中重點(diǎn)保證升降平臺(tái)的強(qiáng)度滿足載荷工作工況的要求即可。從系統(tǒng)可靠性的角度考慮，減少一個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)，可以更好地提高系統(tǒng)的可靠性。綜上，本系統(tǒng)采用方案2，即一步升降方案。

4 方案詳細(xì)研究

4.1 升降機(jī)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì)

圖5為三維模型模擬系統(tǒng)升降過程，表示升降過程的不同狀態(tài)。

圖5 升降過程三維示意Fig.5 Three Dimensional Diagram of Lifting Process

根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，結(jié)合輸入條件，進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目工況要求將載荷從地下提升至地面，根據(jù)方案的設(shè)計(jì)，所有的機(jī)械設(shè)備都在地下。為降低施工工程難度，減少工作量，在滿足項(xiàng)目要求的前提下應(yīng)盡可能減少設(shè)備間體積，機(jī)械結(jié)構(gòu)布置盡量緊湊，將各部分進(jìn)行如圖6所示布局。

將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為完全封閉結(jié)構(gòu)，便于偽裝。在頂蓋和混凝土基座之間有200 mm的鋼板安裝座，用于電機(jī)、減速器、卷筒等安裝。為便于設(shè)備的安裝、維修和拆卸，在地基中挖掘一條地道，用于施工。在設(shè)備間處設(shè)置兩通道門，平時(shí)可以通過該通道門進(jìn)入地道，進(jìn)行設(shè)備的日常維護(hù)和維修檢驗(yàn)[3]，如圖6所示。

圖6 整體布局示意Fig.6 Overall Layout

卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)作為升降裝置的主要?jiǎng)恿υ?，滿足載荷及平臺(tái)的升降和懸停工況需求。

配重組件與卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，充當(dāng)升降裝置的輔助動(dòng)力源。與卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)配合。滿足載荷及平臺(tái)的升降及懸停工況需求。

升降平臺(tái)在載荷升降及懸停工況中，起到支撐作用。在載荷升降工況中，它具有導(dǎo)向功能，保證系統(tǒng)的同步性和穩(wěn)定性；在載荷工作工況中，還應(yīng)滿足重載耐沖擊的要求。

動(dòng)滑輪組件在滿載升降工況和空載升降工況過程中，作為升降動(dòng)滑輪，能夠增強(qiáng)倍率，減小電機(jī)功率。

基座為升降裝置提供安裝空間和安裝維修通道。

4.2 卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)研究與優(yōu)化

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，需要滿足載荷升降過程中的同步性。由于采用4組卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降，卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)之間的同步性直接影響著整個(gè)升降系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一種合理的布置形式至關(guān)重要。

圖7為單倍率的同步原理示意。

圖7 單倍率同步工作原理Fig.7 Schematic Diagram of Single Rate Synchronization

先架設(shè)B1為驅(qū)動(dòng)卷筒，B2為定滑輪固定在機(jī)座上。該系統(tǒng)有2套鋼絲繩：鋼絲繩1和鋼絲繩2。

鋼絲繩1一端固定在平臺(tái)上表面A1點(diǎn)，繞過B1和兩個(gè)滑輪后固定在平臺(tái)右端的下表面C1點(diǎn)。鋼絲繩2一端固定在平臺(tái)上表面A2點(diǎn)，繞過B2和2個(gè)滑輪后固定在平臺(tái)左端的下表面C2點(diǎn)。

在驅(qū)動(dòng)卷筒B1的驅(qū)動(dòng)下，可使得平臺(tái)A1點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，C2和A1點(diǎn)相對(duì)靜止，C2點(diǎn)同時(shí)也向上運(yùn)動(dòng)；通過鋼絲繩2，C2驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的A2向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，A1和A2同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)。如不考慮鋼絲繩的剛性，A1和A2運(yùn)動(dòng)時(shí)是完全同步的。C1點(diǎn)固定于平臺(tái)上目的是為了A2運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)C1運(yùn)動(dòng)，從而吸收了卷筒B1釋放的鋼絲繩。

