新型集装箱门式起重机十二绳承载双向防摇技术

黄进前 刘新波 侯永强 摘 要:新型十二绳承载双向防摇技术是对传统的集装箱门式起重机提升缠绕系统的优化和改进。通过特殊的缠绕方式,利用三角形的斜拉钢丝绳水平分力的稳定性,来达到防摇目的,同时为增强防摇效果引入惯性阻尼制动滑轮。该防摇技术对提高集装箱门式起重机的装卸效率和减轻操作者的疲劳强度有显著的积极作用。

0 引言集装箱门式起重机(以下简称场桥)是国民经济建设中集装箱搬运的主要设备,广泛应用于港口码头装卸、物流运输等重大建设工程以及国防安全上。传统的场桥的缠绕方式,在起重机大小车运行的两个方向不能抑制集装箱的摇摆问题,为提高场桥的装卸效率,需要增加一套防摇系统,能够迅速使集装箱停止摆动提高集装箱的装卸效率。这种防摇摆系统包括机械式和电子式,机械式又分为有辅助装置防摇系统和无辅助装置防摇系统两大类。电子式防摇摆系统虽结构简单,但原理模型复杂,价格昂贵,且在使用过程中操作者容易不适。而有辅助装置防摇摆系统,由于增加了辅助装置,增加了成本,维护量大,使用范围有所限制。无辅助装置防摇系统一般均是采用起升绳斜拉实现,起升绳即是装卸货物的工作绳也是防摇系统的工作绳。这里介绍一种应用在场桥上的一种新型十二绳承载具备双向防摇功能的防摇摆系统。

1 场桥的工作循环及效率场桥主要应用于堆场,其效率由生产率来衡量,生产率是以每小时装卸标箱数(TEU)来计算的。场桥的一个工作循环含半个循环的吊箱作业和半个循环的空吊具作业。其作业时如图1 为场桥工作循环示意图。

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图1 场桥工作循环示意图

一个工作循环,从集卡集装箱A 处起升集装箱一定高度H 至B 点(一个安全高度),然后小车向堆箱处移动L 至C 点,再由C 点下降一定高度h 至堆场D 点,在D 处对正箱位后开锁。此后空吊具按原路线返回至A点,在A 点处对正箱位,着箱并锁销,这样就完成了一个完整的工作循环。由于D 的位置不同,循环距离不同,所需的单箱时间亦有不同。理论计算按照排满或卸完一列集装箱的平均时间来衡量循环时间,即平均循环作业时间。一般情况下平均循环作业时间不应大于90 s,包括循环作业中的集装箱对位和锁销时间,如图2 所示。

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图2 工作循环步骤表

实际生产率与理论生产率是有差别的,相关因素有:1)堆场的装卸工艺和布置,影响作业效率;2)操作者的舒适性,熟练程度,使用技巧,影响作业效率;3)场桥的起升速度、小车运行速度、大车运行速度及各机构加速度等特征参数,影响作业效率;4)吊具的先进程度、合理性,有无辅助功能,影响作业效率。如有无回转功能、平移动作,影响工作循环中的对箱操作时间,进而反映在实际生产率上。随着场桥效率的要求越来越高,各种提高效率的措施也越来越多。如优化装卸工艺,提高速度加速度,提高起重量采用双箱吊具等,均能提高一定的装卸效率。由于吊具和集装箱均是通过柔性钢丝绳系统与小车连接,故每当大小车运行停止后惯性吊具均会产生一定晃动,若晃动量较大则给对箱操作带来很大不便,严重影响到作业效率。为了提高效率,各制造厂家都在努力地解决集装箱的晃动问题,即防摇技术。

2 十二绳承载双向防摇原理目前,国际上对场桥集装箱吊具减摇效果的一般性要求是:吊具底部离地2 m,空载时的小车以额定速度运行,制动停车后5 s 内。吊具的摆幅控制在±100 mm以内(空载时)。吊重箱时摆幅较大,一般要8 ~ 10 s才能控制在±100 mm 以内。就当前来说,有些防摇装置只在小车运行方向具有防摇效果,当场桥带载集装箱时运行大车方向进行刹车制动时,集装箱的摆动也往往比较大,故大车方向的摇摆问题也影响集装箱装卸效率的提升。随着装卸效率的要求越来越高,具备双向防摇的系统也越来越受到客户的青睐。这里将介绍一种十二绳承载具备双向防摇的一种防摇系统,其装置的原理如图3所示,十二绳承载双向防摇装置的原理和缠绕系统示意图见图4。

