（机械设计及理论专业论文）臂桥架起重机防摇系统研究.pdf

摘要 臂桥架起重机，是对门座起重机变幅系统改造的一种新型集装箱岸边起重 机，它具有装卸效率高，工作范围大等优点。在臂桥架起重机的研制过程中， 除进行其变幅系统的优化设计、运行小车的运动过程的计算和仿真，金属结构 优化设计外，如何减少和防止集装箱在变幅机构制动时摇摆，是臂桥架起重机 研制中的一个突出问题，起重机在变幅过程中的集装箱由于惯性而产生的货物 摇摆问题直接影响影响起重机的装卸效率。臂桥架起重机的小车运动规律相比 常见岸边集装箱起重机有很大不同，特别是变幅速度较高和小幅度时摆长较大， 因此有必要对臂桥架起重机防摇系统进行深入的分析研究。 本文针对据臂桥架集装箱起重机的设计特点，以及臂桥架集装箱起重机变 幅系统的运行规律，在分析小车的运行规律的前提下，依据电子防摇和机械防 摇的机理，确定对应于臂桥架集装箱起重机可行的防摇系统方案，并对小车货 物系统在采取了防摇措施的情况下进行动力学分析和耗能减摇计算。在 m a t l a b 哳真环境下上进行半实物研究，最后对防摇系统在三维c a d 软件中建 模，并在a d a m s 平台中进行防摇性能描述，进一步验证之前的理论分析结果。 ( 1 ) 建立控n d , 车的速度能够一定程度地减少吊重的摆幅模型，该模型反 映出对减摇有一定的效果，但对装卸效率有所影响。 ( 2 ) 提出一种基于阻尼耗能的防摇方法，该方法增加集装箱自动吊具上滑 轮的相对运动，增加系统阻尼，从而降低吊具系统摆幅，减少衰减时间。 ( 3 ) 针对新型防摇装置，利用拉格朗日方程建立小车吊重系统的动力学模 型。并利用m a t l a b 软件对实际系统进行仿真计算，确定减摇过程中的运动规 律和摆幅衰减效果。 ( 4 ) 在a d a m s 的基础上，对小车吊重系统进行描述和仿真，进一步验证 了本文所采取的防摇方案的可行性和有效性。 关键词：臂桥架起重机；防摇机理：计算机仿真；a d a m s a b s t r a c t b m c h i a l - b r i d g ep o m lc o n t a i n e rc r 趾e , b a s e d o nl u f f i n gc r a l l ec h a n g i n gi t sp o r t a l s y s t e m , i san e wc o n t a i n e rs h o r ec r a n e , w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fl o a d i n ga n d u n l o a d i n gh i g he f f i c i e n c y a n dt h es c o p eo fw o r ko fa d v a n t a g e s d u r i n gt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fb m c h i a l - b r i d g ep o r t a lc o n t a i n e rc r a n e , i na d d i t i o n t oi t s o p t i m i z e dl u f f i n gs y s t e md e s i g n , o p e r a t i o no ft h es p o r t s o a rt h ep r o c e s so f c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n , o p t i m i z i n gt h ed e s i g no fm e t a ls t r u c t u r e s ，h o wt or e d u c e a n dp r e v e n tt h ec o n t a i n e rw h e nt h el u f f i n gm e c h a n i s ms w i n gb r a k e , i sa 卵o m i n e n t i s s u eo fr e s e a r c ha n dd c v d o p m e n tb m c h i a l - b r i d g ep o r t a lc o n t a i n e rc r a n e , l u f f i n g c r a l l ei nt h ec o u r o ft h ec o n t a i n e ra sar e s u l to fi n e r t i ar e s u l t i n gf r o mad i r e c ti m p a c t o nt h ei s s u eo fg o o d sr o c ka f f e c t e dt h ee f f i c i e n c yo fl o a d i n ga n du n l o a d i n ga 瞪皿e s b r a c h i a l - b r i d g ep 9 r t a lc o n t a i n e rc r a n et h et r o u e ym o