劉春明 張科昌 生綠偉

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

隨著集裝箱碼頭的吞吐量急劇增加，集裝箱運(yùn)輸船舶的不斷增大，勞動(dòng)力成本的不斷上升，以及環(huán)境保護(hù)理念的不斷增強(qiáng)，高效、智慧、綠色的自動(dòng)化碼頭逐步成為港口發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。集裝箱碼頭的全自動(dòng)化或半自動(dòng)化改造已成為世界各港口和碼頭運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注焦點(diǎn)，集裝箱起重機(jī)是港口運(yùn)輸集裝箱的重要裝備，集裝箱起重機(jī)的自動(dòng)化程度體現(xiàn)了港口智慧化智能化的水平[2]。

在集裝箱碼頭的自動(dòng)運(yùn)輸集裝箱環(huán)節(jié)中，起重機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)主要包括自動(dòng)抓箱、自動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)著箱[3-4]。在自動(dòng)抓箱過(guò)程中，自動(dòng)化控制器通過(guò)調(diào)整起重機(jī)的吊具，使吊具對(duì)準(zhǔn)并貼緊集裝箱的上表面，然后將集裝箱提起。在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)化控制器通過(guò)移動(dòng)起重機(jī)的小車(chē)和調(diào)整吊具鋼絲繩的長(zhǎng)度來(lái)運(yùn)送空吊具或帶載吊具，使其按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行。在自動(dòng)放箱過(guò)程中，自動(dòng)化控制器通過(guò)調(diào)整起重機(jī)的吊具，使吊具所帶的集裝箱對(duì)準(zhǔn)并貼緊目標(biāo)集裝箱箱位，然后將集裝箱放下。自動(dòng)抓箱和放箱是難度較高的動(dòng)作。

在集裝箱起重機(jī)的全自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程中，吊具通過(guò)鋼絲繩連接到起重機(jī)小車(chē)，因此具有單擺的搖擺特性，所以需要對(duì)起重機(jī)吊具的零位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)起重機(jī)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，不需要精確的吊具零位，往往僅對(duì)吊具的零位進(jìn)行粗略標(biāo)定，標(biāo)定方法一般采用固定小車(chē)位置，緩慢變動(dòng)起升，建立吊具零位與小車(chē)位置和起升高度的關(guān)系表，通過(guò)查表的方法查找當(dāng)前零位。當(dāng)執(zhí)行自動(dòng)抓箱或自動(dòng)著箱時(shí)，需要精確的吊具零位，而依據(jù)傳統(tǒng)標(biāo)定方法的吊具真實(shí)零位與標(biāo)定零位往往偏差過(guò)大，降低了抓箱或著箱的成功率和裝卸效率。提高吊具零位準(zhǔn)確度的一個(gè)方法是增加標(biāo)定的小車(chē)位置數(shù)量，即增加關(guān)系表的維數(shù)，但關(guān)系表越大，其維護(hù)也越復(fù)雜。因此，如何檢測(cè)吊具零位是起重機(jī)自動(dòng)裝卸的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在不計(jì)吊具偏載引起的吊具旋轉(zhuǎn)的情況下，由于吊具鋼絲繩的不同纏繞方式，使得吊具隨起升高度的不同，會(huì)在水平方向產(chǎn)生不同的平移現(xiàn)象。提出了一種基于鋼絲繩纏繞模型的吊具零位補(bǔ)償計(jì)算方法，該方法通過(guò)計(jì)算吊具在不同起升高度時(shí)對(duì)應(yīng)的水平偏移值，給出補(bǔ)償量，消除其對(duì)水平偏移的影響。

2 吊具鋼絲繩卷繞方式

起重機(jī)吊具的自動(dòng)抓箱、自動(dòng)著箱和自動(dòng)防搖運(yùn)行都需要對(duì)吊具的零位進(jìn)行檢測(cè)。然而，起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如大車(chē)軌道傾斜、彎曲，起重機(jī)大梁形變，吊具鋼絲繩卷繞模式都會(huì)對(duì)吊具零位的檢測(cè)精度產(chǎn)生影響。鋼絲繩采用的混合纏繞方式使得吊具零位并不處在掛裝中心位置，需要對(duì)集裝箱起重機(jī)的吊具零位進(jìn)行補(bǔ)償。港口岸邊集裝箱起重機(jī)吊具上架有4個(gè)動(dòng)滑輪，分別與起重機(jī)小車(chē)上的4個(gè)定滑輪直接卷繞。通過(guò)改變鋼絲繩的長(zhǎng)度，改變集裝箱起重機(jī)吊具的高度。

簡(jiǎn)化后的集裝箱起重機(jī)小車(chē)-吊具模型見(jiàn)圖1。集裝箱起重機(jī)的吊具下架用來(lái)抓放集裝箱，吊具上架通過(guò)固定的動(dòng)滑輪組及其卷繞的鋼絲繩與起重機(jī)小車(chē)相連接。集裝箱起重機(jī)的小車(chē)通過(guò)固定的定滑輪組及其卷繞的鋼絲繩與吊具上架相連接。

