集裝箱龍門(mén)起重機(jī)吊具智能主動(dòng)跟隨防搖控制研究

王 成

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

集裝箱龍門(mén)起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)龍門(mén)吊)是在堆場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)作業(yè)功能的需求由大車(chē)水平運(yùn)行、起升垂直運(yùn)行和小車(chē)水平運(yùn)行共三大運(yùn)行型式組成。龍門(mén)吊小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)通常安放在高度約20～25 m的大梁上，小車(chē)機(jī)構(gòu)上布置鋼絲繩卷筒和滑輪組，鋼絲繩從小車(chē)進(jìn)出繩，柔性連接下部的吊具進(jìn)行作業(yè)。龍門(mén)吊通常起吊15～50 t的載荷，在水平方向做23～50 m距離的高速運(yùn)行，小車(chē)頻繁加減速高速運(yùn)行，柔性連接導(dǎo)致下部吊具和載荷與上部小車(chē)機(jī)構(gòu)不能同步加、減速，形成吊具和載荷的柔性擺動(dòng)。為了消除等待擺動(dòng)消失的時(shí)間，提高效率，吊具和載荷的防搖控制成為龍門(mén)吊必不可少的功能。

通常對(duì)龍門(mén)吊防搖控制的性能要求是：吊具底部距離地面2 m，吊具下載荷空載，小車(chē)機(jī)構(gòu)以額定速度運(yùn)行，制動(dòng)停車(chē)后的5 s內(nèi)，空吊具的擺動(dòng)幅度控制在±100 mm以?xún)?nèi)；吊具下掛載額定起重量時(shí)，同等擺動(dòng)幅度下允許的時(shí)間可以放寬至8～10 s。目前，研究吊具防搖主要集中在小車(chē)方向的防搖，輪胎式龍門(mén)起重機(jī)帶載大車(chē)運(yùn)行的概率不高，但是自動(dòng)化軌道吊帶載大車(chē)運(yùn)行則是工作的重要組成部分，因此研究小車(chē)和大車(chē)方向的吊具防搖控制都非常重要。

2 現(xiàn)有小車(chē)機(jī)構(gòu)布局及吊具防搖控制

現(xiàn)有龍門(mén)吊的小車(chē)機(jī)構(gòu)主要形式是單一起升卷筒輔以多滑輪組構(gòu)成，以此為基礎(chǔ)再配合多種形式的防搖裝置，實(shí)現(xiàn)小車(chē)機(jī)構(gòu)帶載的運(yùn)行。起重機(jī)常用的防搖裝置分為機(jī)械式、力矩電機(jī)式、液壓式、電子式4類(lèi)。

機(jī)械式是指利用機(jī)械原理減搖或防搖，分剛性和撓性?xún)纱箢?lèi)，主要有剛性導(dǎo)筒制動(dòng)(剛性)、分離臺(tái)車(chē)(撓性)和八字繩系(撓性)3種；力矩電機(jī)式是指通過(guò)卷筒給鋼絲繩一定的張力并配合制動(dòng)器的制動(dòng)力給鋼絲繩增加阻尼的防搖系統(tǒng)；液壓式是指用液壓油缸推動(dòng)滑輪組的防搖系統(tǒng)；電子式是指完全依靠電氣自動(dòng)控制小車(chē)移動(dòng)原理的防搖系統(tǒng)。

這些防搖裝置都屬于被動(dòng)防搖裝置，雖然實(shí)現(xiàn)了防搖功能，但存在著輪胎磨損量大、影響整機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修頻繁、保養(yǎng)工作量大、容易發(fā)生泄漏污染、時(shí)滯性明顯和靈敏度不高等缺點(diǎn)，各種防搖形式的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 各種被動(dòng)防搖形式差異表

3 主動(dòng)跟隨的四卷筒智能防搖控制系統(tǒng)

新型小車(chē)的起升卷筒由1個(gè)改為2個(gè)，軸向與小車(chē)運(yùn)行方向同向，每個(gè)卷筒上設(shè)置2根起升鋼絲繩，每根鋼絲繩分別從卷筒以接近于90°的出繩角出繩后經(jīng)過(guò)吊具1角的1個(gè)起升滑輪后固定在小車(chē)上。依據(jù)新型小車(chē)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了吊具主動(dòng)跟隨的四卷筒智能防搖控制系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)組成