v e m e n to fc o m p a r e dt oc o m m o n s h o r ec o n t a i n e rc r a n o sa r ev e r yd i f f e r e n t i ti se s s e n t i a lt oa n a l y s i sa n dd e s i g n b r a c h i a l - b r i d g ep o r t a lc o n t a i n e rc r a n ea n t i - s w a ys y s t e m i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nf e a t u r e so f b r a c h i a l - b r i d g ep o r t a lc o n t a i n e r c r a n e ，a sw a l la st h ec o n t a i n e rb r i d g ec r a n eb o o ml u f f i n gs y s t e mo p e r a t i o nr u l e s ，t o a n a l y s et h eo p e r a t i o nl a wo ft h et r o l l e y , t od e t e r m i n et h ep o s s i b l ec o r r e s p o n d i n go f b r a c h i a l - b r i d g ep o r t a l c o n t a i n e rc r a n ea n t i s w a ys y s t e mb a s e do ne l e c t r o n i ca n d m e c h a n i c a la n t i - s w a ym e c h a n i s m m o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o no fk i n e t i ca n a l y s i so nt h e t r o l l e yc a r g os y s t e mt a k e na n t i - s w a ym e a s u r e s r e s e a r c hi nm a t l a be n v i r o n m e n t o ns e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o n , a tl a s ti ti sn 嘲s s a r yt h r o u g ha d a m ss o f t w a r et o f u r t h e r 删矽t h et h e o r e t i c a la n a l y s i st h el a t e s tk i n do fa n t i - s w a ys y s t e mp e r f o r m a n c e 1 ) b yc o n t r o l l i n gt h es p e e do fc a r st oa c e r t a i ne x t e n t , t or e d u c et h eh o i s ts w i n g , b u tt h er e s u l t sa r eu n s a t i s f a c t o r y , a n dw o r k i n ge f f i c i e n c yi sr e d u c e d ； 2a ne n e r g y - b a s e da n t i - s w a yd a m p i n gm e t h o dt oi n c r e a s et h ef o c u so nm e a u t o m a t i cs p r e a d e rr e l a t i v em o t i o no ft h ep u l l e yt oi n c r e a s et h es y s t e md a m p i n g , t h e r e b yr e d u c i n gt h es w i n gs p r e a d e rs y s t e mt or e d u c et h ed e c a yt i m e 3 ) a g a i n s tt h en e wa n t i - s w a yd e v i c e ，t h eu s eo fl a g r a n g ee q u a t i o nh o i s tt r o l l e y n s y $ t c md y n a m i c sm o d e l a n dt h e 墩o fm a t l a bs o f t w a r es i m u l a t i o no ft h ea c t u a l s y s t e m , d e t e r m i n et h ea n t i - r o l l i n gm o v e m e n ti nt h ep r o c e s