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图3 十二绳承载双向防摇装置

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图4 缠绕系统示意图

该防摇装置包括起升机构的卷筒,缠绕于卷筒上的钢丝绳,以及安装在小车及吊具上架上的滑轮组成。钢丝绳采用特殊缠绕方式,一端固定在卷筒的绳槽上,另一端绕过安装在小车上的滑轮固定在吊具上架上。钢丝绳的缠绕方式在小车与吊具之间的4 个平面内形成6 个等边三角形,形成6 个等边三角形的钢丝绳有12 根。 本装置是利用钢丝绳斜拉及三角形的稳定性来实现在起重机小、大车2 个方向的防摇功能。 如图5 所示,当小、大车匀速运行时,钢丝绳缠绕系统组成的等边三角形产生的水平分力相等,故集装箱保持稳定不摇晃(即没有水平位移)。

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图5 小、大车方向简化模型及匀速运行时受力分析

如图6 所示,当小、大车启动或制动时,集装箱质量P 在加或减速度的情况下,产生惯性力,使集装箱向后或向前产生位移。此时,由于缠绕系统的三角形不在等边,产生斜拉的水平分力F 1 和F 2 也不平衡,F 1 >F 2,在F 1 和P 的作用下系统就会自动恢复平衡状态之趋势,向原平衡位置移动。而F 2 的水平分力成为了阻止其移动位置的阻尼力,使其摆动位移变小,并快速衰减恢复平衡状态,达到防摇目的。

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图6 小、大车方向简化模型及起制动时受力分析

根据该十二绳承载防摇摆系统的原理,可将悬挂端的滑轮设计为阻尼滑轮,进一步加大抗摇摆阻力,使其在惯性力的作用下快速消耗掉动能,迅速衰减,使摇摆位移更小,消耗时间更短。这样该系统就具备了极好的抗摇摆效果,在小、大车2 个方向起动或制动时,吊具摆动量会更小。

3 关键技术及创新点1)该新型十二绳承载双向防摇集装箱门式起重机,起升机构滑轮倍率采用3 倍率,共十二绳承载,在同种吨位的情况下,钢丝绳受力明显较小,寿命较长,使得整个起升机构轻巧,结构紧凑,配套件成本更低。2)在国内首次应用该新型十二绳承载双向防摇系统,而后推广至国外集装箱门式起重机上,得到用户认可。3)防摇效果较好,能够明显提高集装箱的装卸效率,摆动量控制在±50 mm 以内,同时也缩短了对箱操作时间约为15 s。4)从小、大车方向简化的防摇模型可知,其实质不是利用钢丝绳固定刚体,来约束自由度防摇的,而是利用钢丝绳斜拉水平分力来进行防摇的,实质就是阻力防摇。该防摇的特点是阻力越大防摇效果越好。因此,设计开发了一种惯性阻尼制动滑轮应用在该系统中,使防摇效果更好。摆动量可控制在±35 mm 以内,对箱时间约为12 s。由于小、大车方向防摇模型的约束特点,在起动或制动时,负载会因惯性有围绕滑轮轴转动的趋势,见图7 所示。为进一步消减该影响,特引入了惯性阻尼制动滑轮。其具有优异的特点,该滑轮不需要额外的动力进行阻尼工作,其是通过负载的惯性来工作的,惯性越大阻尼越大,使滑轮转动迅速衰减,达到防摇目的。图7为滑轮结构,在机构起升或下降过程中,滑轮转动,带动楔形顶打开阻尼制动环,解除制动,滑轮正常工作。待停车后楔形顶在压缩弹簧的作用下推动阻尼制动环,回复原始制动状态,使滑轮体与滑轮轴转动自由度受限,进而抑制了负载惯性绕滑轮轴转动的趋势,提高了系统抗摇摆性和集装箱的装卸效率。

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图7 围绕滑轮轴转动的示意图

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图8 惯性阻尼制动滑轮结构示意图

4 实测结果经测量防摇技术集装箱门式起重机的结果显示:当小车速度60 m/min,大车速度50 m/min 时,双向摇摆量≤ ±50 mm,带有惯性阻尼制动滑轮时,双向摇摆量≤ ±35 mm。这些数据来源于总起升高度15.5 m,吊具底部离地面2 m 时的测量数据。它远小于目前国际上对场桥集装箱吊具减摇效果的一般性要求是:吊具底部离地2 m,载荷为空载时,小车以额定速度运行,制动停车后5 s 内。吊具的摆幅控制在±100 mm 以内(空载时)。吊重箱时摆幅较大,一般要8 ~ 10s,才能控制在±100 mm 以内。

5 前景意义该十二绳承载双向防摇技术拥有自己的特点和优势,可应用于自动化等场合中,防摇效果好,效率高,应用范围广。目前国内外均有应用,深受用户好评。 滑轮架设计有2 个水平微移推动装置,可实现吊具水平回转±5°的功能,同时滑轮架刚性良好,不会弯曲变形摆动。有利于对箱作业,可提高作业效率,减轻疲劳强度。 由于该十二绳承载双向防摇技术能够大大抑制大小车方向的摆动量,提高了集装箱装卸的效率,平稳性,安全性,避免了因集装箱的摆动量过大而发生碰撞危险等安全事故,使拥有该技术的场桥更加安全可靠。