基于多自由度的自動化港口集裝箱起重機設(shè)計

鄧炯明

(廣東中恒安檢測評價有限公司，廣東 惠州 516000)

港口集裝箱起重機也叫吊橋或岸橋，是一種用于裝卸作業(yè)的專業(yè)設(shè)備，其作為裝卸作業(yè)的承受者，常見于碼頭、港口、岸邊等地點。評價一個港口是否具有高效率，通常以集裝箱起重機能否滿足大型生產(chǎn)裝卸任務(wù)為指標。隨著集裝箱運輸船體積的不斷增大，特別是超巴拿馬船型的出現(xiàn)，對集裝箱起重機提出了更高的要求[1-2]。

目前，集裝箱起重機主要采用基于客戶訂單的小批量生產(chǎn)模式，應(yīng)用這種加工模式生產(chǎn)的起重機產(chǎn)品更具有個性化?，F(xiàn)有設(shè)計方法沿用的是傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工理念，在2D工程圖紙中確定每個起重機零件的名稱及功能來設(shè)計完整的港口集裝箱起重機結(jié)構(gòu)，該方法設(shè)計的港口集裝箱起重機自動化水平較低，不能滿足實際需求。

為解決上述問題，本文在進行產(chǎn)品設(shè)計時引入多自由度理念，對于自動化港口集裝箱起重機來說，多自由度定義的出現(xiàn)，從根本解決了自由度過大帶來的貨物運輸位置定義困難、貨物運輸不精確等問題。本文通過重新設(shè)計起重配裝器、平衡集裝梁等完成了新型起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計后的起重機自動化程度有所提升，具有較高的實用價值。

1 自動化港口集裝箱起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

自動化港口集裝箱起重機由智能起重配裝器、上平衡集裝梁、下平衡集裝梁、自動化機械軸子以及箱體稱重機構(gòu)5個主要設(shè)備組成，各個設(shè)備發(fā)揮各自的作用，共同完成裝卸任務(wù)。為了提升起重機的性能，對各個組成部分進行優(yōu)化，具體設(shè)計方法如下。

1.1 智能起重配裝器接入操作優(yōu)化

港口集裝箱起重機的智能起重配裝器能夠根據(jù)裝卸需求，確定整個集裝箱體的質(zhì)量，設(shè)定起重機的壓力分布比例。由于上、下平衡集裝梁的受力分配主要受智能起重配裝器連接狀態(tài)的影響，因此有必要對智能起重配裝器的接入操作進行優(yōu)化。

貨物裝卸過程中，智能起重配裝器首先借助輪距設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸機構(gòu)，將壓力信息轉(zhuǎn)換成特征參數(shù)，再將特征參數(shù)傳輸至機械配置庫[3-4]，從而完成接入操作。如果此時特征參數(shù)能夠滿足機械配置庫的連接需求，那么數(shù)據(jù)傳輸機構(gòu)就會繼續(xù)轉(zhuǎn)換配裝器中的壓力信息，但是在此過程中可能發(fā)生轉(zhuǎn)換失敗的情況，為避免此情況的發(fā)生，可以將轉(zhuǎn)換中的壓力上限值降低10%，然后繼續(xù)進行轉(zhuǎn)換，直到特征參數(shù)能夠滿足機械配置庫的接入要求。通過上述操作實現(xiàn)對智能起重配裝器接入操作的優(yōu)化，為上、下平衡集裝梁的受力分配提供了基礎(chǔ)。

1.2 上、下平衡集裝梁受力分配優(yōu)化

在優(yōu)化智能起重配裝器接入操作的基礎(chǔ)上，分析并設(shè)計上、下平衡集裝梁的受力分配。上平衡集裝梁的構(gòu)造與集裝箱起重機的裝卸傳輸設(shè)置有關(guān)。在貨物裝卸過程中，上平衡集裝梁主要起到緩解局部壓力的作用，因此其結(jié)構(gòu)必須是平直、舒展的，圖1為上平衡集裝梁結(jié)構(gòu)圖。

圖1 上平衡集裝梁結(jié)構(gòu)圖

圖1中上平衡梁中間的突起部分為引繩連接處，其作用是輔助連接繩索以便于進行更改。若裝卸貨物總質(zhì)量遠低于上平衡集裝梁的承載極限時，也可不設(shè)置單獨的引繩連接結(jié)構(gòu)(圖1(a))。當裝卸貨物總質(zhì)量較大時，為保證箱體不出現(xiàn)嚴重的傾斜，在上平衡集裝梁表面設(shè)置兩個固定連接結(jié)構(gòu)，分別與智能起重配裝器兩端的連接繩索相連，隨著箱體質(zhì)量的變化，繩索長短可自由調(diào)節(jié)，以保證上平衡集裝梁所受承載力始終處于額定限度以下[5]。