so fa t t e n u a t i o no ft h e e f f e c to fl a w sa n ds w i n g 4 ) b a s e do na d a m st h r o u g ht h ed e s c r i p t i o na n ds i m u l a t i o no fh o i s tt r o l l e y s y s t e m , t of t l r t h e l v e d f yt h ea n t i s w a ym e a m n e s f e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ： b r a c h i a l - b r i d g ep o r t a lc o n t a i n e rg t d h oa n t i s w a ym e c h a n i s m ； i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：盟日期：乙弘 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：盟新( 签机期：巫 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 集装箱起重机的发展与集装箱船舶的迅猛发展息息相关，2 0 0 5 年世界集装 箱运输量达到1 0 0 m t e u 年，预计在2 0 1 9 年世界集装箱运输量翻倍达到2 0 0 m 1 h 年，目前大型物流分流港口正拥有的集装箱起重机以其卓越的效率保证港口的 集装箱货物的周转迅捷。在顶级港口集装箱起重机的装卸效率可达1 0 0 - - 1 4 0 箱 小时，缩小货物在物流企业的周转时间是现代化港口的要求，也是起重机设计 工作者和生产企业所追求的。正基于此理念，在中国的内陆港口，一种基于门 座起重机，改造其变幅机构达到增加效率的新型集装箱起重机构想应运而生， 即臂桥架起重机。图一是臂桥架起重机的设计图，在其构想的过程中已经进行 一系列优化设计工作。 图1 1 岸边臂桥架集装箱起重机 武汉理工大学硕士学位论文 本文延续追求起重机的运行效率的工作，研究臂桥架起重机的运行规律基 础上，针对装卸货物进行精确定位对，因载荷摇摆不定，无法立即进行货物的取、 卸工作，使工作循环周期时间加长，生产效率降低，不能满足现代企业对生产的 高效率要求的现象，着眼于如何防止货物摇摆和提高货物的准确对位率，为了 进一步提高效率，因此有必要对臂桥架起重机在一个工作循环周期内小车和货 物进行运动分析。并对货物的取和卸过程建立数学模型，分析影响摇摆的因素， 研究防摇机理，进而确定如何对防摇系统进行设计和计算。最后对臂桥架起重 机防摇系统的运行进行样机的描述。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 防摇机理的分析 据麻省理工学院e r n s tgf r a n k e l 的报告表明有效的防摇技术的发展关系 到集装箱码头的进一步发展。也可以说防摇技术是2 l 世纪集装箱港口的关键技 术之一 据试验，集装箱岸边起重机当小车行走速度达到1 8 0 m r a i n 以上，如无减摇 装置，在小车制动停止后，吊具及其集装箱的摇摆幅度可达2 m ，要半分钟左右 才能停止。【2 9 】 通常的防摇机理最初从找吊具摇摆的原因开始，由于小车的高速运动，突 然制动后所造成的惯性造成了绳摆的摆动，改变小车的速度也许是最简单的方 法，起先是减小小车速度，这无疑是不符合逻辑的，因为小车速度的降低无疑 直接引起效率降低的，不过这种思路的防摇机理还是得到了发展，即调整小车 的运行速度的模式。例如先加速运动到一定时匀速运动后最后减速运动使得吊 具的钢丝绳的向行进方向的惯性和向行进反方向的惯性相抵消。从而使得集装 箱在到达目标位置时能摇摆幅度减少。同时在小车速度的模式控制如何达到最 佳效果的研究上，有人给出神经网络和模糊系统的控制解决方案。 同时有入从消除摇摆的目的着手，把摇摆当着是一次麓量的释放，设计一 个吸收能量的装置，就可使摇摆停止。即所谓增加系统阻尼使得能量快速衰减 的减摇机理。这种减摇机理由于针对摇摆入手，有立竿见影的效果，而且在如 何增加系统阻尼上已经实践了很多种方法。但由于另外增加了附属装置，使得 防摇的效果由于附属装置的不同而不同，给维护和保养带来新的问题和挑战。 在国外防摇机理的研究往往从控制论入手，例如研究出摇摆过程小车和货 2 武汉理工大学硕士学位论文 物的力学方程着手，建立能量方程，进而变分法从能量的积分方式转换成系统 的控制方程式( g o v e r n i n ge q u a t i o n ) ，从而找出影响摆动的各参数，再利用反控 制的方法的消除影响摆动的各参数。或者，也有理论认为系统状态的转变可以 人为控制，系统的运动可以描述为从一个状态到另一个状态的转换。因此，对 于任一时刻的系统状态，总可以找到下一个状态( 吊具的摆动消减为零) ，使之满 足特定的边界条件、控制约束条件，而这种状态之间的连续转换就形成了满足 控制要求的系统运动。