基于質(zhì)量傳感器系統(tǒng)的岸邊集裝箱起重機掛艙保護系統(tǒng)

環(huán)球起重技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司 上海 200135

0 引言

隨著集裝箱運輸船的大型化，岸邊集裝箱橋式起重機（以下簡稱岸橋）高度隨之增高，前伸距也在向外延伸，使司機操作視線受限，加大操作難度。岸橋在作業(yè)過程中，由于操作不當或作業(yè)條件影響，例如波浪、船傾斜、船體結(jié)構(gòu)損壞、集裝箱位置偏差等，吊具在空載或者吊載起升過程中，易發(fā)生吊具上架、吊具或集裝箱掛住船艙或相鄰的集裝箱，導(dǎo)致鋼絲繩力迅速增加、遠遠超過額定值的情況。由于載荷迅速增大，結(jié)構(gòu)與機構(gòu)產(chǎn)生巨大應(yīng)力，若不加以保護，會對起重機結(jié)構(gòu)和機構(gòu)產(chǎn)生嚴重危害，故岸橋應(yīng)配備掛艙保護系統(tǒng)。

掛艙保護系統(tǒng)的功能是在檢測到掛艙發(fā)生時系統(tǒng)可快速動作，利用制動器使機構(gòu)快速停止，或同時采取其他手段，如液壓缸回縮、聯(lián)軸器脫開等，阻止鋼絲繩力進一步增加，從而保護岸橋的整機的安全。文中通過分析在起升階段掛艙過程中鋼絲繩的受力變化，優(yōu)化掛艙保護程序閾值，利用已有的質(zhì)量傳感器系統(tǒng)及主程序控制系統(tǒng)，增設(shè)邏輯保護程序，實現(xiàn)掛艙保護的目的。

1 各系統(tǒng)簡介及優(yōu)缺點分析

1.1 液壓掛艙保護系統(tǒng)

液壓掛艙保護系統(tǒng)利用岸橋尾部的4個液壓缸來實現(xiàn)掛艙保護功能，如圖1所示。鋼絲繩拉力通過杠桿作用在液壓缸上，故鋼絲繩拉力與液壓系統(tǒng)的壓力有對應(yīng)關(guān)系。該系統(tǒng)通過壓力繼電器檢測液壓系統(tǒng)壓力。當檢測到系統(tǒng)壓力達到掛艙設(shè)定壓力值時，發(fā)出掛艙信號給主系統(tǒng)，主系統(tǒng)令驅(qū)動斷電或增加反力矩。反力矩是否施加取決于具體控制系統(tǒng)情況。同時，制動器閉合，使電機、卷筒快速停止。在壓力繼電器發(fā)出信號的同時，液壓系統(tǒng)溢流閥在鋼絲繩拉力作用下溢流，液壓缸在鋼絲繩拉力作用下快速回縮，抵消在此過程中吊具的起升位移，阻止鋼絲繩拉力進一步增大，達到保護岸橋的目的。

圖1 液壓掛艙保護系統(tǒng)

該系統(tǒng)成本較低，性能穩(wěn)定可靠，能保證岸橋正常作業(yè)；同時，由于采用液壓缸回縮的方式，對沖擊載荷有緩沖作用，可以更全面地保護岸橋。但是，壓力開關(guān)設(shè)定值的精確性、泄壓速度、掛艙發(fā)生的信號傳輸、動作反饋以及制動器閉合都會有一定時間的滯后，實際掛艙保護效果會受到一定影響。

2.2 機械掛艙保護系統(tǒng)

機械掛艙保護系統(tǒng)采用安全聯(lián)軸器進行保護，如圖2所示。該系統(tǒng)中高速聯(lián)軸器傳遞的力矩可以設(shè)定，當發(fā)生掛艙時，馬達與減速器之間的力矩大于設(shè)定力矩，聯(lián)軸器脫開，利用聯(lián)軸器脫開來切斷電機部分的轉(zhuǎn)動慣量。同時，聯(lián)軸器上的限位開關(guān)感應(yīng)到此動作發(fā)出掛艙信號，應(yīng)急制動器快速閉合，高速制動器正常閉合，令卷筒停轉(zhuǎn)，從而阻止鋼絲繩力繼續(xù)升高，保護岸橋。