值得注意的是，此時(shí)只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)锽2被假設(shè)為滑輪。如果B2同時(shí)被假設(shè)為驅(qū)動(dòng)，此時(shí)單驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)變?yōu)殡p驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)B1和驅(qū)動(dòng)B2時(shí)完全同步。

由于單倍率驅(qū)動(dòng)無法滿足系統(tǒng)需要，為此把系統(tǒng)演變?yōu)殡p倍率驅(qū)動(dòng)，其工作原理如圖8所示。

圖8 雙倍率同步工作原理Fig.8 Schematic Diagram of Double Rate Synchronization

根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，采用4組卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置在基座四周，同側(cè)相鄰2組卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)通過剛性聯(lián)軸器直聯(lián)電機(jī)，保證此2組卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)的同步性和穩(wěn)定性。2側(cè)2組卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)若采用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步性，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此需要通過機(jī)械同步來保證系統(tǒng)的同步性。由于卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩進(jìn)行傳遞運(yùn)動(dòng)和力，因此，可以通過鋼絲繩的傳動(dòng)方式布置來保證2側(cè)電機(jī)的完全同步性。

最終得到的卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)布置如圖9、圖10所示。4組卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)可記為卷揚(yáng)A、卷揚(yáng)B、卷揚(yáng)C、卷揚(yáng)D。其中，卷揚(yáng)A和卷揚(yáng)B，卷揚(yáng)C和卷揚(yáng)D分別布置在基座左側(cè)和右側(cè)，其減速器采用單輸入雙輸出的減速器。減速器一輸出軸連接卷筒，另一輸出軸與相鄰減速器一輸出軸通過剛性聯(lián)軸器直聯(lián)，實(shí)現(xiàn)剛性同步。

圖9 卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)布置示意Fig.9 Layout of Winch Hoisting Mechanism

圖10 卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)三維布置示意Fig.10 Three Dimensional Layout of Winch Hoisting Mechanism

卷揚(yáng)A和卷揚(yáng)C，卷揚(yáng)B和卷揚(yáng)D之間通過鋼絲繩的繞線形式，來實(shí)現(xiàn)完全同步，其工作原理如圖11所示。

圖11 升降鋼絲繩三維布置示意Fig.11 Three Dimensional Layout of Winch Lifting Wire Rope

綜上分析，通過4組卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)的對(duì)稱布置，同側(cè)相鄰卷揚(yáng)電機(jī)之間剛性聯(lián)軸器直聯(lián)，兩側(cè)相對(duì)卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩的繞線形式，理論上可實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)升降時(shí)的完全同步性，即實(shí)現(xiàn)載荷升降時(shí)的完全同步性。

4.3 配重組件研究與優(yōu)化

增加配重組件的作用是使配重與載荷能達(dá)到相對(duì)平衡，保證載荷的升降傳動(dòng)平穩(wěn)、正常運(yùn)行，同時(shí)也能夠減小電機(jī)功率損耗，增強(qiáng)鋼絲繩使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性[4]。

圖12為配重繞線方式示意。如圖12所示，配重裝置按照鋼絲繩繞線方式可以分為無反繩輪式和有反繩輪式兩類。無反繩輪配重形式，即配重鋼絲繩兩端傳動(dòng)比為1∶1；有反繩輪配重形式，即配重鋼絲繩兩端傳動(dòng)比不為1∶1。兩類配重裝置結(jié)構(gòu)組成基本相同，都是由配重塊、導(dǎo)靴、配重鋼絲繩等組成。

本文升降裝置配重組件與卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，因此，可直接采用無反繩輪式配重，結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便。

圖12 配重繞線方式示意Fig.12 Schematic Diagram of Counterweight Winding Mode

圖13為配重結(jié)構(gòu)示意。配重由配重架、配重塊、導(dǎo)靴、壓板螺栓和繩頭板等組成。配重架由槽鋼制成；配重塊由鑄鐵或加重混凝土制造而成，滿足質(zhì)量要求即可；配重塊安裝在配重架上后，要用壓板壓緊，以防運(yùn)行中移位和振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲。