有采取反馈控制回路更快速、更准确地对吊具的摆动进 行控制，或者根据模糊控制理论建立的模糊减摇模型，通过实时监控系统的运 动，随时纠正系统的运动状态与理想状态的偏差，使系统的状态最终趋向于设 定的理想状态。可以说国外学者采用的控制方法是多种多样，既有比较传统的 经典控制理论、现代控制理论、最优控制理论、也有比较新的自适应控制理论 模糊控制神经网络非线性控制等方法。 在国内外有许多对起重机的吊重摇摆进行控制的研究和仿真计算。【4 【4 3 l 武汉理工大学周勇利用模糊神经网络来对桥吊防摇进行模糊控制，把模糊 控制和人工神经网络论相结合，利用神经网络来实现模糊化、模糊推理及反模 糊化，使其得到更好的控制效果。 上海海事大学魏雨龙，减摇思路是希望综合速度减摇和机械减摇的优点， 通过对速度的控制，使吊具摇摆摆角在一定程度上达到最小，同时再利用机械 减摇装置进行机械式的减摇，使产生的较小摆角得到迅速的衰减，从而得到满 意的减摇效果。其速度模式的优化是通过加速和减速的时间的优化得到。提出 了基于时间最优的小车载荷摆动的两拍消摆策略。【冽 上海海事大学胡举喜，减摇思路是运用模糊控制的隶属函数对小车位置和 位置的变化，摆角和摆角的变化进行分析，进而利用自学习神经网络模糊推理 系统a n t i s 的功能取得集装箱小车吊具系统的最小摇摆模式，并反馈给小车和吊 具的电机达到最终减摇的目的，他只是在m a t l a b 中仿真平台上进行这一过程 的模拟，并未在现实中实现。【5 】 以上是建立基于速度控制和起重机操作人员经验基础之上的模糊p i d 控制 模糊神经网络控制。 武汉理工大学但堂咏通过光学系统检测制动- n 吊具摆角的变化，输入到 模糊控制器进行计算，进行反控制，再输入p l c 可编程逻辑控制器对电机进行控 制，通过控制理论的反馈原理来实现。 西南交通大学，钟斌等分析起重机在大车和小车同时运动时影响小车吊重 3 武汉理工大学硕士学位论文 系统摆角的因素，在现代控制理论基础下给出系统模型，对系统在液压减摇装 置存在有吊重时减摇效果明显，空载时不尽人意的现象进行分析，给出一定的 结论。阎 美国w i l l i a ms i n g h o s , 佐治亚理工学院，为减少桥式起重机小车吊具系统的 摇摆，把反馈控制和输入形状函数结合在一起，实现减摇的目的，在m a l l a 圆 下进行仿真。并进行了实物实验。 日本y o s h i m ih a k a m a d a 把小车的定位和防摇一起考虑，设计两套控制系统 分别控制，并进行半实物研究。 上述防摇系统都会与终端计算机，摆动传感器以及数字电机联系在一起， 由于系统的复杂和实施并不容易，因此很难在臂桥架集装箱起重机中实现。 韩国g b k a n g ，y b k i m 提出一种主动防摇的措施，提供种可以消耗由于 小车动能引起的货物摆动的机构，并在集装箱起重机的模型上进行了试验，试 验证明此装置对货物的摇摆有一定的抑制作用。 1 2 2 现有岸边集装箱起重机吊具防摇和定位系统介绍【3 1 目前，岸边集装箱起重机多采用机械式防摇装置。主要有以下几种形式： ( 1 ) 交叉钢丝绳减摇装置。这是由日本三菱重工公司研制的，在行走小车 上沿小车运行方向装设两组交叉悬挂的减摇钢丝绳及其驱动装置，分别驱动液 压泵，由于液压回路中安全阀的阻抗，使钢丝绳产生张力，从而防止集装箱摇 摆。这种装置当小车停车后5 秒内摇摆幅度可减到1 0 c r a , 不影响起升钢丝绳的 使用寿命，减摇钢丝绳万一发生折断时，集装箱也不至于掉下。但这种减摇装 置增加了一套减摇钢丝绳卷绕系统，同时吊运集装箱和不吊运集装箱时，减摇 性能差异很大。 ( 2 ) 分离小车式减摇装置。这种减摇装置的工作原理是：当小车行走时，前 后两组小车通过螺杆驱动机构向两头分离，使起升钢丝绳形成v 字型，从而起 到减摇效果。当行走小车停止运行后，起升或下降集装箱时，前后两组小车自 行靠拢，使起升绕组和不起升绕组都不致碰撞船舱。这种减摇装置的缺点是小 车重量太大，构造也较为复杂。 ( 3 ) 跷板梁式减摇装置。这是由日本日立制作所研制的。它由跷板梁和装 在行走小车上的液力缓冲缸组成。当行走小车以额定速度行走时，集装箱将大 致位于行走小车的中心线上。当行走小车减速时，由于惯性的作用，集装箱将 摆向前方，从而使跷板梁也跟着倾斜，在这种情况下，跷板粱的倾斜能量将由 4 武汉理工大学硕士学位论文 液力缓冲缸吸收。由于集装箱往前进方向的摆动受到阻力，于是集装箱将向相 反的方向摆动，此时，跷板梁也跟着向相反的方向倾斜，并迅速吸收集装箱的 摇摆能量。如此往复数次，便将集装箱的摇摆能量转化为跷板梁的转动能量， 并迅速吸收而使其缓冲，由此达到减摇的目的。 1 2 3 臂桥架起重机防摇系统方案的确立 臂桥架起重机的一个工作流程中，由于小车的运动是桥架运动和小车相对 桥架运动的叠加，同时货物速度是其相对小车的向心速度和切向速度的叠加， 也可以通过货物对小车的相对速度和小车的速度叠加而成。同时，由于货物是 通过绳索和小车相连，为保证货物在近似水平位置移动，货物海侧x 方向行程 为0 时摆长l 最小，最大行程处于高位时，也即是变幅幅度最小时摆长l 最大。 其长度可达l o m ，因此如果不考虑防摇系统，会严重影响整个起重机的运行效 率。 