下平衡集裝梁如圖2所示。在下平衡梁兩端均附著兩片梁體擋板，一方面用以防止平衡勾滑行現(xiàn)象的出現(xiàn)，另一方面可輔助梁面的貨物保持平衡[6]。在下平衡梁的正下端分設(shè)多個平衡勾，起到鞏固傳輸鐵索連接的作用，通常情況下，平衡勾不設(shè)置固定的數(shù)量，其可隨著梁面長短的變化而增加或減少。通過附著擋板、加設(shè)平衡勾以及固定螺母，優(yōu)化上、下平衡集裝梁分配，保障上、下平衡集裝梁處于平直的狀態(tài)，提高貨物裝卸量。

1.3 自動化機械軸子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

自動化機械軸子位于集裝箱起重機的頂部，上、下平衡集裝梁的傾斜角度會影響自動化機械軸子的作用效果，因此必須在保障上、下平衡集裝梁處于平直的狀態(tài)下設(shè)定其結(jié)構(gòu)。根據(jù)1.2節(jié)得到的上、下平衡集裝梁受力分配結(jié)果，設(shè)置自動化機械軸子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而起到避免貨物下滑的作用。

圖2 下平衡集裝梁結(jié)構(gòu)

自動化機械軸子是港口集裝箱起重機中的重要連接結(jié)構(gòu)，不具備承載高強度物理壓力的能力，僅對各項起重操作進行適當?shù)墓潭āＦ叫洼S子的物理承壓能力相對較強，平坦的底部平面能夠?qū)C械軸子承擔的壓力進行均勻分配，并以此避免因承載過度而引發(fā)軸子損壞。中空型軸子具有防止貨物下滑的功能，這是因為傳輸鐵索或線索可直接穿過中空型軸子的底部與側(cè)平面，使起重機在裝卸貨物時能夠在鐵索或線索上自由滑動，增加了滑動摩擦力，從而避免了貨物下滑[7-8]。

自動化機械軸子由10個零件組成，如圖3所示。其中，軸頂帽體作為軸頂保護結(jié)構(gòu)，負責承載自動化機械軸子受到的物理壓力；自動滑塊可根據(jù)裝卸作業(yè)進度進行自由移動；當自動化機械軸子承載的物理壓力過大時，軸頂所在結(jié)構(gòu)體會出現(xiàn)明顯下降，而機械空腔可以有效避免軸子結(jié)構(gòu)體損壞，這是由于機械空腔具備一定的可壓縮能力。

1—前機械軸;2—軸頂帽體;3—軸頂;4—機械連接軸;5—自動滑塊;6—穩(wěn)定槽;7—機械空腔;8—固定桿;9—機械主軸;10—外固定結(jié)構(gòu)

1.4 箱體稱重機構(gòu)

如果將自動化港口集裝箱起重機比作一個物理系統(tǒng)，那么箱體稱重機構(gòu)就相當于系統(tǒng)的核心執(zhí)行單元，智能起重配裝器、上下平衡集裝梁、自動化機械軸子屬于不同的硬件單元(完整框架結(jié)構(gòu)如圖4所示)。箱體稱重機構(gòu)具有載重、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等多項功能[9]，從功能層面來看，在裝卸貨物質(zhì)量保持不變的前提下，智能起重配裝器會根據(jù)集裝箱稱重情況，向箱體稱重機構(gòu)反饋一系列參數(shù)信息，確定起重機的載重數(shù)值。從結(jié)構(gòu)層面來看，作為中介性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可借助多條傳輸鐵索或線索與其他設(shè)備結(jié)構(gòu)相連，將其他設(shè)備完整地連接起來。

圖4 港口集裝箱起重機整體框架圖

通過上述分析完成對自動化港口集裝箱起重機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為了進一步提升港口集裝箱起重機的自動化程度，還需對其進行參數(shù)優(yōu)化。