圖13 配重結(jié)構(gòu)示意Fig.13 Schematic Diagram of Counterweight

根據(jù)總體方案原理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)配重組件布置形式如圖14所示。其中，配重定滑輪上的鋼絲繩一端連接配重，另一端連接升降平臺(tái)。配重組件和卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，共同作用在升降平臺(tái)上。在基座兩側(cè)各布置一配重組件，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性和同步性。

圖14 配重組件布置示意Fig.14 Layout of Counterweight Components

配重質(zhì)量的確定，將影響整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)總質(zhì)量的大小、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的大小、電能損耗的多少，影響著鋼絲繩在卷筒摩擦輪上滑動(dòng)危險(xiǎn)。因此合理確定配重質(zhì)量的大小至關(guān)重要。

配重質(zhì)量的確定，可遵循以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率最小原則；載荷上升和下降極限工況防滑程度相同原則；鋼絲繩不打滑原則。

本升降裝置中配重組件和卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，滑輪充當(dāng)導(dǎo)向輪作用，因此可直接根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率最小原則進(jìn)行配重質(zhì)量的確定。

圖15為配重組件力學(xué)簡化圖。

圖15 配重組件力學(xué)簡化示意Fig.15 Simplified Mechanical Diagram of Counterweight Components

a）滿載升降工況下，配重導(dǎo)向輪兩側(cè)鋼絲繩靜張力差ΔmT為

式中ΔmT為滿載工況下配重導(dǎo)向輪兩側(cè)鋼絲繩靜張力差，N；T1m為滿載工況下升降平臺(tái)側(cè)鋼絲繩張力，N；

考慮補(bǔ)償繩的作用及升降過程中阻力作用，滿載工況下，升降平臺(tái)側(cè)鋼絲繩張力T1m為

式中G0為升降載荷質(zhì)量，1.2×103kN；TG為升降平臺(tái)質(zhì)量（按 TG=3.0×105N計(jì)算）；m為配重升降鋼絲繩根數(shù)；p為配重升降鋼絲繩線密度，N/m；h為鋼絲繩最大懸垂高度，m；f1為升降平臺(tái)側(cè)運(yùn)動(dòng)阻力，主要為運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦阻力和空氣阻力，N。

配重側(cè)鋼絲繩張力T2m為

式中GP為配重質(zhì)量，N；n為補(bǔ)償繩鋼絲繩根數(shù)；q為補(bǔ)償繩鋼絲繩線密度，N/m；f2為配重側(cè)運(yùn)動(dòng)阻力，主要為運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦阻力和空氣阻力，N。

配重質(zhì)量設(shè)為

式中ξ為平衡系數(shù)。

假設(shè)采用等重補(bǔ)償系統(tǒng)，則有mp=nq，整理得到：

b）空載升降工況下，配重導(dǎo)向輪兩側(cè)鋼絲繩靜張力差ΔkT為

式中kTΔ 為空載工況下配重導(dǎo)向輪兩側(cè)鋼絲繩靜張力差，N；T2k為空載工況下配重側(cè)鋼絲繩張力，N；T1k為空載工況下升降平臺(tái)側(cè)鋼絲繩張力，N。

考慮補(bǔ)償繩的作用及升降過程中阻力作用，假設(shè)空載工況下運(yùn)動(dòng)阻力與滿載工況下運(yùn)動(dòng)阻力相等，則升降平臺(tái)側(cè)鋼絲繩張力T1k為

空載工況下，配重側(cè)鋼絲繩張力T2k為

整理得到：

根據(jù)對(duì)配重組件的分析，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置所需驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行數(shù)學(xué)建模如下：

式中FQ為驅(qū)動(dòng)裝置所需最小驅(qū)動(dòng)力，N。

易知，當(dāng) ΔTm=ΔTk時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置所需驅(qū)動(dòng)力最小，此時(shí)，解得ξ=0.5。即配重質(zhì)量取GP=GT+ 0.5G0，此時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置所需驅(qū)動(dòng)力最小，因速度不變，所以此時(shí)滿足驅(qū)動(dòng)功率最小原則。