通过以上的防摇机理分析可知通常有两种防摇，一种是电子防摇，或者基 于控制理论反馈控制或状态控制的综合，对小车吊具系统进行力学分析，进行 传统反馈控制；或者是利用个人的操作经验形成一系列例如模糊控制理论，神 经网络控制理论的防摇方法，往往采用控制小车的运动模式来控制货物的摇摆。 一种是机械防摇，是着眼于小车吊具系统中小车的能量因转化为货物的摆动无 法迅速衰减的现象，试图给系统添加新的阻尼使其快速衰减，从而使摇摆减少。 而对臂桥架起重机而言，小车的运动规律由整个变幅系统的运行而决定，不是 由小车自带的电机来控制速度，此基于速度模式的防摇方法在臂桥架集装箱起 重机的实施上显得不易操作，集装箱集装箱起重机常用的机械防摇对于臂桥架 集装箱起重机而言，因其货物绳长的在货物搬运过程中时时发生变化，并且这 些防摇机构都比较复杂，保养和维护并不容易，因此也不太适合臂桥架起重机。 因此根据臂桥架集装箱起重机特殊的运行规律，首先分析其小车运行规律， 论证了在其小车工作流程中对小车速度模式的操作和控制无法同步，但还是达 到了一定得效果，同时我们又提出一种对应于摇摆衰减的新型防摇思路，可以 对小车货物系统中货物的即时摆动进行减轻，从而使得吊具的摇摆能够在较短 时间内衰减。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究的内容 ( 1 ) 以臂桥架集装箱起重机研究对象，在分析其运行特点的基础上，首先 分析小车的运行情况，分析其运动特点，建立起数学模型。 ( 2 ) 依据臂桥架集装箱起重机小车的运动特性，以及臂桥架集装箱起重机 特殊的运行规律，依据电子防摇和机械防摇的机理，确定对应于臂桥架集装箱 起重机的可行的防摇措施，首先对防摇措施进行理论分析，并对小车货物系统 在采取了防摇措施的情况下进行动力学分析和系统阻尼的耗能计算。从理论上 分析这种防摇方法的效果。并在m a t l a b 中进行半实物仿真。 ( 3 ) 在s o l i d w o r k s 建立臂桥架集装箱起重机防摇系统模型，并导入a d a m s 软件平台上进行分析，优化防摇系统的相关参数，并验证前面的计算和分析结 果的有效性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章臂桥架集装箱起重机小车运动分析 臂桥架起重机是一种新型起重机，在起重机完成挂箱、起升、变幅、下降、 脱箱以及空载返回构成一个工作循环，在变幅运动过程中，小车的速度的获得 没有相应的独立驱动设备，而与臂桥架起重机变幅系统的杆系的位置变化息息 相关，其运动的直接动力来源于补偿绳的总长不变，而与桥架的位置发生变化 而引起的小车的位置变化，间接来源于整个交幅系统的杆系形状和变幄小齿轮 运动特性的综合，有了这个理解我们必须把臂桥架变幅系统跟小车吊具系统综 合在一起考虑，才能得到小车的运动规律，在这里首先分析不同变幅系统位置 的情况下的小车位置，分析小车位置与不同驱动杆角度所呈现的变化规律，其 次通过数学推导，把小车的位置变化规律与驱动杆的角度变化规律相比较，进 一步达到对小车的运动有更深的认识的目的。 在进行分析之前必须对臂桥架起重机的设计特点和运行特点有一个清楚的 认识，特别是臂桥架起重机变幅机构的设计特点进行分析，其次再进行小车吊 重系统和相关系统机构的综合分析，最后进行实际过程和数学模型的建立过程， 争取达到理论和实际的统一 2 1 臂桥架起重机变幅机构设计特点 4 9 1 2 1 1 臂桥架起重机变幅系统的工作原理和特点 ( 1 ) 臂桥架起重机的构成：由起升机构、变幅机构、回转机构、运行机构、 集装箱自动吊具等工作机构，臂桥架结构、转台、圆筒门架等金属结构以及安 全保护装置与控制系统组成。其中臂桥架变幅系统是岸边集装箱起重机的主要 特征和主要工作机构。 ( 2 ) 臂桥架起重机的工作方式：臂桥架集装箱起重机是以集装箱为作业对 象的港口专用起重机。它由挂箱、起升、变幅、下降、脱箱以及空载返回构成 一个工作循环，完成集装箱在船舶与码头前沿之间的运移。起升与变幅为工作 性机构，回转与运行为非工作性机构，回转机构主要用于靠离码头时避让船舶， 运行机构主要用于起重机与集装箱在船长方向的对位。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 臂桥架起重机变幅机构的组成：由组合式平行四连杆臂桥架系统、绳 索小车式货物水平位移补偿系统、曲线滑道活对重式臂桥架自重平衡系统、半 齿轮式变幅驱动装置等部分构成，如图2 1 所示 图2 1 臂桥架起重机变幅机构图 工作原理如下： 组合式平行四连杆臂桥架系统：是承担货物提升的主要构件，在一个工作 流程中完成y 方向的提升，小部分x 方向的平移，并提供小车和绳索的安装位 置和空间。 绳索小车式货物水平位移补偿系统：完成小车的在桥架的运动，达到水平 位移的目的，同时物品在变幅过程中引起的升降现象依靠起升绳的绕绳系统及 时放出或收进一定长度的起升绳的办法来补偿，从而使物品在变幅过程中沿接 近水平线的轨迹移动。系统采用起升绳补偿、补偿绳补偿和平移小车补偿的组 合补偿形式。起升卷绕系统采用导向滑轮补偿方式，起升绳从起升卷筒绕出经 导向滑轮、导向滑轮接入起升滑轮组，根据起升绳在变幅过程中总长不发生改 变可补偿一定的货物高度变化。