集裝箱吊具主動(dòng)跟隨的四卷筒智能防搖控制系統(tǒng)，包括布置在小車(chē)上的4個(gè)防搖電機(jī)和減速機(jī)(采用三合一電機(jī))、4個(gè)防搖鋼絲繩卷筒、4個(gè)絕對(duì)值編碼器與重量傳感器、4個(gè)變頻器和相應(yīng)的PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)、Profibus(Process Field Bus過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn))系統(tǒng)等(見(jiàn)圖1)。采用變頻電機(jī)，配置增量式編碼器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)矢量控制。

圖1 防搖系統(tǒng)總體布局圖

4根防搖鋼絲繩在空間布置上是等長(zhǎng)度并且互不交叉干涉的，一端固定在主起升卷筒上，另一端通過(guò)布置在吊具上的一次導(dǎo)向滑輪纏繞在4個(gè)防搖卷筒上(見(jiàn)圖2)。

圖2 防搖系統(tǒng)繞繩形式

3.2 系統(tǒng)功能和工作原理

智能防搖控制系統(tǒng)具備智能檢測(cè)和控制的功能，通過(guò)信息采集識(shí)別作業(yè)工況；通過(guò)實(shí)時(shí)智能控制系統(tǒng)的運(yùn)算比較，計(jì)算防搖變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和速度；通過(guò)Profibus實(shí)時(shí)采集變頻器輸出轉(zhuǎn)矩值，使防搖鋼絲繩達(dá)到所需的最佳防搖拉力，實(shí)現(xiàn)防搖過(guò)程的實(shí)時(shí)控制；采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)吊具在不同的高度進(jìn)行防搖，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，防搖效果較好。

當(dāng)小車(chē)開(kāi)始運(yùn)行處于加速狀態(tài)時(shí)，小車(chē)運(yùn)行方向同側(cè)的主動(dòng)防搖卷筒在變頻防搖電機(jī)驅(qū)動(dòng)下張緊防搖鋼絲繩，以減小吊具向運(yùn)行方向相反側(cè)擺動(dòng)的角度；當(dāng)小車(chē)到達(dá)恒定速度運(yùn)行，則4個(gè)輔助卷筒保持靜止?fàn)顟B(tài)，防搖鋼絲繩處于張緊狀態(tài)防止吊具搖晃；當(dāng)小車(chē)減速停止運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行方向相反側(cè)的主動(dòng)防搖卷筒在變頻防搖電機(jī)驅(qū)動(dòng)下張緊繩索，防止吊具因慣性產(chǎn)生擺動(dòng)，從而保證吊具穩(wěn)定。雙起升卷筒和四防搖卷筒構(gòu)成的主動(dòng)防搖系統(tǒng)可兼顧大車(chē)方向的防搖，相同于小車(chē)方向上防搖功能的原理，大車(chē)帶載運(yùn)行加速時(shí)和大車(chē)運(yùn)行方向一致的防搖卷筒在變頻防搖電機(jī)驅(qū)動(dòng)下張緊防搖鋼絲繩，以減小吊具向大車(chē)運(yùn)行方向相反側(cè)擺動(dòng)的角度；勻速運(yùn)行時(shí)防搖卷筒保持不動(dòng)；減速時(shí)與大車(chē)運(yùn)行方向相反的防搖卷筒張緊防搖鋼絲繩，以減小吊具和載荷的慣性運(yùn)動(dòng)。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有的被動(dòng)防搖裝置中多是利用制動(dòng)器摩擦增加阻尼的原理來(lái)達(dá)到防搖的效果，吊具和貨物搖擺的能量又傳導(dǎo)到龍門(mén)吊整機(jī)結(jié)構(gòu)和輪胎上，對(duì)輪胎的磨損和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命都帶來(lái)不利的影響。利用變頻電機(jī)進(jìn)行的主動(dòng)智能防搖系統(tǒng)可以在預(yù)知作業(yè)載荷重量、作業(yè)高度、運(yùn)行距離等參數(shù)的前提下，主動(dòng)跟隨性的預(yù)設(shè)變頻電機(jī)的力矩，盡可能減小吊具和貨物的擺動(dòng)。擺動(dòng)的能量可通過(guò)變頻器的能量反饋功能回收到機(jī)上的超級(jí)電池能量存儲(chǔ)裝置，將原來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷的能量轉(zhuǎn)變成為驅(qū)動(dòng)起重機(jī)運(yùn)行的綠色能量，是原有被動(dòng)防搖裝置所不具備的顯著優(yōu)點(diǎn)。