4.4 彈簧裝置研究與優(yōu)化

卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)升降鋼絲繩一端連接彈簧裝置。彈簧裝置在升降裝置中起到2個(gè)作用：a）緩沖和吸振，利用彈簧的變形來緩和沖擊和吸收振動(dòng)時(shí)的能量，主要是來自風(fēng)載荷鋼絲繩彈性變形所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊；b）預(yù)緊功能，給定彈簧一定的預(yù)緊力，即預(yù)先考慮的最大彈性恢復(fù)力和彈性時(shí)間維持力，在彈簧受力小于預(yù)緊力時(shí)，彈簧相當(dāng)于剛性元件，不產(chǎn)生變形。且預(yù)緊力使鋼絲繩張緊，增加系統(tǒng)剛度，使系統(tǒng)更加平穩(wěn)。

碟形彈簧結(jié)構(gòu)簡單，緩沖和減振能力強(qiáng)，多用于重型機(jī)械的緩沖和減振。符合本文重載特點(diǎn)，因此選用碟簧進(jìn)行彈簧裝置的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 彈簧裝置結(jié)構(gòu)Fig.16 Structural Drawing of Spring Device

圖17 彈簧裝置三維圖Fig.17 Three Dimensional of Spring Device

由圖16、圖17可知，該彈簧裝置主要包括：鋼絲繩接口，調(diào)整桿，左拉桿，右拉桿，拉桿焊接頭，螺紋軸，擋塊，套筒，碟簧組合，左右支撐等結(jié)構(gòu)。

鋼絲繩接口通過螺紋聯(lián)接聯(lián)接鋼絲繩端部，起到固定鋼絲繩端部的作用。碟簧組合放置于套筒內(nèi)部。左右拉桿通過螺紋軸聯(lián)接后從碟簧內(nèi)孔穿入，為減少螺紋加工，降低成本和裝置質(zhì)量，左右拉桿使用空心軸，頭部焊接帶有內(nèi)螺紋的拉桿接頭。螺紋軸左端與左拉桿焊接頭聯(lián)接，采用開口銷固定，開口銷的作用是防止螺紋軸和左拉桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。右拉桿和螺紋軸通過擋塊連接，保證螺紋軸的平穩(wěn)傳動(dòng)。左拉桿通過調(diào)整桿與鋼絲繩接口連接，調(diào)整桿兩端帶有外螺紋，分別與鋼絲繩接口和左拉桿進(jìn)行連接。調(diào)整桿的作用是調(diào)整鋼絲繩與彈簧裝置的距離，因此，調(diào)整桿兩端螺紋旋向相反，一端左旋，另一端右旋，從而達(dá)到調(diào)整間隙的作用。

彈簧裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)為碟簧組合的設(shè)計(jì)。碟形彈簧具有結(jié)構(gòu)緊湊、加壓均勻、操縱省力，并且摩擦片磨損后，工作壓力變化較小等特點(diǎn)。碟簧的組合方式一般有對(duì)合、疊合、復(fù)合、不同厚度組合、不同片數(shù)組合等[5]。本彈簧裝置采用如對(duì)合的方式進(jìn)行碟簧組合。圖18為碟簧對(duì)合的對(duì)合方式。

圖18 碟簧對(duì)合形式Fig.18 Disc Spring Combination Form and Characteristic Curve

根據(jù)對(duì)合的組合形式，得到其計(jì)算公式如下：

式中Fz為組合碟簧的載荷，N；F為單個(gè)碟片的載荷，N；fz為組合碟簧的變形，mm；f為單個(gè)碟片的變形，mm；Hz為組合碟簧的自由高度，mm；H0為單個(gè)碟片的自由高度，mm；i為碟片個(gè)數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，彈簧裝置具有預(yù)緊功能。初選碟片個(gè)數(shù)i=50，型號(hào)選擇碟簧A 180-3，具體參數(shù)為：外徑D=180 mm，內(nèi)徑d=92 mm，厚度δ=10 mm，無支承面碟簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值h0=4 mm，單個(gè)碟簧自由高度H0=14 mm。在碟簧變形為0.75倍無支承碟簧壓平時(shí)變形量時(shí)，即f=0.75h0，此時(shí)有，單個(gè)碟片載荷F=125000 N，變形量f=0.75h0=3 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可驗(yàn)證預(yù)緊力的大小。彈簧裝置預(yù)緊力為yF=80000 N。

