河南卫华重型机械股份有限公司 长垣 453400

0 引言

集装箱起重机主要由起升系统、金属结构、大车小车运行机构、吊具系统、电控系统等组成。其中起升系统是其主要工作系统，实现集装箱装卸的起升下降。随着集装箱起重机自动化程度的要求越来越严格，常规的起升系统很难适应自动化对精度和抗摇摆性的要求。为寻求提高集装箱起重机的装卸效率，起升系统设计围绕提高效率的多种形式进行了探索：提高起升速度缩短起升下降时间；增加防摇摆控制系统，缩短摇摆时间；增加微动调节功能，缩短对箱时间。但能够满足自动化精确定位要求和快速防摇摆的起升系统并不多，特别是应用在自动化上的起升系统。若不能迅速抑制摇摆，将严重影响运行精度和对箱操作等待时间，大大降低效率。

目前能够满足自动化这种要求的起升系统，有8 绳机械防摇起升系统，如图1 所示。该系统具备起升、防摇功能，再配微调装置可实现回转、双向平移功能，能够满足自动化要求。但该系统倍率是1，8 根钢丝绳承载都作用在卷筒上，防摇通过8 根钢丝绳斜拉实现，起升机构傻大笨粗，钢丝绳磨损大、寿命较短，维护保养不便。因此需要探索新的起升系统，满足自动化的要求。

图1 八绳机械防摇起升系统

1 起升系统的设计

多功能起升系统由起升机构，辅助机构，缠绕系统等组成，其中起升机构是实现载荷升降功能的机构，力求设计合理、布置巧妙。辅助机构为满足自动化、非自动化要求，实现起升系统的多功能，整合升级了防摇系统。缠绕系统通过特殊缠绕方式，矢量变频控制使起升机构、辅助机构、缠绕系统有机地结合起来，形成一种多功能起升系统，如图2 所示。

图2 多功能起升系统

起升机构由电机、减速器、制动器、联轴器、卷筒、滑轮等组成。其卷筒设计较特殊，卷筒两边侧布置起升钢丝绳，内侧布置辅助钢丝绳，设计在同一个卷筒上，优点是同步性好，即使辅助机构出现问题，也不影响起升机构的正常工作。

辅助机构由三合一减速器电机，辅助卷筒等组成。通过特殊布置形式，使辅助钢丝绳在大车、小车方向均有斜拉钢丝绳分力，为实现多功能提供必要条件。

辅助机构设计中，当小车运行停止，由于起升载荷通过钢丝绳悬挂具有一定的惯性而不能停止，进而摆动，这种现象可简化成单摆。若要有效提高定位、对箱效率，必须尽快停止摆动，故防摇功能需求较大。

计算选型简算示例：起重量41 t，吊架吊具重9.5 t，小车运行70 m/min，加减速时间4 s。由牛顿第二定律可计算，起升载荷惯性力F ＝ma ＝（41 ＋9.5）×1 000×（70÷60÷4）＝14 729.17 N。根据图2 布置，每侧有2 台辅助机构，故均分到单台上F1＝F/2 ＝7 364.59 N。由于起升高度的变化，辅助钢丝绳与水平夹角也在变化，当起升高度较低时，效果较弱，这种工况也较少使用，故为保证效果夹角一般取75°进行选型计算。则辅助钢丝绳拉力F0＝F1/cos75°＝28 454.6 N，根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[2]计算选择钢丝绳直径取φ16 mm，辅助机构卷筒直径取φ280 mm。计算所需三合一减速电机功率为

式中：D0为辅助卷筒名义直径，n 为电机转速，i为减速器速比，η 为传动效率。

取变频电机功率P ＝4 kW。

缠绕系统由滑轮组、钢丝绳等组成。为增强防摇效果同时减少摆动，吊架上滑轮采取一定角度的布置形式，使得钢丝绳具有一定的斜拉效果，便于辅助机构的控制操作，实现升降、倾转、回转、双向平移、主动防摇多种功能。