1.定滑輪 2.小車(chē)架 3.鋼絲繩 4.吊具下架 5.動(dòng)滑輪6.吊具上架

從吊具的側(cè)面可以看出，鋼絲繩的卷繞方式主要有3種：平行卷繞、交叉卷繞和混合卷繞(見(jiàn)圖2)。由于平行卷繞和交叉卷繞都是左右對(duì)稱(chēng)的關(guān)系，在不計(jì)吊具偏載引起的吊具旋轉(zhuǎn)的情況下，其吊具零位未發(fā)生變化。但是吊具鋼絲繩的混合卷繞方式，使得吊具隨起升高度的不同，在水平方向產(chǎn)生平移現(xiàn)象。

圖2 吊具鋼絲繩卷繞示意簡(jiǎn)圖

3 吊具零位補(bǔ)償計(jì)算方法

鋼絲繩混合纏繞方式中，左側(cè)一組定滑輪和動(dòng)滑輪采用了平行卷繞，右側(cè)一組定滑輪和動(dòng)滑輪采用了交叉卷繞，只考慮小車(chē)和吊具同一側(cè)的2個(gè)定滑輪和動(dòng)滑輪，得到吊具鋼絲繩混合卷繞計(jì)算模型(見(jiàn)圖3)。

圖3 吊具鋼絲繩混合卷繞示意圖

小車(chē)架上的兩個(gè)定滑輪的半徑均為R，它們的中心點(diǎn)A和點(diǎn)B處在同一水平高度，其中心點(diǎn)為O，點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的距離為L(zhǎng)；吊具上架的兩個(gè)動(dòng)滑輪的半徑均為r，它們的中心點(diǎn)C和點(diǎn)D處在同一水平高度，其中心點(diǎn)為E，點(diǎn)C和點(diǎn)D之間的距離為l。以點(diǎn)O為原點(diǎn)，點(diǎn)O指向點(diǎn)B為OX軸，垂直向上為OY軸，建立直角坐標(biāo)系OXY。左側(cè)定滑輪與動(dòng)滑輪的中心連線(xiàn)與切線(xiàn)之間的夾角為θl，右側(cè)定滑輪與動(dòng)滑輪的中心連線(xiàn)與切線(xiàn)之間的夾角為θr。因此，點(diǎn)A和點(diǎn)B的坐標(biāo)為：

(1)

點(diǎn)C和點(diǎn)D的坐標(biāo)為：

(2)

線(xiàn)段AC和BD的長(zhǎng)度分別為：

(3)

夾角θl和θr分別為：

(4)

左、右側(cè)滑輪組中的鋼絲繩總長(zhǎng)度sl和sr分別為：

(5)

當(dāng)?shù)蹙吡阄槐３植蛔儠r(shí)，即在xE≡0的情況下，式(2)～(4)可簡(jiǎn)化為式(6)～(8)：

(6)

(7)

(8)

當(dāng)滑輪之間的距離L和l，滑輪半徑R和r為常數(shù)時(shí)，利用公式(5)可以得到保持吊具零位時(shí)，左、右側(cè)滑輪組中的鋼絲繩總長(zhǎng)度sl和sr，以及它們的偏差Δs=sr-sl。

然而，在吊具升降運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，假設(shè)兩側(cè)纏繞的鋼絲繩總長(zhǎng)度的差值Δs0保持不變，即有如下關(guān)系式：

sr-sl≡Δs0

(9)

將式(5)代入式(9)有：

R(θr-θl)+r(θr+θl)+|BD|cosθr

(10)

R(θr-θl)+r(θr+θl)

(11)

當(dāng)滑輪之間的距離L和l，滑輪半徑R和r為常數(shù)時(shí)，由式(3)、(4)和(11)可以求得在任意高度yE處，鋼絲繩混合卷繞模型的吊具在水平方向上的零位xE，即零位補(bǔ)償量為：

xE=f(yE)

(12)

(13)

4 吊具零位補(bǔ)償仿真測(cè)試

在仿真實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)滑輪之間的距離L=5.0 m和l=1.2 m，滑輪半徑R=0.6 m和r=0.4 m，利用公式(5)～(8)可以計(jì)算吊具在yE處保持中間零位時(shí)，左、右側(cè)滑輪組中的鋼絲繩總長(zhǎng)度sl和sr(見(jiàn)圖4)，以及它們的偏差Δs=sr-sl(見(jiàn)圖5)。

圖4 吊具保持中間零位的鋼絲繩總長(zhǎng)度

圖5 吊具保持中間零位的左右鋼絲繩總長(zhǎng)度差

從圖4和圖5中結(jié)果可以看出，吊具在任意yE處保持中間零位時(shí)，左、右側(cè)滑輪組中的鋼絲繩總長(zhǎng)度sl和sr隨吊具高度的增加幾乎呈線(xiàn)性減小，它們之間的長(zhǎng)度差Δs隨吊具高度的增加而增大，并表現(xiàn)出了非線(xiàn)性特性。

圖6 吊具在水平方向上的零位補(bǔ)償量的估計(jì)誤差

5 結(jié)語(yǔ)

集裝箱起重機(jī)在進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)時(shí)需要對(duì)吊具的零位進(jìn)行檢測(cè)，在不計(jì)吊具偏載引起的吊具旋轉(zhuǎn)的情況下，提出了一種基于鋼絲繩纏繞模型的吊具零位補(bǔ)償計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算吊具在不同起升高度時(shí)對(duì)應(yīng)的水平偏移值，給出補(bǔ)償量，消除水平偏移。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法滿(mǎn)足集裝箱碼頭實(shí)際作業(yè)中對(duì)吊具零位補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>