岸邊集裝箱起重機(jī)前大梁頭部防扭裝置主參數(shù)分析

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）作業(yè)中吊載系統(tǒng)因慣性或風(fēng)的影響會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)并影響作業(yè)效率。防扭裝置可連續(xù)反向跟隨吊載系統(tǒng)，從而實現(xiàn)防扭作用。通過實踐，普通上架岸橋若有遠(yuǎn)程操作或自動化要求時，應(yīng)在前大梁頭部增設(shè)一套單電動推桿機(jī)構(gòu)作為防扭裝置。本文著重分析前大梁防扭裝置的功能特點和如何確定電動推桿主參數(shù)，確保防扭效果不但好，性價比也高。

1 防扭裝置功能特點

防扭裝置的防扭角度范圍為0.5°～2°，由于慣性或風(fēng)作用而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)一般不會超過2°。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度小于0.5 時，可不配置防扭裝置。原因是40 ft集裝箱長12.192 m，扭轉(zhuǎn)角度在0.5 時的小車方向只偏離原位52 mm。目前不論是否為自動化碼頭，碼頭前沿作業(yè)還需人工干預(yù)，故52 mm的偏離是可以克服的。另外，繩速為50 mm/s。繩速50 mm/s最早由ABB提出，也經(jīng)過調(diào)試實踐驗證，一直沿用至今。

2 電動推桿主參數(shù)定義

防扭裝置中的主要外購件為電動推桿。經(jīng)過實踐，電動推桿主參數(shù)范圍和每個主參數(shù)定義可見表1。

表1 電動推桿主參數(shù)表

在表1中，參數(shù)均由岸橋制造商指定，其中額定推力F、行程L、最大靜態(tài)力F最大靜態(tài)對推桿選型影響較大。

3 電動推桿主參數(shù)計算

防扭通過前大梁頭部電動推桿調(diào)整吊載系統(tǒng)對角高低差實現(xiàn)，推桿額定推力F通過吊載系統(tǒng)每角鋼絲繩受力的差值并通過杠桿比得出，即

如圖1所示，其中FA、FB、FC、FD分別為鋼絲繩吊具下每角單根鋼絲繩受力值，載荷縱向橫向10%偏心工況下，可驗證(FA-FD)+(FC-FB)＝0，即因杠桿作用鋼絲繩受力相互抵消，無需考慮偏心工況。

圖1 岸橋吊載系統(tǒng)受力分布示意圖

同理，推桿行程L通過吊載系統(tǒng)單角鋼絲繩變化量并通過三角形相似等比例定理得出；最大靜態(tài)力（F最大靜態(tài)）是當(dāng)?shù)踺d系統(tǒng)發(fā)生掛艙或最大回轉(zhuǎn)時，吊載系統(tǒng)每角單根鋼絲繩受力的差值并通過杠桿比得出，計算公式與額定推力F的類似。

表2列舉的數(shù)據(jù)是通過自主研發(fā)的計算程序?qū)?個項目的電動推桿主參數(shù)計算結(jié)果，以及實際采購參數(shù)對比，并嘗試從中找出主參數(shù)確定規(guī)律。需要注意的是，鋼絲繩彈性模量統(tǒng)一按98 100 MPa計算。考慮到防扭只在軌上特定高度才會產(chǎn)生，起升鋼絲繩有效長度是指單根起升繩不放商檢及設(shè)計余量減去軌下起升高度，再減去兩端在卷筒上的壓繩圈、安全圈后的長度，最后除以2。

根據(jù)表2的理論計算結(jié)果和對比，有以下結(jié)論：

1）當(dāng)鋼絲繩下質(zhì)量相同時，推桿額定推力主要受上架滑輪開檔和小車架滑輪開檔影響。尤其以小車軌道方向小車架滑輪開檔影響最大，開檔1 800 mm時推桿額定推力會比2 000 mm時大。因此，電動推桿額定推力理論計算基本小于6 t（基于375/660杠桿比）。例如LS+LL＝84 t的項目，若小車架滑輪開檔為2 000 mm，額定推力約5 t；若小車架滑輪開檔為1 800 mm，額定推力約6 t；上架采用液壓缸點動的自動化碼頭岸橋LS+LL＝87 t的項目，額定推力僅為6.1 t。

2）當(dāng)其他參數(shù)相同時，推桿行程主要跟鋼絲繩彈性變形有關(guān)，即受鋼絲繩直徑、有效截面積和鋼絲繩有效長度影響。鋼絲繩直徑越小其有效長度越長，則推桿行程越大。由表2可知，對于軌距、起升高度和前伸距都超大的項目（如新加坡PSA），理論計算的推桿行程超過了260 mm，但考慮到表2計算都是基于額載65 t，實際操作額載大部分情況都是低于50 t，故推桿行程可統(tǒng)一規(guī)定L＝±260 mm。

表2 計算程序?qū)?個項目電動推桿主參數(shù)的計算結(jié)果既實際采購參數(shù)對比

3）最大靜態(tài)力考慮單角掛艙或最大回轉(zhuǎn)角度受力的情況，取兩者中的最大值。對角掛艙工況因極少發(fā)生，可不考慮。以弗吉尼亞項目為例，掛艙發(fā)生時的推桿受力為13.3 t；最大回轉(zhuǎn)角度5 時的推桿受力為16.35 t。

