郝建光

(太原重工股份有限公司，山西030024)

港口門座起重機(jī)是中小型多用途碼頭、港口的主要裝卸料設(shè)備，可用于集裝箱、散料、廢鋼鐵、散裝件等貨物的裝卸。隨機(jī)可配備伸縮式集裝箱吊具、抓斗、電磁吸盤、吊鉤等多種吊裝輔具。主機(jī)設(shè)多種接口，多用途港口門座起重機(jī)起重量為40 t，大于集裝箱自重和吊具重量之和，抓斗、電磁吸盤的起重量限制在25 t。

1 多用途門座起重機(jī)的組成和主要技術(shù)參數(shù)

多用途門座起重機(jī)采用四連桿平衡配重式臂架系統(tǒng)，由起升、變幅、回轉(zhuǎn)、大車行走機(jī)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)組成，有足夠的抗風(fēng)、抗震、防碰撞、防傾覆能力，可水平變幅和360°回轉(zhuǎn)。該機(jī)主要參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 多用途港口門座起重機(jī)

表1 門座起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 集裝箱吊具的功能及對(duì)主機(jī)的要求

集裝箱吊具是門座起重機(jī)的吊具之一，用于集裝箱的裝卸。集裝箱有A、B、C三種規(guī)格，相應(yīng)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為：12.192 m×2.438 m×2.438 m，9.125 m×2.438 m×2.438 m，6.058 m×2.438 m×2.438 m。對(duì)應(yīng)額定重量(包括物品重量)為：30 t，25 t，20 t。集裝箱吊具采用伸縮式結(jié)構(gòu)，可滿足A、B、C三種規(guī)格集裝箱的吊裝，吊具的伸縮、啟閉、回轉(zhuǎn)可在司機(jī)室操控。變幅能近似水平移動(dòng)，象鼻梁端部定滑輪連到吊具的起升鋼絲繩斜拉防擺，起升、變幅、回轉(zhuǎn)過程中集裝箱縱軸始終與軌道平行，滿足集裝箱進(jìn)出集裝箱船格柵導(dǎo)軌、堆垛定位和吊裝效率。吊具有四個(gè)鋼絲繩掛點(diǎn)，可360°回轉(zhuǎn)，設(shè)微調(diào)功能，保證集裝箱對(duì)位和起制動(dòng)平穩(wěn)要求。

3 起升機(jī)構(gòu)

以集裝箱為主、兼顧散貨的門座起重機(jī)通常設(shè)兩套起升機(jī)構(gòu)，既可單動(dòng)、又能聯(lián)動(dòng)。具有滿載高速、空載低速及微調(diào)功能。兩套機(jī)構(gòu)前后平行布置，通過由編碼器、PLC和變頻器構(gòu)成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩套機(jī)構(gòu)同步運(yùn)行和單獨(dú)運(yùn)行，滿足通過機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓斗升降、開閉動(dòng)作的作業(yè)工況。機(jī)構(gòu)前后布置，可減小轉(zhuǎn)臺(tái)寬度，方便機(jī)械室內(nèi)電控設(shè)備布置。

4 四連桿臂架系統(tǒng)及變幅機(jī)構(gòu)

變幅機(jī)構(gòu)、四連桿臂架系統(tǒng)、臂架自重平衡系統(tǒng)是三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，后者設(shè)計(jì)的越合理，前者的驅(qū)動(dòng)功率就越小，運(yùn)行也越平穩(wěn)。

4.1 四連桿臂架系統(tǒng)

四連桿式臂架系統(tǒng)由臂架、象鼻梁和剛性拉桿三部分組成。象鼻梁端點(diǎn)指端部滑輪軸的軌跡是一條雙葉曲線，臂架系統(tǒng)所選尺寸可以保證象鼻梁端點(diǎn)在變幅范圍內(nèi)沿接近水平線軌跡移動(dòng)，高度波動(dòng)范圍不大于±200 mm。四連桿臂架的長(zhǎng)度可通過圖解法或解析法來確定。圖解法是利用現(xiàn)有的一組合適的臂架數(shù)據(jù)，通過反求設(shè)計(jì)原理對(duì)它的結(jié)構(gòu)參數(shù)、強(qiáng)度、剛度數(shù)據(jù)進(jìn)行比照、優(yōu)化，進(jìn)而確定一組新臂架參數(shù)，完成臂架設(shè)計(jì)的方法。解析法則是通過四連桿臂架端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，限定端點(diǎn)高度波動(dòng)誤差，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化獲得臂架設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的方法。借助MATLAB等軟件，根據(jù)臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化要求，如變幅中吊重產(chǎn)生的臂架力矩要小、高差誤差要小、臂架和象鼻架長(zhǎng)度要短等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 臂架平衡重系統(tǒng)

