高崇金，王鴻博

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528300）

0 引言

移動式高架起重機［1］被廣泛應(yīng)用于集裝箱碼頭、散貨碼頭和件雜貨碼頭等，是一款多用途起重機，具有機動靈活、模塊化程度高和經(jīng)濟性好等特點。主要由立柱、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、底盤、變幅油缸、臂架、吊具或抓斗或吊鉤、吊具卷盤和起升機構(gòu)等組成［2］，如圖1 所示。移動高架起重機在大型港口與岸邊集裝箱起重機、門座式起重機和卸船機等軌道式起重機等設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，可提高裝卸效率，縮短船期，起到補充和支持作用，充分展示其機動性和高適應(yīng)性［3］。另外，在中小型港口，因為裝卸貨物的多樣性，如件雜貨、散貨或集裝箱等，移動式高架起重機可發(fā)揮更大的優(yōu)勢，既可以在岸邊作業(yè)，也可以實現(xiàn)堆場的作業(yè)［4］。相比大型港口設(shè)備，在項目投資、通用性、維修費用和附屬設(shè)施等方面具有更好的經(jīng)濟性。因此，國內(nèi)移動式高架起重機市場潛力巨大。

圖1 港口移動高架起重機主要組成

高架起重機已有60 多年的發(fā)展歷史，Gottwald 和Liebherr是高架起重機的主要研制廠家。高架起重機上裝部分模塊化程度高，如將高架起重機上車系統(tǒng)模塊與輪胎式底盤組合，底盤車輪可獨立轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)碼頭全方位作業(yè)；將高架起重機上車系統(tǒng)模塊與門座底盤組合，可實現(xiàn)沿碼頭固定軌道運行，提高作業(yè)效率；將上車系統(tǒng)與碼頭或駁船固定式底盤組合，可實現(xiàn)固定點或移動平臺作業(yè)。高架起重機產(chǎn)品的可拓展性如圖2 所示。

圖2 高架起重機產(chǎn)品的可拓展性

移動式高架起重機主要技術(shù)如下。

（1）變截面臂架設(shè)計技術(shù)。根據(jù)高架起重機的結(jié)構(gòu)特點，臂架結(jié)構(gòu)多為變截面結(jié)構(gòu)，主要為單梁或雙梁，另外主弦桿數(shù)量及參數(shù)的選擇也十分重要。因此，如何合理選擇臂架截面成為影響設(shè)計進度的主要難題。

（2）變幅系統(tǒng)布局及鉸點優(yōu)化技術(shù)。變幅系統(tǒng)設(shè)置起升鋼絲繩補償滑輪組，保證重物在起吊過程中保持水平移動。高架起重機采用油缸變幅，如何合理控制油缸工作壓力成為設(shè)計重點。油缸的布置形式，其受力是承受拉力或壓力也是關(guān)鍵要素。另油缸工作壓力即鉸點受力，如何設(shè)計變幅系統(tǒng)鉸點布局，在設(shè)計過程中尤為重要。

（3）底盤設(shè)計與控制技術(shù)。移動式高架起重機底盤根據(jù)行走機構(gòu)的差異，主要分為輪胎式和軌道式。輪胎式底盤的控制技術(shù)主要為車輛行走過程中的車輛穩(wěn)定性，實現(xiàn)行走裝置對地面平整度的自適應(yīng)性。

本文分析變幅系統(tǒng)布局和焦點優(yōu)化技術(shù)，針對吊鉤下64 t－40 m高架起重機變幅系統(tǒng)進行設(shè)計分析，研究分析變幅補償滑輪組的參數(shù)選擇、系統(tǒng)設(shè)計過程中鉸點的優(yōu)化設(shè)計等，為行業(yè)提供設(shè)計依據(jù)。

1 64 t－40 m移動式高架起重機主要技術(shù)參數(shù)

已知高架起重機在吊鉤、集裝箱和抓斗工況，在不同作業(yè)半徑下的載荷譜參數(shù)，如表1 所示。

表1 高架吊載荷譜參數(shù)

2 系統(tǒng)力學(xué)模型的建立

高架起重機載荷主要有結(jié)構(gòu)自重和頭部鋼絲繩的拉力，鋼絲繩的拉力為起升載荷通過鋼絲繩作用在臂架的頭部，為了加載方便，鋼絲繩的力分解為變幅平面內(nèi)水平、豎直和垂直變幅平面3 個方向。變幅系統(tǒng)主要由立柱、變幅油缸、臂架及其附件、吊鉤或吊具、吊具卷盤系統(tǒng)和鋼絲繩補償滑輪組等構(gòu)成，臂架在變幅平面內(nèi)的力學(xué)模型可簡化為懸臂梁，以臂架和立柱鉸點O為中心建立XOY平面直角坐標系，如圖3 所示。其中，A和B分別為鋼絲繩1 和鋼絲繩2 立柱滑輪組鉸接點，E為臂架頂點，C 為變幅油缸和立柱鉸接點，D 為變幅油缸和臂架鉸接點。T1和T2分別為鋼絲繩1 和鋼絲繩2 的拉力，G表示臂架及其附件的重力，G1為吊具（吊鉤、抓斗或吊具）重量，T為起重機起重量，F(xiàn)為變幅油缸推力，R為高架起重機工作半徑，R1為頭部滑輪直徑，α為臂架和水平面的仰角。因為臂架變幅過程中，貨物始終與地面垂直，因此臂架長度、工作半徑和頭部滑輪直徑關(guān)系也可以用以下關(guān)系式進行表達：