升降鋼絲繩受力為：FG= 0.5G0/(4 ×2) = 75000N 。

有FG＜Fy，即升降鋼絲繩正常工作時(shí)，彈簧由于預(yù)緊，相當(dāng)于剛性元件，不會(huì)發(fā)生彈性變形。在外部振動(dòng)時(shí)，彈簧裝置可起到減小振動(dòng)，緩和沖擊的作用。

5 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

5.1 保證升降過程穩(wěn)定性問題

升降裝置使用對(duì)象為120 t的重型載荷，直徑2.7 m，高度為26 m，如何實(shí)現(xiàn)細(xì)長型重負(fù)載的升降，要求升降過程穩(wěn)定性好，是項(xiàng)目解決的首要難題。

為此，在以往大型項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采取如下2個(gè)措施來提高升降系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

a）采用4個(gè)卷揚(yáng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)升降功能，四點(diǎn)懸吊結(jié)構(gòu)能保證較好的吊裝穩(wěn)定性，避免發(fā)生偏擺和震蕩。

b）采用配重方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性控制，配重懸掛于定滑輪的另一端，在下降過程中起到蓄能作用，在上升過程中提供動(dòng)能，因此可以平衡整個(gè)系統(tǒng)。由于平衡重系統(tǒng)的存在，升船機(jī)上升和下降過程中，電機(jī)只需要克服一些摩擦阻力、慣性力及其他阻力，易于控制，可以極大提高系統(tǒng)控制穩(wěn)定性。

c）保證同步性，為了保證升降過程平穩(wěn)，防止由于不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和載荷不一致引起的工作平臺(tái)傾斜或運(yùn)行中斷，在升降裝置的4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間建立一套同步系統(tǒng)，如圖19所示。4套驅(qū)動(dòng)單元之間由機(jī)械同步軸相連接，構(gòu)成剛性機(jī)械系統(tǒng)，嚴(yán)格匹配確保升降速度相同。通過合理巧妙地布置鋼絲繩，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)完全同步。

圖19 升降裝置結(jié)構(gòu)布局示意Fig.19 Layout of Lifting Device

5.2 升降速度提升問題

傳統(tǒng)重載升降裝置因載荷質(zhì)量大，導(dǎo)致升降裝置體積大，升降速度低，無法滿足某產(chǎn)品的升降需求，為此，在以往大型重載升降項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了配重的方案。使用配重充當(dāng)升降系統(tǒng)的輔助動(dòng)力源，不僅能夠非常有效地降低電機(jī)功率，增強(qiáng)鋼絲繩壽命，提高系統(tǒng)可靠性，在載荷升降過程中，還能相對(duì)減輕載荷質(zhì)量。使用配重的方案，使得升降速度可以大大提升。本文中，升降過程分為2個(gè)過程，通過增加配重的方案，可以實(shí)現(xiàn)上升/下降2個(gè)過程的互逆。

6 結(jié) 論

本文從大型負(fù)載升降裝置的功能需求入手，對(duì)升降裝置的總體方案進(jìn)行了對(duì)比論證分析，提出一步式升降裝置總體方案，進(jìn)而對(duì)升降裝置方案進(jìn)行了詳細(xì)研究，提出了可行方案，并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算及零部件初步選型，在上述工作基礎(chǔ)上，對(duì)升降裝置的關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑進(jìn)行了論述，為升降裝置的工程研制奠定了基礎(chǔ)。