該系統(tǒng)反應(yīng)速度快，可使系統(tǒng)快速停止，但其成本較高，掛艙后復(fù)位過程長，若聯(lián)軸器脫開，需先復(fù)位聯(lián)軸器，再進行電氣復(fù)位。同時，由于設(shè)定力矩的大小取決于彈簧力和摩擦系數(shù)，應(yīng)用一段時間多次脫開后，受潤滑等因素的影響，摩擦系數(shù)會發(fā)生變化，其力矩穩(wěn)定性也值得探討。如果設(shè)定值不合適，會在作業(yè)過程中產(chǎn)生誤報掛艙的情況，在日常工作和急停情況下都有可能發(fā)生脫開現(xiàn)象，對碼頭操作效率有一定影響。每2～3 a需對安全聯(lián)軸器進行周期性拆卸校驗或更換，耗時耗力且增加費用支出。

圖2 安全聯(lián)軸器系統(tǒng)

3 掛艙過程的受力分析

掛艙發(fā)生后，鋼絲繩在掛點處被固定，卷筒側(cè)持續(xù)施加拉力。通過分析鋼絲繩的變形量與鋼絲繩拉力來判斷掛艙過程中各受力件的變化。

鋼絲繩拉長量與鋼絲繩受力關(guān)系

式中：Δl鋼絲繩為鋼絲繩受力情況下的變形量，F(xiàn)鋼絲繩為施加在鋼絲繩上的拉力，A為鋼絲繩橫截面的凈面積，E為彈性模量，L為鋼絲繩計算變形量的理論長度。

以額定起重量65 t的岸橋為例，前伸距48 m,后伸距12 m，大車軌距30 m，軌上起升高度37 m，軌下起升高度14 m，空載起升速度150 m/min，額載起升速度60 m/min，鋼絲繩直徑30 mm、規(guī)格為8XK26WS、破斷力為70.21 t，A取509.58 mm2，E取21×104MPa，L的理論長度取140 ～170 m。

由式（1）計算得出，鋼絲繩拉力ΔF鋼絲繩每增加10 t，鋼絲繩變形量Δl鋼絲繩被拉長約0.128～0.156 m，故如何及時診斷并快速反應(yīng)進行掛艙保護動作尤其重要。

岸橋上的質(zhì)量傳感器將壓力電信號傳送給主系統(tǒng)，主系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為程序質(zhì)量讀取值，循環(huán)周期約為20 ms。以一般岸橋控制系統(tǒng)為例，主系統(tǒng)的掃描周期為50 ms，驅(qū)動執(zhí)行程序命令周期忽略不計，制動器從斷電到開始對制動盤施加力的作用，根據(jù)現(xiàn)場測試，時間約為210 ms。制動器作用于制動盤至卷筒停止運動需要約20 ms。利用主系統(tǒng)結(jié)合質(zhì)量傳感器信號，可以保證在300 ms以內(nèi)執(zhí)行掛艙動作保護反應(yīng)并使機構(gòu)停止，同時考慮到隨著鋼絲繩力的增加，前大梁也會有一定程度的結(jié)構(gòu)下?lián)?，進一步緩解鋼絲繩力實際增加程度。此外，伴隨著掛艙后導(dǎo)致鋼絲繩拉力的增加，電機輸出轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)等比減小。綜合以上因素，可得實際發(fā)生掛艙達到預(yù)設(shè)值至機構(gòu)停止，空載情況下鋼絲繩被拉伸量約343 mm，額載情況下鋼絲繩被拉伸量約290 mm，即從實際發(fā)生掛艙達到預(yù)設(shè)值至實行掛艙保護動作機構(gòu)停止，鋼絲繩在空載情況下的拉力增加量在22.0～26.8 t，在額載情況下的拉力增加量在18.6～22.7 t。