圖3 變幅系統(tǒng)力學(xué)模型

3 臂架在各仰角時的起重量及鉸點優(yōu)化

機械設(shè)計優(yōu)化［5］的基本思想是根據(jù)機械設(shè)計的理論，如圖4 所示。方法和標準規(guī)范等機械優(yōu)化設(shè)計是伴隨數(shù)學(xué)科學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的進步而發(fā)展起來的，針對具體研究問題，建立反映工程設(shè)計問題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計過程中采用優(yōu)化設(shè)計方法，不僅可以減輕機械設(shè)備自重，降低材料消耗與制造成本，也可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能，縮短設(shè)計周期。

圖4 設(shè)計優(yōu)化問題解決思路

設(shè)定起重機與水平面最小夾角為αmin，對應(yīng)的最大起重量為T0，臂架及其附件重量為G，L為臂架重心至臂架鉸點距離。已知吊具重量和起重量，不考慮風(fēng)載荷影響，則有：

取臂架與水平面最小夾角αmin，最大起重量Tmax作為迭代初始值，Δα和ΔT為循環(huán)迭代間隔，令i0＝αmin，j00＝Tmax，校核臂架穩(wěn)定性，判斷迭代初始情況下的臂架穩(wěn)定性是否滿足要求。若不滿足，則i0不變，j01＝j(luò)00－ ΔT，再次代入計算；若滿足，得到臂架與水平面夾角αmin時的起重量，i1＝i0＋Δα繼續(xù)迭代計算，得到臂架在不同角度下的起重量。

高架起重機在變幅過程中要求重心高度差維持在一個較小的范圍內(nèi)［6］，通常采用滑輪補償法?；喲a償法要求起重機在變幅過程中卷筒不收放鋼絲繩，即變幅過程中起升鋼絲繩長度基本保持不變，貨物的運動軌跡高度差不超過最大幅度值的3%：

臂架優(yōu)化設(shè)計變量范圍及其初值的確定［7］，根據(jù)對比以往機型，得到設(shè)計變量的范圍選取的初值［8］，結(jié)果如表2 所示。設(shè)定約束條件如表3 所示。

表2 設(shè)計初值及其范圍

表3 約束條件及其范圍

以貨重在變幅過程中的高度差最小為優(yōu)化目標［9］Ymin。優(yōu)化結(jié)果如表4 所示。

表4 優(yōu)化前后結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化，以貨重在變幅過程中的水平軌跡高度差從初始設(shè)計方案的1.3 m減小為0.626 m，降低了51.8%，根據(jù)設(shè)計要求，水平軌跡應(yīng)小于0.03×（Rmax－Rmin）＝0.9 m，優(yōu)化后的設(shè)計方案滿足要求。

起升鋼絲繩拉力T1和鋼絲繩T2與水平面夾角分別為β 和θ，幾何關(guān)系式如下［10］：

得到不同角度下鋼絲繩夾角與工作半徑的關(guān)系，如表5所示。

表5 鋼絲繩夾角與工作半徑的關(guān)系

起重機的穩(wěn)定性是指起重機在自重和外載荷作用下的抗傾翻能力［11］，忽略因臂架外擺產(chǎn)生的力矩對臂架影響，風(fēng)載荷為F1，根據(jù)風(fēng)載荷對臂架作用面積，確定載荷為臂架中點。在起重機設(shè)計階段，通常采用力矩平衡原則保障起重機的穩(wěn)定性，主要載荷為鋼絲繩拉力、風(fēng)載荷和臂架自重等。建立坐標系，各鉸點的坐標分別表示為（xa，ya），（xb，yb），…，（xi，yi），構(gòu)建力學(xué)模型（圖3），根據(jù)力矩平衡原理［12］計算變幅油缸受力F如下：

式中：LOAE為點O至鋼絲繩拉力T1的作用力臂；LOBE為點O至鋼絲繩拉力T2的作用力臂；LOCD為點O 至變幅油缸作用力F 的力臂。

根據(jù)已知條件和公式，可得到變幅油缸在臂架各角度狀態(tài)下的作用力。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了移動式高架起重機的主要構(gòu)成、產(chǎn)品特點和移動高架起重機當(dāng)前所面臨的主要關(guān)鍵技術(shù)。建立了系統(tǒng)力學(xué)模型，確定起重機負載計算方法，對鉸接點位置進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)理論模型，建立鋼絲繩角度與起重機回轉(zhuǎn)半徑的理論關(guān)系式，得到主要技術(shù)參數(shù)。分析油缸受力情況，對油缸進行力學(xué)計算，為高架起重機產(chǎn)品設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)。

臂架優(yōu)化過程中引入機械優(yōu)化方法，減輕機械設(shè)備自重，降低材料消耗與制造成本，而且可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。以貨重在變幅過程中的水平軌跡高度差從初始設(shè)計方案的1.3 m減小為0.626 m，達到優(yōu)化效果，滿足產(chǎn)品要求。