2 基于多自由度的起重機結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

由于結(jié)構(gòu)參數(shù)對集裝箱起重機產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響，因此需重點設(shè)置與調(diào)整起重機結(jié)構(gòu)參數(shù)。為更好地實現(xiàn)自動化港口集裝箱起重機的靈活裝卸，提升其自動化程度，在上文所述單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出基于多自由度的自動化港口集裝箱起重機設(shè)計方法。獲取集裝箱起重機的多自由度參數(shù)，根據(jù)多自由度參數(shù)設(shè)置全局坐標系，并進行約束計算，計算時引入ANSYS軟件，以此來提升起重機結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的精準性，最終實現(xiàn)參數(shù)化模型的有效構(gòu)建。

2.1 多自由度參數(shù)獲取

所謂多自由度參數(shù)是指在廣義坐標系中對起重機起到約束調(diào)節(jié)作用的參數(shù)，其受到起重機裝卸貨物總質(zhì)量、運輸總長度等條件的共同影響[10-11]。但常規(guī)意義上，多自由度參數(shù)的定義結(jié)果受到傳輸鐵索或線索柔軟程度的影響，而傳輸鐵索或線索柔軟程度會受到鐵索或線索密度ρ[12]、質(zhì)量m以及體積V的影響。假設(shè)在對自動化港口集裝箱起重機進行操作的過程中，只有兩個多自由度參數(shù)，則可根據(jù)上述參數(shù)值獲得這兩個多自由度參數(shù)，分別為起重機裝卸兩種不同貨物時傳輸鐵索或線索的柔軟度λ1，λ2：

(1)

式中：B1，B2分別為起重機裝卸的兩種不同貨物的總質(zhì)量；Q1，Q2分別為起重機裝卸兩種不同貨物時的運輸距離；w1，w2為裝卸兩種貨物時不同的裝卸調(diào)節(jié)影響變量；e1，e2分別為裝卸兩種不同的貨物的傳輸權(quán)限值。

2.2 全局坐標系建立

根據(jù)獲取的多自由度參數(shù)，建立全局坐標系。通常情況下，全局坐標系以起重機所裝卸貨物的重力方向為X軸正方向，以垂直于X軸正方向的方向為Y軸正方向，Z軸正方向的定義遵循右手法則，可近似看作以貨物橫、縱移動距離為四邊形的對角線[13]。圖5為基于多自由度的港口集裝箱起重機全局坐標系。

圖5 基于多自由度的全局坐標系

為有效提升起重機結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的精準性，在進行約束計算時采用ANSYS有限元分析軟件進行計算，通過區(qū)分多自由度參數(shù)在X軸、Y軸和Z軸3個方向上分向量的方式，得出精準的全局坐標系定義公式，具體如公式(2)所示。

(2)

式中：l,p,d分別為港口集裝箱起重機全局坐標系的X,Y,Z軸方向的分向量；i為初次累積的邊界數(shù)值下限；R為水平全局系數(shù)；f為豎直全局系數(shù)；ε為區(qū)別關(guān)系式。

2.3 約束性參數(shù)耦合

約束性參數(shù)耦合是在全局坐標系的基礎(chǔ)上，對起重機的工作范圍進行設(shè)置。假設(shè)起重機自由度為已知值，且全局坐標系中X,Y,Z軸的邊界條件固定[14]，根據(jù)實際情況在起重機運行機構(gòu)支撐輪位置施加約束，支撐輪所在位置示意圖如圖6所示。

圖6 起重機支撐輪約束情況

由于支撐輪的運行方向會受到約束，且輪體與線索間不存在脫離連接的可能，因此支撐輪在起重機裝卸貨物處于垂直方向時會被約束。

2.4 參數(shù)化模型的建立

起重機參數(shù)化模型不以直線和關(guān)鍵點作為研究對象，而是以多自由度節(jié)點和結(jié)構(gòu)單元作為研究對象?；诙嘧杂啥鹊膮?shù)化模型能夠?qū)Ω劭诩b箱起重機裝卸行為進行直接約束，參數(shù)化模型可以計算貨物運輸過程中的瞬時位置，使起重機執(zhí)行機構(gòu)的運行不再受到水平、豎直等位置條件的限制，使貨物運輸具有一定的靈活性[15]。設(shè)hX，hY，hZ分別代表起重機在X，Y，Z3個方向上可承受的裝載質(zhì)量，根據(jù)式(2)可將基于多自由度的起重機參數(shù)化模型GXYZ表示為：

(3)

