一種新型柔性自動補償式五連桿組合臂架系統(tǒng)

韓中成

HAN Zhong-cheng

（青島海西重機有限責任公司技術中心，青島 266530）

0 引言

門座起重機的結構設計中，變幅機構的設計是最重要的組成部分[1]。作為起重機最主要的變幅結構型式——四連桿組合臂架結構，由于其具有能實現(xiàn)變幅過程中載重水平移動即使物品在變幅過程中沿著水平線或接近水平線的軌跡運動[2]、臂架自重平衡即使臂架裝置的總重心高度在變幅過程中不變或變化較小[2]的優(yōu)點，沿用歷史悠久。但受起升繩在四連桿組合臂架結構頭部繞過共軸線滑輪只能是鋼絲繩中心線共面出繩的制約，在起重機各工況運動過程中，吊重的擺動嚴重，司機無法立即進行取、卸貨工作，因而使工作循環(huán)周期加長，生產效率下降[3]。隨著港口裝卸的發(fā)展，對吊重貨物裝卸運輸過程中的平穩(wěn)性要求日益提高。雖現(xiàn)階段使用電氣變頻控制技術、延長加速時間等方面著手，但由于起重機各工況運行向更高速、更高效的方向發(fā)展，如何防搖是所有起重機均要面對的問題[3]。

本文針對上述問題，在傳統(tǒng)四連桿組合臂架結構的基礎上創(chuàng)造性的設計一段剛性桿和一段柔性補償鋼絲繩索，組合成一種新型自重平衡柔性自動補償式五連桿組合臂架結構。該結構形式的補償動力完全依靠連桿裝置自身的運動而不需要額外增加動力，實現(xiàn)起升繩索末端空間立體交錯斜拉吊重，為抑制貨物擺動提供水平力，達到抑制貨物擺動的目的。為起重機新型連桿式組合臂架系統(tǒng)設計提供新技術，為已制四連桿組合臂架結構起重機提供了安全、經濟的改造方案。

1 方案提出及原理

自重平衡式四連桿組合臂架系統(tǒng)包括臂架、象鼻梁、大拉桿、配重平衡梁、小拉桿五大結構件。配重平衡梁、小拉桿作用為實現(xiàn)系統(tǒng)自重重心平衡，在此不再冗述。優(yōu)化臂架、象鼻梁、大拉桿及安裝位置的幾何尺寸，可以實現(xiàn)象鼻梁頭部在四連桿變幅運動過程中頭部的水平位移。將起升繩繞過各改向滑輪到達象鼻梁頭部出繩與吊重連接。傳統(tǒng)的四連桿系統(tǒng)的工作過程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)四連桿組合臂架系統(tǒng)工作原理示意圖

如圖1所示，一般傳統(tǒng)四連桿組合臂架系統(tǒng)采用雙卷筒形式，一個卷筒收放支持鋼絲繩，另一個卷筒收放開閉鋼絲繩。鋼絲繩從卷筒繞出后依次經過第一處改向滑輪、象鼻梁尾部改向滑輪、象鼻梁頭部改向滑輪后，與吊重連接。

圖2 傳統(tǒng)四連桿組合臂架系統(tǒng)鋼絲繩纏繞示意圖

如圖2所示，傳統(tǒng)四連桿組合臂架系統(tǒng)的鋼絲繩纏繞方式的最大弊端為象鼻梁頭部滑輪軸線共線，造成鋼絲繩中心線共面，只有重力方向存在共面的四根鋼絲繩牽引吊重，臂架系統(tǒng)運動過程中存在吊重偏擺現(xiàn)象。

現(xiàn)提出一種新型自重平衡柔性自動補償式五連桿組合臂架系統(tǒng)如圖3所示，在臂架結構頭部適當位置設置鉸點用于連接柔性補償鋼絲繩索；在象鼻梁結構尾部適當位置設置改向滑輪；在象鼻梁頭部設置一段剛性桿，剛性桿件一端與象鼻梁頭部鉸接，另一端設置鉸點用于連接柔性補償鋼絲繩索、布置改向滑輪。臂架和剛性桿上設置的鉸點通過繞過改向滑輪的柔性補償鋼絲繩索連接。柔性補償鋼絲繩索總長度固定不變，臂架結構頭部柔性補償鋼絲繩索鉸點與改向滑輪之間的距離隨連桿系統(tǒng)的運動而時刻發(fā)生改變（增加幅度時變長；減小幅度時變短），從而使得象鼻梁頭部剛性桿連接柔性補償鋼絲繩索鉸點與改向滑輪之間的距離也發(fā)生變化（增加幅度時變短；減小幅度時變長）。從而實現(xiàn)象鼻梁頭部剛性桿在連桿系統(tǒng)的運動過程中保持水平狀態(tài)。

圖3 一種新型自重平衡柔性自動補償式五連桿組合臂架結構示意圖

圖4 一種新型自重平衡柔性自動補償式五連桿組合臂架結構鋼絲繩纏繞示意圖

如圖4所示，在連桿系統(tǒng)運動過程中，柔性補償鋼絲繩索總長度設為L保持不變，可視為圖4中的L1、L2為柔性補償鋼絲繩索在改向滑輪兩側的長度。在幅度增加時，L1變短，則L2變長；在幅度減小時，L1變長，則L2變短。L2長度隨幅度變化調節(jié)了象鼻梁頭部剛性桿與象鼻梁軸線的夾角，使剛性桿軸線始終處于水平面內。