臂架平衡重系統(tǒng)是根據(jù)力矩平衡和能量守恒原理設(shè)計(jì)的。平衡重采用與臂架分離、用杠桿連系、繞鉸軸擺動(dòng)的活動(dòng)配重結(jié)構(gòu)，按臂架系統(tǒng)自重力矩盡可能等于平衡重自重力矩，變幅過程中臂架位能的增加(或減少)等于活配重位能相應(yīng)的減少(或增加)值來設(shè)計(jì)。變幅過程中臂架和平衡重的合成重心高度會(huì)有波動(dòng)，只能保持在接近水平線的軌跡上，盡量減小因重心升降需要做功引起的變幅機(jī)構(gòu)功率增大。要保證臂架配重，無論是空載還是起吊額定載荷，當(dāng)變幅制動(dòng)器打開后會(huì)自動(dòng)停止在最大幅度與最小幅度之間的某個(gè)位置。最少有一個(gè)位置點(diǎn)為四連桿機(jī)構(gòu)的自平衡點(diǎn)；若四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較好，應(yīng)有兩個(gè)自平衡點(diǎn)，空載或起吊額定載荷時(shí)的自動(dòng)停止位會(huì)非常接近，一個(gè)靠近最大幅度，另一個(gè)靠近最小幅度。

4.3 變幅機(jī)構(gòu)

變幅機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器等部件組成。變幅驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在旋轉(zhuǎn)立柱的變幅機(jī)構(gòu)平臺(tái)上，采用齒輪、齒條傳動(dòng)方式，通過上壓輪、下托輪導(dǎo)向保證驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條的嚙合。變幅阻力決定變幅電機(jī)功率的大小，它由重物非水平位移、臂架系統(tǒng)自重未完全平衡、作用在臂架上的風(fēng)阻力和摩擦阻力組成。變幅機(jī)構(gòu)雖然功率不大但工作頻繁、速度高、線速度變化大，動(dòng)載影響大，臂架系統(tǒng)必須有足夠的剛度，保證作業(yè)效率和使用壽命。在整個(gè)工作幅度內(nèi)，象鼻架端點(diǎn)在最大幅度的回轉(zhuǎn)線速度是最小幅度的回轉(zhuǎn)線速度的2.5倍，控制系統(tǒng)要綜合考慮變幅和回轉(zhuǎn)速度，并加以限制。

4.4 門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起重機(jī)結(jié)構(gòu)壽命是起重機(jī)使用壽命的關(guān)鍵，港口門座起重機(jī)頻繁吊運(yùn)較重載荷，額定載荷只在集裝箱滿載時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，整機(jī)工作級(jí)別A8。采用變頻控制系統(tǒng)，在靜撓度≤L/750時(shí)(L為軌距)，滿足使用定位精度可取。按剛度要求設(shè)計(jì)，滿足使用壽命下的疲勞許用應(yīng)力。起重機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的常用指標(biāo)是使用壽命20～30年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)水平、抗扭撓度應(yīng)滿足以下要求：

回轉(zhuǎn)支承面的撓度不大于D/1500(D為支承面直徑)；門架在垂直力作用下，橫梁的跨中撓度不大于L/1500(L為軌距)，端梁的跨中撓度也不大于L1/1500(L1為基距)，這樣可控制門架結(jié)構(gòu)的總撓度f≤L/750。扭轉(zhuǎn)剛度按門腿下端固結(jié)計(jì)算，在垂直于結(jié)構(gòu)水平力的作用下，其水平變位δ≤H/700(δ為沿軌道方向及垂直于軌道方向的變位，H為從軌面到回轉(zhuǎn)支承面的門架高度)；臂架系統(tǒng)撓度控制在LB/700～LB/600(LB為臂架長(zhǎng)度)之間。承載結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，傳力直接，過渡合理，能有效降低應(yīng)力集中，提高抗疲勞能力。

4.5 設(shè)備的控制及安全保護(hù)系統(tǒng)

門座起重機(jī)采用電纜卷筒將10 kV高壓電源引入起重機(jī)，經(jīng)門架平臺(tái)上的變壓器向各機(jī)構(gòu)提供380 V的三相電源。通過滑環(huán)受電器將電源由下部立柱引入上部轉(zhuǎn)臺(tái)，在象鼻梁端部設(shè)電纜卷筒向集裝箱吊具等輔具提供電源。與傳統(tǒng)橋、門式起重機(jī)相似，整機(jī)采用PLC控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)，起升機(jī)構(gòu)設(shè)負(fù)荷顯示、超載保護(hù)、起升上下限位保護(hù)，變幅機(jī)構(gòu)設(shè)力矩限制、幅度顯示、變幅限位，臂架頂部設(shè)航空障礙信號(hào)燈，機(jī)上設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各機(jī)構(gòu)及碼頭場(chǎng)地進(jìn)行監(jiān)控，故障診斷系統(tǒng)可對(duì)各機(jī)構(gòu)及大車行走夾輪器、錨定防風(fēng)裝置、超載、超速、短路、過流、過壓、過熱、失壓、欠壓、缺相、電源錯(cuò)相、漏電、變壓器及PLC故障等進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷。

5 結(jié)語

由于門座起重機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式、臂架系統(tǒng)和工作方式，使它與履帶起重機(jī)、汽車起重機(jī)等臂架起重機(jī)相比明顯不同。前者，頻繁重載使用，A8工作級(jí)別，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮剛度和疲勞；而后者，工作級(jí)別均在A5以下，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是強(qiáng)度和穩(wěn)定性。船運(yùn)具有成本低、運(yùn)輸量大的特點(diǎn)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、港口建設(shè)對(duì)門座起重機(jī)的需求也在增加，了解門座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)和使用都是必要的。