多用途港口門座起重機的設計

郝建光

(太原重工股份有限公司，山西030024)

港口門座起重機是中小型多用途碼頭、港口的主要裝卸料設備，可用于集裝箱、散料、廢鋼鐵、散裝件等貨物的裝卸。隨機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。主機設多種接口，多用途港口門座起重機起重量為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 多用途門座起重機的組成和主要技術參數(shù)

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

圖1 多用途港口門座起重機

表1 門座起重機主要技術參數(shù)

2 集裝箱吊具的功能及對主機的要求

集裝箱吊具是門座起重機的吊具之一，用于集裝箱的裝卸。集裝箱有A、B、C三種規(guī)格，相應尺寸(長×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。對應額定重量(包括物品重量)為：30 t，25 t，20 t。集裝箱吊具采用伸縮式結構，可滿足A、B、C三種規(guī)格集裝箱的吊裝，吊具的伸縮、啟閉、回轉可在司機室操控。變幅能近似水平移動，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、回轉過程中集裝箱縱軸始終與軌道平行，滿足集裝箱進出集裝箱船格柵導軌、堆垛定位和吊裝效率。吊具有四個鋼絲繩掛點，可360°回轉，設微調(diào)功能，保證集裝箱對位和起制動平穩(wěn)要求。

3 起升機構

以集裝箱為主、兼顧散貨的門座起重機通常設兩套起升機構，既可單動、又能聯(lián)動。具有滿載高速、空載低速及微調(diào)功能。兩套機構前后平行布置，通過由編碼器、PLC和變頻器構成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)兩套機構同步運行和單獨運行，滿足通過機構實現(xiàn)抓斗升降、開閉動作的作業(yè)工況。機構前后布置，可減小轉臺寬度，方便機械室內(nèi)電控設備布置。

4 四連桿臂架系統(tǒng)及變幅機構

變幅機構、四連桿臂架系統(tǒng)、臂架自重平衡系統(tǒng)是三個相互關聯(lián)的系統(tǒng)，后者設計的越合理，前者的驅(qū)動功率就越小，運行也越平穩(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在變幅范圍內(nèi)沿接近水平線軌跡移動，高度波動范圍不大于±200 mm。四連桿臂架的長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)，通過反求設計原理對它的結構參數(shù)、強度、剛度數(shù)據(jù)進行比照、優(yōu)化，進而確定一組新臂架參數(shù)，完成臂架設計的方法。解析法則是通過四連桿臂架端點的運動軌跡方程，限定端點高度波動誤差，對參數(shù)進行優(yōu)化獲得臂架設計數(shù)據(jù)的方法。借助MATLAB等軟件，根據(jù)臂架結構的優(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、臂架和象鼻架長度要短等指標進行優(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計的。平衡重采用與臂架分離、用杠桿連系、繞鉸軸擺動的活動配重結構，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的減少(或增加)值來設計。變幅過程中臂架和平衡重的合成重心高度會有波動，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構功率增大。要保證臂架配重，無論是空載還是起吊額定載荷，當變幅制動器打開后會自動停止在最大幅度與最小幅度之間的某個位置。最少有一個位置點為四連桿機構的自平衡點；若四連桿機構設計較好，應有兩個自平衡點，空載或起吊額定載荷時的自動停止位會非常接近，一個靠近最大幅度，另一個靠近最小幅度。

4.3 變幅機構

變幅機構由電動機、減速器、聯(lián)軸器、制動器等部件組成。變幅驅(qū)動機構設在旋轉立柱的變幅機構平臺上，采用齒輪、齒條傳動方式，通過上壓輪、下托輪導向保證驅(qū)動齒輪與齒條的嚙合。變幅阻力決定變幅電機功率的大小，它由重物非水平位移、臂架系統(tǒng)自重未完全平衡、作用在臂架上的風阻力和摩擦阻力組成。變幅機構雖然功率不大但工作頻繁、速度高、線速度變化大，動載影響大，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。在整個工作幅度內(nèi)，象鼻架端點在最大幅度的回轉線速度是最小幅度的回轉線速度的2.5倍，控制系統(tǒng)要綜合考慮變幅和回轉速度，并加以限制。

4.4 門座起重機結構設計

起重機結構壽命是起重機使用壽命的關鍵，港口門座起重機頻繁吊運較重載荷，額定載荷只在集裝箱滿載時才會出現(xiàn)，整機工作級別A8。采用變頻控制系統(tǒng)，在靜撓度≤L/750時(L為軌距)，滿足使用定位精度可取。按剛度要求設計，滿足使用壽命下的疲勞許用應力。起重機設計時的常用指標是使用壽命20～30年，結構設計時水平、抗扭撓度應滿足以下要求：

回轉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)，這樣可控制門架結構的總撓度f≤L/750。扭轉剛度按門腿下端固結計算，在垂直于結構水平力的作用下，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為臂架長度)之間。承載結構簡單，受力明確，傳力直接，過渡合理，能有效降低應力集中，提高抗疲勞能力。

4.5 設備的控制及安全保護系統(tǒng)

門座起重機采用電纜卷筒將10 kV高壓電源引入起重機，經(jīng)門架平臺上的變壓器向各機構提供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臺，在象鼻梁端部設電纜卷筒向集裝箱吊具等輔具提供電源。與傳統(tǒng)橋、門式起重機相似，整機采用PLC控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術，起升機構設負荷顯示、超載保護、起升上下限位保護，變幅機構設力矩限制、幅度顯示、變幅限位，臂架頂部設航空障礙信號燈，機上設視頻監(jiān)控系統(tǒng)對各機構及碼頭場地進行監(jiān)控，故障診斷系統(tǒng)可對各機構及大車行走夾輪器、錨定防風裝置、超載、超速、短路、過流、過壓、過熱、失壓、欠壓、缺相、電源錯相、漏電、變壓器及PLC故障等進行監(jiān)測診斷。

5 結語

由于門座起重機獨特的結構形式、臂架系統(tǒng)和工作方式，使它與履帶起重機、汽車起重機等臂架起重機相比明顯不同。前者，頻繁重載使用，A8工作級別，設計時重點考慮剛度和疲勞；而后者，工作級別均在A5以下，設計的重點是強度和穩(wěn)定性。船運具有成本低、運輸量大的特點，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展、港口建設對門座起重機的需求也在增加，了解門座起重機的結構特點和設計要點，對設計和使用都是必要的。