在剛性桿軸線始終處于水平面的同時，在象鼻梁頭部末端只布置傳統(tǒng)四連桿系統(tǒng)象鼻梁末端所布置的半數(shù)改向滑輪，另外半數(shù)滑輪布置在添加的剛性桿末端，支持鋼絲繩和開閉鋼絲繩再如圖4繞過處在同一水平面非共軸線空間布置的改向滑輪，即實現(xiàn)了鋼絲繩末端空間立體交錯斜拉吊重，為抑制貨物擺動提供水平力，達到抑制貨物擺動的目的。

2 數(shù)學模型建立

2.1 已知參數(shù)

圖5 數(shù)據(jù)模型所需參數(shù)

如上圖5所示各已知參數(shù)均為經優(yōu)化后的四連桿組合臂架，可以保證在連桿系統(tǒng)運動過程中象鼻梁頭部接近水平線軌跡運動，剛性桿長度為吊重所需平衡桿長度，可以根據(jù)實際需要確定。在此主要討論柔性補償鋼絲繩索及剛性桿的設置計算。如圖5所示，連桿隨圖5中J值的變化而運動。當剛性桿長度根據(jù)實際需要確定后，只W1、W2的長度需要計算確定，以保證象鼻梁頭部剛性桿在連桿系統(tǒng)的運動過程中始終保持水平。

2.2 設定函數(shù)

根據(jù)圖5中的各已知參數(shù)做出如下計算：令C1～C12如下式：

最后可得對應特定的W1、W2在隨臂架仰角J變化的過程中對應的柔性補償鋼絲繩索繩長Li的表達式：

SC1為柔性補償鋼絲繩索剛性桿端長度（mm）；SC2為柔性補償鋼絲繩索圓弧段長度（mm）；SC3為柔性補償鋼絲繩索臂架端長度（mm）。

2.3 目標函數(shù)的確定

對于本文所述優(yōu)化設計數(shù)學模型來說，確定如下參數(shù)作為設計變量[4]：

W1為臂架連接柔性補償鋼絲繩索的鉸點與臂架頭部鉸點在沿臂架軸線方向的距離（mm）；

W2為臂架連接柔性補償鋼絲繩索的鉸點到臂架軸線的垂直距離（mm）。

優(yōu)化設計的目的是追求W1、W2的最佳值以使得在臂架仰角J變化過程中柔性補償鋼絲繩索繩長保持不變，從而保證象鼻梁頭部平衡桿始終保持水平狀態(tài)。因此，將連桿系統(tǒng)幅度轉化為n個臂架仰角，取每個角度位置相對于第一個角度位置的柔性補償鋼絲繩索繩長Lsc的變化值，從中提取絕對值最小者作為目標，即目標函數(shù)表達式為：

2.4 約束函數(shù)的建立

3 實例計算驗證

本次以40t-37m傳統(tǒng)四連桿組合臂架系統(tǒng)為算例，已知參數(shù)如表1所示。

表1 實例所需參數(shù)列表

本文利用MATLAB遺傳算法工具箱[5]對目標函數(shù)進行優(yōu)化，得到W1=1000mm、W2=900mm柔性補償鋼絲繩索繩長=27914mm為選取最優(yōu)解。在比較仰角在45°～74°變化過程中，柔性補償鋼絲繩索繩長Lsc最大變化值LSCi為277mm，可認為在連桿系統(tǒng)運動過程中，剛性桿可保持水平狀態(tài)。

4 結論

本文在傳統(tǒng)四連桿組合臂架結構的基礎上設計一段剛性桿和一段柔性補償鋼絲繩索，組合成一種新型自重平衡柔性自動補償式五連桿組合臂架結構。并設定目標函數(shù)及約束函數(shù)調用已知參數(shù)使用MATLAB進行求解優(yōu)化，得到在臂架上設置柔性補償鋼絲繩索鉸點的最佳位置，使得在連桿系統(tǒng)運動過程中剛性桿始終保持水平狀態(tài)。剛性桿隨著連桿系統(tǒng)的運動而自動運動。實現(xiàn)吊重繩索末端空間立體交錯斜拉吊重，為抑制貨物擺動提供水平力，達到抑制貨物擺動的目的。

以40t-37m傳統(tǒng)四連桿組合臂架系統(tǒng)系統(tǒng)模型改造為例驗證了該方法的實用性。對于不同的連桿系統(tǒng)，在已知參數(shù)及約束條件（如表1所示）確定的情況下，采用該算法可以快速確定臂架柔性補償鋼絲繩索鉸點位置及柔性補償鋼絲繩索長度，最終完成自動補償式五連桿組合臂架系統(tǒng)新技術設計任務；采用該吊重防搖方案，可將港口、碼頭現(xiàn)有四連桿組合臂架式散貨起重機改造成也能夠起吊集裝箱的多功能起重機，既安全，又經濟。