所以，推桿最大靜態(tài)力 F最大靜態(tài)為16.35t。目前，常規(guī)LS+LL＝84 t的項目按最大靜態(tài)力30 t選取過于保守，取 F最大靜態(tài)＝ 20 t即可。

4 配套廠家參數(shù)注意事項

1）效率

電動推桿無論采用渦輪蝸桿減速器或斜齒輪減速器，防扭裝置總效率約η＝0.8～0.9，效率對于電動機(jī)功率有重大影響。

2）最大動態(tài)允許推力

前述中只考慮了電動推桿的靜態(tài)額定推力，而未考慮最大動態(tài)允許推力。推桿電機(jī)啟動時有一定的過載系數(shù)(250%～300%)，且為變頻驅(qū)動，所以啟動時沒有問題。

3）電機(jī)功率

從表2中可以看出，電機(jī)功率一般不會超過7.5 kW，電機(jī)功率超過7.5 kW的項目需復(fù)核推桿主參數(shù)和計算是否準(zhǔn)確。根據(jù)推桿速度V＝80 mm/s，額定推力F＝6 t，效率η＝0.8，所以功率P＝FV/η＝5.88 kW。由此可知，功率一般低于6 kW，但配套廠家有時為了安全余量和備貨方便，電機(jī)功率一般為7.5 kW。

4）推桿最大靜態(tài)力

推桿的 F最大靜態(tài)主要依靠電機(jī)制動器維持，如果F最大靜態(tài)偏大，會造成制動器偏大，甚至?xí)绊戨姍C(jī)功率，原因是制動器過大而電機(jī)過小會造成不匹配，故需合理確定F最大靜態(tài)。

5）推桿行程

配套廠家會在要求的推桿行程下自行留出一定余量。有些廠家甚至留出100 mm余量，主要考慮電控錯誤設(shè)置的可能性，若是通過電機(jī)反制動力矩而非制動器直接剎車，制動距離過長會拉壞絲桿。

5 對一些項目調(diào)試結(jié)果的分析判斷

1）ZP13-2016 AMPT 馬士基：調(diào)試報告顯示推桿力需要8 t以上。該項目推桿理論行程為 320 mm，與要求的 260 mm存在 60 mm差值，另外還有配套廠家的行程余量。調(diào)試中，將推桿推到極限位置，而非限位限定的位置，所以調(diào)試時推桿力必然增大，也是沒有必要的。 同時，該項目為分離上架，調(diào)試時雖僅采用主上架，但也有LS＝26 t，即使推桿行程正確，調(diào)試時額定推力也會比常規(guī)項目大。對于常規(guī)項目，額定推力約為6 t是合理的。

2）1002000254 新加坡PSA調(diào)試反饋，電動推桿制動器拉不住吊載系統(tǒng)，最大靜態(tài)力至少要30 t以上；無法通過推桿電機(jī)復(fù)位吊載系統(tǒng)。具體如下：

①在做后大梁傾轉(zhuǎn)液壓缸試驗，前大梁防扭推桿當(dāng)時為未工作狀態(tài)，制動器合閘；

②在試驗到一定狀況下，防扭推桿制動器剎不住，推桿被拉出。系統(tǒng)顯示轉(zhuǎn)角14°，繩荷載為30.2 t，此為動態(tài)試驗，瞬間動態(tài)繩荷載會更大；

③制動器達(dá)到極限值，推桿被拉動，制動片亦已被拉紅；

④在65 t荷載下，正常傾轉(zhuǎn)5°，動作比較緩慢，此時載荷已顯示接近30 t，防扭制動器正常，但推桿電機(jī)無法復(fù)位吊載系統(tǒng)。

根據(jù)以上調(diào)試數(shù)據(jù)，有觀點認(rèn)為無論動態(tài)還是靜態(tài)推桿受力已達(dá)到30 t以上，最大靜態(tài)保持力僅采用20 t會過低。經(jīng)調(diào)查無論動態(tài)還是靜態(tài)，約30 t的推桿受力概念理解錯誤。此30 t是指吊具下單角的質(zhì)量，不考慮松繩端的受力，僅考慮30 t的對角受力，推桿最大靜態(tài)保持力F最大靜態(tài)＝18.44 t，20 t的最大靜態(tài)力是滿足的。另外，此時吊載系統(tǒng)偏角已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防扭所需的2 要求，此時光靠推桿電機(jī)無法復(fù)位吊載系統(tǒng)是合理的。

推桿拉不住的主要原因是：鋼絲繩制動器被拉紅說明在超出正常作業(yè)工況下頻繁測試，制動器溫度已大幅升高，摩擦系數(shù)大幅下降，剎不住是有可能的。制動器沒有磨合好也是另外一個原因。

3）配套廠家反饋洋山四期在風(fēng)速比較大的情況下作業(yè)，實際推力比要求的大，經(jīng)調(diào)查，尚未出現(xiàn)上述問題。

6 結(jié)論

由上述分析可知，采用額定推力F＝6 t、推桿行程L＝±260 mm、F最大靜態(tài)＝20 t、功率P≤7.5 kW的電動推桿可實現(xiàn)普通上架岸橋的防扭作用，同時也可杜絕配套件選型過大的問題，性價比高、經(jīng)濟(jì)效益顯著。