补偿绳卷绕系统采用滑轮组补偿方式，补偿绳 连接小车通过头部桥架前端的导向滑轮后在桥架后端的动滑轮和人字架上的静 滑轮之间形成补偿绳滑轮组，补偿绳在变幅过程中总长不变的特性决定了小车 在桥架上的位置，并补偿一定的货物高度变化。起升绳、补偿绳及平移小车的 组合补偿形式可实现货物在变幅过程中作近似水平运动。其起升绳、补偿绳的 3 武汉理工大学硕士学位论文 空间卷绕方式如图2 - 2 所示 图2 2 臂桥架起重机起升绳补偿绳运行图 组合式货物水平位移补偿系统补偿方案采用起升绳补偿和补偿绳补偿的组 合补偿形式，根据集装箱吊具的卷绕特征取起升滑轮组倍率为1 或2 ，起升绳绕 过起升滑轮组再通过导向滑轮绕入起升卷筒。补偿绳卷绕系统采用滑轮组补偿 方式，补偿绳连接小车通过导向滑轮后在桥架和固定支架之间形成补偿绳滑轮 组，滑轮组倍率根据臂桥架系统的尺寸和补偿要求取2 或3 。在变幅过程中，组 合式货物水平位移补偿系统通过小车的横移来补偿货物高度的变化。在变幅过 程中起升卷筒不动，所以起升绳和补偿绳的总绳长都是不变的。但是起升绳和 补偿绳的局部绳长会发生改变，从而使小车在桥架上发生相对位移。所以在变 幅过程当中，小车的运动是由两部分运动所组成的： 一是整个桥架随着平行四连杆发生转动而产生的运动； 二是小车在桥架上发生的相对移动。 在变幅过程中，如果满足吊具相对桥架垂直方向( 上升或下降) 的位移等于桥 架由于平行四连杆的转动而产生( 下降或上升) 的距离，则可实现吊重沿水平轨迹 移动。这种补偿方法一般也很难实现全幅度范围内任意两幅度间的完全补偿， 所以吊重是沿一接近水平线轨迹移动。 其优越性如下所示： 臂桥架岸边集装箱起重机的核心技术是采用臂桥架变幅系统，该系统在工 9 武汉理工大学硕士学位论文 作性能和技术参数上具有其先进性能够达到较高的变幅速度，从而提高起重机 的装卸效率能够达到较大的最大幅度和较小的最小幅度，从而扩大起重机的工 作范围，并使起重机在海侧门腿内侧装载卸载成为可能；通过优化设计得到较 好的水平位移补偿效果，集装箱在变幅过程中的水平位移落差很小可获得任意 理想的平衡效果，降低变幅机构的驱动功率，缩短机构的起制动时间：系统金 属结构受力合理，重量分布合理，整个系统的重量不大。 由臂桥架变幅系统构成的边集装箱起重机对于码头前沿的集装箱装卸作业 具有较强的适应性集装箱及吊具在变幅过程中处于水平位置，不受机构的动作 及集装箱重心的偏心的影响，易于对位起升卷绕系统适用于集装箱自动吊具， 易于自动挂箱和脱箱变幅机构可取代回转机构而作为主要工作机构，适应集装 箱装卸线路的捷径要求可取消回转机构，利用最小幅度臂桥架的升高来避让船 舶除海侧装卸船作业外。 臂桥架岸边集装箱起重机的结构简单重量轻，成本较低，起重机轮压较小， 对码头承载能力要求不高，码头与设备投资较小 2 1 2 臂桥架起重机小车的运动特点【4 9 】 小车的速度分析和加速度分析 r 图2 - 3 小车的速度分析和加速度分析图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 缸= 峨+ k 一。i ( 2 一1 ) 通过起升绳和补偿绳总长不变可求出丛和幽的表达式， 皈桥架c 点到c 点时补偿绳变化 册。补偿绳滑轮倍率 k 一| 桥架c 点到c 点的水平距离 曲：! 些二竺i( 2 - 2 ) m 必。桥架在v f 内c 点到c 。点时起升绳变化 血，小车在v f 内在桥架主梁上的移动量 川。起升绳滑轮的倍率 k = 厶2 + j i 2 ( 2 - 3 ) 小车的速度的数值是水平速度和垂直速度的叠加也可通过桥架b 点的 速度和小车的相对桥架横梁的速度的叠加求得： 同样其加速度也可通过同样的方法得到： 由上述所做的分析可知： ( 1 ) 臂桥架起重机的小车的运动动力通过补偿绳的运行间接得到。 ( 2 ) 臂桥架起重机的小车的运动速度直接来源于补偿绳的运行速度、以及 驱动杆的摆动速度有关，其具体速度与臂桥架各系统的具体形状有关。因此它 与臂桥架起重机变幅机构的运行情况相关。 2 1 3 吊重的运动特点分析 臂桥架起重机的一个工作流程中，由于小车的运动是桥架运动和小车相对 桥架运动的叠加，吊重通过绳索和小车相连，为保证货物在近似水平位置移动， 吊重海侧x 方向行程为0 时摆长l 最小，最大行程处于高位时，也即是变幅幅 度最小时摆长l 最大。 吊重速度是向心速度和切向速度的叠加，也可以通过货物对小车的相对速 度和小车的速度叠加而成。并且考虑起升绳方向的拖动速度。 吊重的加速度可下列分析可得： 吊重加速度分为三个部分，小车的牵连加速度，和吊重本身的向心加速度和切 武汉理工大学硕士学位论文 向加速度 a m2 q+口，-i-(2-4) 口l 牵连加速度 口，向心加速度 瓯切向加速度 其中牵引加速度就是小车的加速度 寸 斗 2 + + ( 2 5 ) 小车的牵引加速度又是来源于变幅系统机构的加速度， 也就是前文所求的值。 由上面推导可知货物的运动规律相比小车更难以描述，对于小车吊重这个 系统，本身是非线性系统，钢丝绳作为一个非刚性物体使得货物的摇摆成为可 能。我们的目的就是使这一部分能量通过什么恰当的方式抵消，或着消耗掉。 