2 起升机构多功能的实现

起升机构布置在小车上，是起重机的主要工作机构，布置如图3 所示是小车的俯视图，由起升机构，辅助机构，小车架等组成。

1）升降功能 通过控制电机驱动卷筒，收放钢丝绳实现升级。为保证起升机构的同步性，两套起升机构（5＃和6＃）采用变频器主从控制，再通过起升卷筒尾部安装的绝对编码器进行速度同步，实现两起升机构的同步性。由于辅助机构钢丝绳卷绕在主起升机构卷筒上的，故只要起升机构同步，则辅助机构也同步，此种工况辅助机构不动作。

2）倾转功能 当需要倾转时，通过控制主卷筒5收紧钢丝绳，另一主卷筒6 下放钢丝绳，4 个辅助机构不动，实现倾转功能。在此过程中为防止过度倾转，设有高度差值控制，不能大于设定值。

3）回转功能 主要靠4 个辅助机构1～4 来实现，两个主卷筒5 和6 不动。对角辅助机构1 和2 收紧钢丝绳，另一对对角辅助机构3 和4 下放钢丝绳。

图3 小车俯视图

4）双向平移功能 即大车、小车方向平移主要是靠4 个辅助机构1～4，两个主卷筒5 和6 不动。辅助机构1 和3 钢丝绳下放，右边辅助机2 和4 收紧钢丝绳，实现大车方向的平移。辅助机构1 和2 钢丝绳缩放，后边辅助机构3 和4 钢丝绳收紧，实现小车方向的平移。

5）防摇功能 通过主钢丝绳上的测量传感器和吊具摆动的位置，反馈给控制中心，经过特殊模型计算变频器输出力矩给防摇电机，实现防摇控制。功能原理示意如图4 所示。

图4 防摇功能原理示意

3 多功能起升系统的调试

在系统投入使用前，需要进行调试，直至满足设计功能和效果。通过多功能起升系统的控制程序，进行参数的设置，设置原则为起升下降时，4 辅助机构力矩控制值一致；在运行时，根据运行速度、加速度进行辅助机构的力矩控制设置，启动时运行方向力矩大值，制动时运行方向力矩小值。初始值来源于建立的仿真模型，但由于实际起重机特性与理论仿真还有一定差距，则需要在调试过程中不断地进行数值的调整，最终确定合理数值。

在调试过程通过不断的运行测试，数值调整，最终确定合理数据。由于起重机是新设备，在运行磨合后，特性会有一定的变化，效果会有不确定性，有时会变得更好，有时会变弱。所以一般在使用3～5 个月时，还需要再次校调，确保效果。

4 功能测试结果

通过对已安装交付的带有该多功能的集装箱起重机进行测量，通过上述控制实现小车方向平移±250 mm，大车方向平移±250 mm，水平回转±5°，均需要辅助机构动作实现，如图5 所示。

图5 辅助机构动作实现平移、回转

倾转功能不需要辅助机构动作，只需控制起升机构即可实现。考虑到倾转时会引起载荷重心的变化，一般均取±3°，该起升系统通过控制起升机构一升一降实现倾转±3°功能。

当小车速度70 m/min，大车速度 50 m/min 时，防摇功能通过变频模型化控制，在2.5 个循环后测得摇摆量≤±50 mm。这些数据来源于总起升高度是18.2 m，吊具底部离地面2 m 时测量数据。它小于目前国际上对集装箱起重机吊具减摇效果的一般性要求：吊具底部离地2 m，载荷为空载时，小车以额定速度运行，制动停车后5 s 内，吊具的摆幅控制在±100 mm 以内。

5 应用前景

集装箱起重机的平移、回转、倾转及防摇等多功能一直是困扰起重装备智能化、自动化发展的难题。该起升系统具备的多种功能，均满足市场、自动化的要求，具有自己的特点和优势，完全可应用在手动半自动化自动化等多种场合中，功能多，效果好，效率高，应用前景范围广。

目前国内外均有应用，具备的平移、回转、倾转功能有利于对箱作业，提高作业效率，减轻手动操作者的疲劳强度，意义较大。具备的防摇功能可显著抑制大车方向和小车方向的摆动量，提高了集装箱装卸的效率，平稳安全，避免了因集装箱摆动量过大而发生碰撞等安全事故，使得拥有该技术的集装箱起重机更加安全可靠。同时自动化控制技术的应用，也使其控制精度高、性能稳定、安全可靠、维护方便，大大提高了整机可监控性、稳定性、可靠性，是集装箱起重机优异的起升系统。