4 掛艙保護程序的閾值分析

以岸橋為例進行分析，其主要參數(shù)為：起升系統(tǒng)質(zhì)量LS＝17 t，額定起重量LL＝65 t，雙20尺箱長度L11＝5 200 mm，長度方向最大偏心L21＝1 200 mm；寬度L12＝1 060 mm，寬度方向偏心L22＝0 mm。

4.1 在額載的情況下

鋼絲繩正常工作狀態(tài)下的拉力

在偏載工作狀況下鋼絲繩的最大拉力

式中：ηRM為纏繞系統(tǒng)效率系數(shù)，取0.963。

1）單角掛艙質(zhì)量傳感器（A角或B角或C角或D角）閾值保護值設(shè)定

式中：kr為帶載安全系數(shù)，取1.1；IMP為沖擊系數(shù)，取1.25；S02r為偏載下鋼絲繩的工作拉力。

以示例中的岸橋為例，結(jié)果如表1所示。

2）單邊掛艙質(zhì)量傳感器（左側(cè)兩個角的和或右側(cè)兩個角的和）閾值保護值設(shè)定

以示例中的岸橋為例，結(jié)果如表2所示。

3）四角掛艙質(zhì)量傳感器（A角+B角+C角+D角）閾值保護值設(shè)定

在四角掛艙的情況下，偏載和正常工作狀態(tài)下總質(zhì)量是一致的，為簡化計算，以正常工作情況下鋼絲繩的拉力為設(shè)定值參考對象。以示例中的岸橋為例，結(jié)果如表3所示。

4.2 在空載的情況下

鋼絲繩正常工作狀態(tài)下的拉力

1）單角掛艙質(zhì)量傳感器（A角或B角或C角或D角）閾值保護值設(shè)定

式中：ke為空載安全系數(shù)，取1.1；IMP為沖擊系數(shù)，取1.25；S01e為偏載下鋼絲繩的工作拉力。以示例中的岸橋為例，結(jié)果如表1所示。

2）單邊掛艙質(zhì)量傳感器（左側(cè)兩個角的和或右側(cè)兩個角的和）閾值保護值設(shè)定

以示例中的岸橋為例，結(jié)果如表2所示。

3）四角掛艙質(zhì)量傳感器（A角+B角+C角+D角）閾值保護值設(shè)定

以示例中的岸橋為例，結(jié)果如表3所示。

表1 單角掛艙質(zhì)量傳感器（A角或B角或C角或D角）閾值保護值設(shè)定

表2 單邊掛艙質(zhì)量傳感器（左側(cè)兩個角的和或右側(cè)兩個角的和）閾值保護值設(shè)定

表3 四角掛艙質(zhì)量傳感器（A角+B角+C角+D角）閾值保護值設(shè)定

4.3 掛艙保護程序閾值的優(yōu)化

由此可知，當發(fā)生掛艙時，鋼絲繩拉力將急劇增加，其中單角掛艙受影響最大的是鋼絲繩拉力，即對鋼絲繩的影響。而四角掛艙受影響最大的是結(jié)構(gòu)和機構(gòu)受力。在相同的掛艙情況下，單角掛艙下整體掛艙力在空載的情況下約為70.9 t，額載的情況下約為138.4 t，而四角掛艙整體掛艙力在空載的情況下約為238.6 t，在額載的情況下將達到298.2 t。

對于額載情況下四角掛艙閾值被激活的時候，整體掛艙閾值為116.6 t，此閾值對應(yīng)的吊具下的質(zhì)量為99.6 t，相當于額載65 t的1.523倍。此掛艙閾值相對于工作載荷較合理。