4 多軸拖動(dòng)系統(tǒng)的吊具微動(dòng)和傾轉(zhuǎn)功能

龍門(mén)吊作業(yè)的對(duì)象主要是場(chǎng)地上的集裝箱，隨著作業(yè)量的增加及場(chǎng)地的自然沉降，集裝箱堆場(chǎng)、集裝箱卡車(chē)行車(chē)道、龍門(mén)吊運(yùn)行場(chǎng)地都會(huì)出現(xiàn)不同程度的凹凸不平，對(duì)集裝箱作業(yè)過(guò)程中的對(duì)箱過(guò)程產(chǎn)生不利影響，會(huì)嚴(yán)重影響集裝箱裝卸的作業(yè)效率。通過(guò)實(shí)現(xiàn)吊具的水平旋轉(zhuǎn)、垂直傾轉(zhuǎn)、水平側(cè)移等微動(dòng)功能可顯著降低司機(jī)的對(duì)箱困難，彌補(bǔ)上述不足造成的效率下降。傳統(tǒng)的防搖裝置主要功能就是單一的防搖，不具備這些功能。新型的雙起升卷筒和四防搖卷筒組成的多軸拖動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)跟隨防搖控制的同時(shí)，還可通過(guò)多軸拖動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行實(shí)現(xiàn)吊具的多種微動(dòng)功能。

小車(chē)方向微動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)：當(dāng)①②號(hào)兩個(gè)防搖卷筒同時(shí)收繩其余卷筒維持不動(dòng)時(shí)，吊具帶載可向右側(cè)水平微動(dòng)正向20 cm；③④號(hào)兩個(gè)防搖卷筒同時(shí)收繩其余卷筒維持不動(dòng)時(shí)，吊具帶載可向左側(cè)水平微動(dòng)正向20 cm，從而可實(shí)現(xiàn)小車(chē)運(yùn)行方向的正反向微動(dòng)(見(jiàn)圖3)。當(dāng)小車(chē)停車(chē)位與對(duì)箱位有出入時(shí)，可通過(guò)這項(xiàng)功能避免頻繁移動(dòng)小車(chē)實(shí)現(xiàn)快速對(duì)箱。

圖3 小車(chē)方向微動(dòng)和水平旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)原理圖

水平旋轉(zhuǎn)微動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)：當(dāng)①③號(hào)兩個(gè)防搖卷筒同時(shí)收繩其余卷筒維持不動(dòng)時(shí)，吊具可實(shí)現(xiàn)水平順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)5°；②④號(hào)防搖卷筒同時(shí)收緊其余卷筒維持不動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)吊具水平逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)5°。當(dāng)小車(chē)停車(chē)位與下方集卡產(chǎn)生水平夾角的時(shí)候，可通過(guò)這項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)快速對(duì)位著箱。

大車(chē)方向微動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)：當(dāng)起升主卷筒保持不動(dòng)，①②③④防搖卷筒同時(shí)同向運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)吊具在大車(chē)方向單向微動(dòng)20 cm；4個(gè)防搖卷筒反向同時(shí)運(yùn)行時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)吊具在大車(chē)方向反方向微動(dòng)20 cm(見(jiàn)圖4)。當(dāng)大車(chē)停車(chē)位與下方著箱位有偏差時(shí)，可避免頻繁移動(dòng)大車(chē)對(duì)位實(shí)現(xiàn)快速著箱。

圖4 大車(chē)方向微動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)原理圖

5 結(jié)語(yǔ)

集裝箱龍門(mén)起重機(jī)吊具智能主動(dòng)跟隨防搖控制系統(tǒng)在優(yōu)化突破傳統(tǒng)單一被動(dòng)防搖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了由單自由度防搖向雙自由度防搖的創(chuàng)新，同時(shí)融合實(shí)現(xiàn)了吊具的多種微動(dòng)功能，可顯著提高龍門(mén)起重機(jī)的作業(yè)效率。防搖卷筒和起升卷筒組成的多軸傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用智能算法的控制，可顯著優(yōu)化龍門(mén)起重機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，同時(shí)小車(chē)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化降低了起重機(jī)頂部結(jié)構(gòu)的重量，還可顯著增加起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的壽命。