2 2 臂桥架起重机小车的位置分析 如图是小车随变幅系统的运动图 弋一 图2 - 4 小车随变幅系统的运动图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 取x o y 坐标系如图2 - 4 所示，设杆q f 与x 轴的夹角为f l ( t ) ，其初始角为风a 点坐标为“力则有 忙( x - x 夕_ 登) 2 + 帆c 训 c 2 旬 【c 一昂) 2 + o + 儿c 一片) 2 = 当 。 式中，匕为杆o a 的长度，c 为杆a c 在x 方向上的距离，儿c 为杆a c 在y 方向上的距离，坼，蚪) 为f 点坐标，且 矿矿擘e o s ( p o + , o ( t ) ) ( 2 - 7 ) 【y v = + ks 衄属+ 烈f ) ) ( 1 ) 式可简化表示为 f ，+ y 2 = 己 k + 砂一 ( 2 8 ) 式中，口= 2 ( c + 即) ， 为： b = 2 - y c ) ， c = 已一巳+ ( c + 即) 2 + ( 外一乃c ) 2 由此可解得 l 工= ( c - b y ) a 1 y = ( 6 c 若i = 了：i ；7 ；i 巧乏孑丽) ( 口2 + b 2 ) ( 2 - 9 ) 则当杆q f 逆时针转过口角时，对于起升绳而言，其原长为，o ，其变化长度 l r = t o + y y 式中，o 为初始绳长，儿为a 点初始纵坐标。 当杆q f 逆时针转过目角时，小车位置为 1 3 ( 2 1 0 ) 武汉理工大学硕士学位论文 电= 而一o 一) 一3 一k ) ( 2 - 1 1 ) 式中，为a 点初始纵坐标。0 ，o 分别为点s 和点b 的当前距离和初始 距离。 小车位置的变化可以上面变幅机构的换算求得。可以通过上述模型对小车 在工作行程中的运动进行模拟。已知小车的位置，可以求解小车在不同位置所 对应的o a 杆和水平轴的夹角，以及f c 杆，q f 杆和水平轴的夹角。就可求得 它们对应于x ，y 的曲线 令f c 杆，q f 杆和水平轴的夹角分别为7 ( 0 ，耐0 。 在计算之前必须知道杆系中各杆的长度和初值，通过e x c e l 的自动计算， 我们得到5 组与变幅系统变化相关的数据，小车位置( x ，y ) ，f 点位置( x ，y ) ， f b 杆与水平轴夹角 k 0 ，臂架o a 与水平轴夹角，以及驱动齿轮的转角，即 q f 与水平轴的夹角觑f ) ，输入各杆长度和臂桥架起重机的起始值可求出在不同 觑f ) 下所对应a 点和小车的x ( t ) ，y ( t ) 值。同时可求出不同们，a ( 0 下所对 应的小车的x ( t ) ，y ( t ) 的值，其相互关系如图2 5 ，2 - 6 ，2 7 ，2 - 8 所示： 图2 - 5a 点行走坐标变化曲线图 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 小车的位置随肌) 变化图 图2 7小车的位置随q ( t ) 变化图 图2 - 8 小车的位置随t ( t ) 变化图 由上述分析，我们可知对于臂桥架起重机而占，一定的t ( t ) ，a ( t ) 与卢o ) 都 武汉理工大学硕士学位论文 相互有对应关系，并且小车的位置也对应于一定的丫( t ) ，州与( f ) ，其杆系的 长度关系决定了不同角度下小车的位置关系。 2 3 臂桥架起重机小车运动速度的求解过程 求解小车在不同驱动杆角度位置并没有到达问题的实质，因为所关心的是 小车的速度，能不能对采取相应措施，使其运动模式改变，从而能够为系统的 减摇发生作用，那必须要求首先要了解小车的运动规律，但小车的速度的求解 并不容易，如果假设f c 杆运动已知，可通过下式求相应小车的速度。 塑：立塑 竺? ? ( 2 1 2 ) a x a ， 一= 一 a r t d 7 d t 由此说明小车的速度可以通过所示图表求得小车x ，y 相对y , a ，p 的关系，同 时需要已知驱动杆的角度变化曲线，两者一叠加才可被认为是小车的速度。因 此小车的速度取决于两条输入，一是变幅机构本身的特性，二是驱动系统的速 度输出情况。 如果我们已知驱动系统的速度输出情况，我们可以用差分方法近似求出任 何位置小车的速度。但这个速度也仅仅是近似值，但它对我们了解小车的运行 规律有很大的帮助。 下面就是求解过程： 假设驱动杆作匀速旋转，角速度为是个常数求得小车x 方向，y 方向速度 与的关系曲线，也就是小车速度可以认为是关系曲线的各值去乘以 d vd vd t 二= = - d y d t d y d xd xd t 一= 一一 d y d t d g ( 2 1 3 ) 同样利用e x c e l 的自动计算功能，对y ，x 值进行细分，取o 5 的步长，同 时对丫( t ) 细分，取它们的比值即可做近似计算。 最后输出结果如图2 - 9 所示： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 圈2 - 9 小车速度图 由上图我们可以得出如果假设在驱动杆c f 的角速度输出为恒定值时，小 车的x ，y 方向运动的近似规律和速度变化区域范围。 2 4 臂桥架起重机控制小车速度减摇的力学模型分析 对于小车吊具系统，如果把小车的速度作为已知，利用达朗伯原理，当系 统没有添加阻尼时，对系统进行如下受力分析， ( i ) 不计小车的摩擦力 ( 2 ) 钢丝绳的质量相对与吊物的质量可以忽略不计。 ( 3 ) 钢丝绳的刚度足够大，其长度变化可以忽略不计之 ( 4 ) 吊物只在垂直于水平面的平面内运动。 ( 5 ) 不计风力和空气阻尼。 小车货物模型如下： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 0 小车货物模型图 图2 1 0 中m 和m 分别为起重机小车和吊重( 集装箱及吊具) 的质量，z 为缆 绳的长度，工表示小车水平方向上的位移，j ，表示小车垂直方向上的位移，秒表 示吊重的偏角。设绳的张力为r ，根据达朗伯原理，对吊重m 进行受力分析： 吊重m 受重力m g ，绳张力r ，法向惯性力f ，切向惯性力c ，水平向惯性力e ， 以及垂直向惯性力e 作用，如图2 1 l 所示： m gf ； 图2 1 1吊重受力分析图 在单摆运动的切向方向上建立平衡方程，有 m s i c o s o + m g s i n o + f ；一m j j s i n o = 0 将= 研胯代入化简，即 置c o s 秒+ g s m 秒+ ，秒- j j s i n o = 0 1 8 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 臂桥架起重机基于运动规划的减摇过程分析 臂桥架起重机的一个工作循环，对于变幅小齿轮而言，从电机的起动开始 是一个匀加速的过程，然后进行匀速运行，然后抱闸进行制动，实行减速过程。 最后完成制动，在这个最后过程如果对变幅小齿轮运动进行规划后会对小车的 运动产生什么样的影响，最后对吊重的摇摆又产生什么样的影响? 由上文的力 学分析后，小车的运动速度状态量的变化可以作为小车吊重系统的输入因素， 可以通过对数字电机的运用，对变幅小齿轮采取的减速方式进行规划进而影响 到小车的运行模式，例如：变幅小齿轮在匀加速状态时，加速度为r 墨2 ，加速 到速度6 。s ，匀速运行，运行一段时间后，两次减速过程，第一过程时以加速 度1 。j 2 运行到速度3 。j ，在此时实施第二次减速过程，进而进行第二减速过程 的减速度不同模式的选择，如表2 1 所示： 表2 - 1 不同减速模式表 减速模式1减速模式2减速模式3 第二减速阶段减 - 0 5 。j 21 。s 21 5 暑2 速度值 通过使最后一部分减速模式的差异来最后确定，这三种不同的减速方式下， 最后所产生小车吊重系统中吊重的摇摆的差别，并且在整个工作过程中，保证 变幅小齿轮的整个行程角度幅度为1 4 4 3 0 8 。，由于整个行程是确定的，使得减速 模式1 的两次分别为一l 。s 2 和一o 5 。s 2 综合减速模式，提前减速，所花时间最多。 减速模式2 是加速度为一l 。s 匀减速的模式，减速模式3 是两次分别为一r s 2 和 一1 5 。s 2 综合减速模式，因为它的加速度值最大，所以它推迟减速，所花的时间 最短。对变幅小齿轮的制动阶段的几种减速模式可以用速度的规划图还可直观 地进行描述和表达。 如图2 1 2 所示即为变幅小齿轮的减速模式图。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 2 变幅小齿轮的减速模式图 通过臂桥架起重机变幅系统的传递作用，上文已经讨论过，可以得出变幅 小齿轮的整个运行过程的不同减速模式下所对应的小车运行减速速度的运行情 况，其具体模式所对应的货物摆动速度图如图2 1 2 所示： 图2 1 3 小车速度图 由图2 1 3 可知变幅小齿轮的运动和小车的运动并没有线性对应关系，变幅 小齿轮的梯型模式的速度规划，而所对应的小车的速度呈现三角形的模式，有 一个明显的滞后的效应。 武汉理工大学硕士学位论文 而此时由于变幅小齿轮在制动过程中的二次减速模式对小车速度变化而带 来一定的影响，与此同时也会对货物摇摆有不同的影响，如图2 1 3 所示是不同 速度模式下所对应的货物摆动速度图： 喜 邑 瑙 捌 图2 1 3 吊重摆动速度图 通过对图2 1 3 进行分析，对于变幅小齿轮的三种减速模式作用下，臂桥架 起重机的一个工作周期内，在不考虑其它阻尼和其它作用的因素的情况下，单 单就小车因为变幅小齿轮模式的改变而是小车速度发生改变后作用于小车吊重 系统后的吊重的影响情况，可由上述图可得出以下结论； 减速模式1 下，小车吊重系统在变幅小齿轮的一次减速后的能量发生变化， 产生了摇摆，在第二次减速后时，即这种摇摆在变幅小齿轮减速度- 0 5 。s 2 后， 加速度相对最小，所产生的吊重的摇摆是这三种情况下最小的， 减速模式2 下，小车吊重系统在变幅小齿轮的第二次减速时的能量的减少 有些明显，所产生的吊重的摇摆是这三种情况下居中。 减速模式3 下，小车吊重系统在变幅小齿轮的二次减速后的能量的突然变 化明显，所产生的吊重的摇摆是这三种情况下最大。 综上所述，从以上图表可知在改变变幅小齿轮的速度模式过程中，小车的 速度变化与变幅小齿轮的变化并不是线性和同步的，在三种减速模式下，减速 模式l 虽然多花了一些时间，牺牲了少许效率，最后的吊重的摇摆与后两种减 速模式相比，吊重的摇摆明显要少的多，因此进行这种对变幅小齿轮的速度规 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 划模式的选择