對于空載情況下的示例岸橋，四角整體掛艙閾值被激活時，整體掛艙閾值為24.2 t，此時相當于吊具下的載重為7.2 t，此值偏小，可能會誤動作。若將相當于吊具下的載重值提升至約30 t，反推計算整體掛艙閾值設(shè)定值約為47 t。基于整體掛倉閾值設(shè)定值為47 t進行推算，此時，ke空載安全系數(shù)取2.1。掛艙保護觸發(fā)至掛艙保護動作，額載下鋼絲繩總增加拉力為214.4 t，鋼絲繩最大拉力32.7 t，此時鋼絲繩的安全系數(shù)為2.1，整體掛艙拉力約262.4 t，仍小于額載下四角掛艙的整體掛艙力298.2 t。如此，掛艙動作閾值由吊具下7.2 t提升至30 t，能有效地防止掛艙保護程序的誤動作，故而在空載情況下ke空載安全系數(shù)取2.1將更為合理有效。

同時，通過分析可得，發(fā)生整體掛艙時，系統(tǒng)對于整體掛艙的識別并不能明顯地先于單角掛艙閾值的觸發(fā)。但為了程序邏輯的完整與清晰，文中仍然分別給定了單角掛艙、單邊掛艙以及整體掛艙的閾值設(shè)定值。

進一步地分析可得，掛艙過程中起升速度的因素也是導(dǎo)致掛艙力迅速增加的主要原因之一。由于整體掛艙情況下實際掛艙力最大將達到298.2 t，此力對于岸橋的機構(gòu)和結(jié)構(gòu)存在很大的安全隱患。如果將起升速度在可能發(fā)生掛艙的范圍內(nèi)進行50%限速運行，掛艙過程中鋼絲繩力的增加速率將可以減少約50%。對最大掛艙力進行分析，從觸發(fā)值至實際保護值能控制在空載的情況下鋼絲繩的拉力增加量在11.0 t～13.4 t，額載鋼絲繩的拉力增加量在9.3 t～11.4 t?；诖擞嬎憧蛰d四角整體掛艙對應(yīng)的最大整體掛艙拉力約為154.2 t。額載四角整體掛艙對應(yīng)的最大整體掛艙拉力約為207.8 t。

4.4 掛艙保護程序的設(shè)定

岸橋基于質(zhì)量傳感器系統(tǒng)及主PLC的程序控制，可增加一段掛艙保護程序邏輯描述。為簡化程序邏輯與控制，根據(jù)實際掛艙情況下的風(fēng)險等級，掛艙保護程序的前置判定條件設(shè)為吊具作業(yè)工況下，帶載與空載的區(qū)分條件為吊具鎖頭狀態(tài)處于開鎖位置還是閉鎖位置。吊鉤作業(yè)、吊具上吊耳掛鋼索吊異形箱等特殊作業(yè)工況下，起吊速度相對較慢，掛艙風(fēng)險小，且程序的過載保護邏輯已能做出相應(yīng)的保護，故不進行掛艙保護程序條件的判定，以減少程序誤判的情況的發(fā)生。同時，增加速度限定條件，在小車位于前大梁位置，吊具位于船艙內(nèi)高度范圍，將起升速度限定50%運行。

5 結(jié)語

在岸橋大型化、遠程化及自動化的趨勢下，掛艙保護系統(tǒng)成為岸橋必不可少的配置。在不改變岸橋任何配置的情況下，基于岸橋上現(xiàn)有的質(zhì)量傳感器系統(tǒng)及主系統(tǒng)的程序控制，增加一段簡單易行的掛艙保護邏輯程序，即可以實現(xiàn)增加一道安全保護，對于新造岸橋以及使用中的岸橋的安全防護都是一種提高，同時，程序性的保護，復(fù)位過程不需要在進行額外的機械調(diào)整，對于維修要求也簡單易行。本文主要分析在起升上升階段掛艙發(fā)生過程中的鋼絲繩受力變化。對于處于起升初始階段的掛艙，由于起升初始速度低，其受力變化要遠遠小于上升階段，風(fēng)險性較小，相應(yīng)的程序保護也能夠覆蓋對于此過程中發(fā)生的掛艙進行保護。