至此，完成對自動化港口集裝箱起重機機械結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計。

3 實驗與結(jié)果分析

以港口集裝箱起重機作為模擬主體，在多自由度參數(shù)保持不變的前提下，無限延長實驗時間，并截取其中數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定的時間段，分析該時間段內(nèi)自動化港口集裝箱起重機的實際應(yīng)用情況。CL曲線、Cd曲線是港口集裝箱起重機自動化應(yīng)用程度的重要表現(xiàn)形式，通常情況下，CL曲線和Cd曲線都由主變化形式和輔變化形式組成，且兩種表現(xiàn)形式的貼合程度越高，表示集裝箱起重機的自動化應(yīng)用水平越高；反之，則越低。F拓撲系數(shù)、W拓撲系數(shù)是通過CL曲線與Cd曲線相互作用得到的，在指定的時間段內(nèi)，若W拓撲系數(shù)始終低于F拓撲系數(shù)，表示起重機的自動化程度較高；反之，則表示其自動化程度較低。

3.1 實驗設(shè)備與平臺

Resource Builder是一種具象化的圖像處理軟件，可根據(jù)各時間節(jié)點的數(shù)值變化情況，生成準確的變量曲線。運用該軟件生成港口集裝箱起重機模擬圖，再在分屏中設(shè)置CL曲線、Cd曲線參數(shù)，借助圖像生成軟件記錄模擬環(huán)境下CL曲線與Cd曲線的變化情況。仿真軟件界面如圖7所示。

圖7 模擬界面

3.2 實驗結(jié)果分析

圖8為模擬得到的起重機CL曲線、Cd曲線的變化情況。

圖8 曲線變化圖

分析圖8可知，在整個實驗過程中，CL主形式與CL輔形式之間的距離由大漸小，而Cd主形式與Cd輔形式之間的距離始終較為接近。因兩種曲線所示的相同時段的差值不超過1，故可認為CL曲線、Cd曲線均具有較高貼合度，說明起重機有較高的自動化水平。

調(diào)節(jié)分屏界面中的參數(shù)，只保留CL曲線，并利用Pixel Editor軟件記錄集裝箱起重機W拓撲系數(shù)與F拓撲系數(shù)的變化情況，如圖9(a)所示；繼續(xù)調(diào)節(jié)分屏界面中的參數(shù)結(jié)構(gòu)，只保留Cd曲線，并利用Resource Builder軟件記錄集裝箱起重機W拓撲系數(shù)與F拓撲系數(shù)的變化情況，如圖9(b)所示。

圖9 W和F拓撲系數(shù)變化圖

為避免曲線重合，圖9(a)、圖9(b)設(shè)置了不同的縱坐標數(shù)值。分析圖9可知，F(xiàn)拓撲系數(shù)的極值始終大于W拓撲系數(shù)，且不隨實驗時間的增加而發(fā)生改變，因此可以說F拓撲系數(shù)大于W拓撲系數(shù)恒成立。

為進一步分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化后起重機的性能，對集裝箱堆放精度加以分析,結(jié)果如圖10所示。

由圖可以看出，優(yōu)化后的起重機能夠?qū)蓚€集裝箱之間的堆放誤差控制在50 mm之內(nèi)，堆放精度較傳統(tǒng)起重機提高了2倍。主要原因在于建立了基于多自由度的起重機結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，使優(yōu)化后的起重機各設(shè)備之間的連接緊密程度有所提高，從而提升了堆放精度，進一步實現(xiàn)了機體自動化程度的提升。

圖10 起重機集裝箱堆放精度結(jié)果分析

翻箱作業(yè)時間延長對碼頭提箱作業(yè)效率有一定的影響，會造成作業(yè)成本上升，因此對傳統(tǒng)起重機與優(yōu)化后的起重機的翻箱作業(yè)時間進行對比分析，結(jié)果見表1。

表1 自動化港口集裝箱起重機翻箱作業(yè)時間對比 s

由表1可以看出，優(yōu)化后起重機的翻箱作業(yè)時間比優(yōu)化前減少了約16 s，主要原因在于優(yōu)化后起重機能夠直接約束港口集裝箱裝卸行為，提高了裝卸速度，減少了翻箱作業(yè)時間。

4 結(jié)束語

自動化應(yīng)用程度是衡量港口集裝箱起重機性能的重要指標。本文基于多自由度對自動化港口集裝箱起重機進行優(yōu)化設(shè)計，以此來提高起重機的自動化程度。實驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后起重機的集裝箱堆放精度提高約2倍，翻箱作業(yè)時間平均減少16 s，充分說明在本文方法下起重機的性能得到了提升。但本文的研究沒有考慮故障因素的影響，可能會導(dǎo)致起重機作業(yè)不穩(wěn)定，因此接下來會以穩(wěn)定性作為重點研究內(nèi)容進行深化研究。