雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具防搖防扭控制特性分析

摘 要：雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具應(yīng)用防搖防扭控制技術(shù)，能夠有效提高裝卸效率，故而對(duì)其進(jìn)行深入研究具有現(xiàn)實(shí)意義。在此之上，本文簡(jiǎn)要分析了雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)的特點(diǎn)與防搖防扭技術(shù)類別，經(jīng)由構(gòu)建主吊具防搖控制模型、科學(xué)布置防搖探頭、有效獲取扭動(dòng)信號(hào)、設(shè)計(jì)防扭控制系統(tǒng)等關(guān)鍵點(diǎn)，以此為自動(dòng)化化運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展提供新指引。

關(guān)鍵詞：雙小車岸邊集裝箱;起重機(jī);主吊具;防搖按鈕

前言：在我國外貿(mào)市場(chǎng)中，有超過九成的商品屬于海外貿(mào)易，且至少七成商品需要運(yùn)用起重機(jī)進(jìn)行吊裝運(yùn)輸。而在雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)實(shí)踐操作中，主吊具的搖晃與扭動(dòng)，會(huì)直接影響裝卸進(jìn)度，甚至干擾工作效率。故而對(duì)其防搖防扭控制特性實(shí)施科學(xué)研究，能夠有效規(guī)避主吊具搖晃扭動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，為我國起重機(jī)的合理利用給予保障，促進(jìn)海外貿(mào)易交流的良性發(fā)展。

1 雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)的特點(diǎn)

雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)在港口運(yùn)輸環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用，本文以ZPMC研發(fā)的一款起重機(jī)為例，分析其具體優(yōu)勢(shì)，此種起重機(jī)型號(hào)剛好綜合了德國設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，展現(xiàn)出了顯著的實(shí)用價(jià)值，其特征如下：第一，以雙箱梁作為起重機(jī)梁架結(jié)構(gòu)，且起重機(jī)的雙小車部分以牽引式小車為主，可有效減緩小車對(duì)起重機(jī)的重量壓力;第二，本機(jī)型可實(shí)現(xiàn)自由伸縮，即集卡裝卸區(qū)靈活分布在框內(nèi)或伸距下，其鋼絲繩也以三角懸掛的形式設(shè)置在滑輪與吊具間，盡管無電子防搖技術(shù)，也不會(huì)肆意扭動(dòng);第三，此款起重機(jī)設(shè)有自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，它的應(yīng)用能夠進(jìn)一步改善起重機(jī)運(yùn)輸效益;第四，它設(shè)有自動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)功能，可自動(dòng)操作吊裝步驟，其便捷性更為突出。綜合上述特征，若能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上優(yōu)化主吊具防搖防扭控制系統(tǒng)性能，可進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，便于此款類型的起重機(jī)能為港口運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高提供可靠保障。

2 雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具防搖防扭技術(shù)類別

2.1 吊具傾轉(zhuǎn)防搖技術(shù)

雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具可應(yīng)用傾轉(zhuǎn)防搖技術(shù)，消除不良影響。它具體指的是采用鋼絲繩科學(xué)分布吊裝點(diǎn)位，此時(shí)能夠保證鋼絲繩在具體吊裝階段，能夠保持一定的穩(wěn)定性。結(jié)合主吊具扭動(dòng)、搖晃的根本原因，可發(fā)現(xiàn)：主要在于鋼絲繩間距設(shè)計(jì)不合理，使其在吊裝到一定高度時(shí)，無法在吊具與商品中維持協(xié)調(diào)關(guān)系。同時(shí)，若設(shè)計(jì)的鋼絲繩過長(zhǎng)，也不利于控制其吊裝穩(wěn)定性，甚至?xí)T發(fā)精準(zhǔn)度下降問題，嚴(yán)重影響吊裝運(yùn)輸進(jìn)度。而此項(xiàng)技術(shù)是通過重調(diào)吊具形態(tài)、重新設(shè)計(jì)鋼絲繩載荷參數(shù)的方式，確保起重機(jī)主吊具處于均衡狀態(tài)。對(duì)此，應(yīng)善于借用控制器等裝置完善防搖防扭效果，這樣才能為我國港口事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

2.2 智能電子防搖技術(shù)

在信息化時(shí)代背景下，關(guān)于防搖防扭控制特性的研究，還可從智能電子防搖技術(shù)上，為起重機(jī)提供良好的防搖服務(wù)。此技術(shù)實(shí)則是以CCD攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，具體監(jiān)測(cè)的是起重機(jī)小車運(yùn)行過程中鋼絲繩的擺動(dòng)角度等，之后將記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)上傳至信息采集中心，經(jīng)由對(duì)相關(guān)參數(shù)的匯總分析，可總結(jié)出控制信號(hào)，采用變頻器輸出方式，將其反饋至小車電機(jī)，以此產(chǎn)生吊具防搖防扭作用。為了進(jìn)一步提高智能化控制水平，在對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)當(dāng)對(duì)其控制流程予以規(guī)劃，便于設(shè)計(jì)中防搖防扭控制標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)主吊具平穩(wěn)的完成卸裝任務(wù)。

3 雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具防搖防扭控制特性關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 主吊具防搖控制特性

3.1.1 建模與規(guī)劃路徑

在雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)運(yùn)行期間，其主吊具的擺動(dòng)軌跡可作為擺動(dòng)模型進(jìn)行分析，類似于鐘擺，以某個(gè)擺動(dòng)中心為依托，經(jīng)過對(duì)其擺動(dòng)角度的計(jì)算，可深入了解起重機(jī)吊具的擺角（T）變化規(guī)律，并將其納入主吊具防搖控制模型中。

在此公式中，m、M、l、xM、θ、分別代表的是吊具質(zhì)量、小車質(zhì)量、鋼絲繩上升長(zhǎng)度、小車水平位移、吊具偏差擺角。經(jīng)過計(jì)算后可根據(jù)擺角的變化情況，對(duì)模型相關(guān)參數(shù)予以完善，并對(duì)小車發(fā)布調(diào)節(jié)指令。其中防搖控制量（F）可以下述公式進(jìn)行計(jì)算：

V分別指代的是增益系數(shù)以及起重機(jī)小車的速度指令信號(hào)?？紤]到起重機(jī)主吊具的擺動(dòng)能夠按照非線性模型進(jìn)行分析，故而還可根據(jù)上述內(nèi)容對(duì)其擺動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，從而保證按照事先設(shè)定好的路徑進(jìn)行操作，其吊具不易產(chǎn)生扭動(dòng)、擺動(dòng)情況。

經(jīng)過相關(guān)分析后，此款起重機(jī)在其進(jìn)行裝載、卸運(yùn)時(shí)能夠以最小化擺角的方式減小搖晃扭動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)增加其路徑設(shè)計(jì)的平滑性，包括為其設(shè)置限制值，使其處于可控?cái)[動(dòng)范圍內(nèi)，以起始點(diǎn)、終點(diǎn)作為表達(dá)式中吊具運(yùn)行軌跡的實(shí)際位置，在防搖設(shè)計(jì)模型中，可通過分析小車行駛時(shí)間，判定是否受到了擺動(dòng)干擾。一般小車在特定路徑中的行駛時(shí)間超過標(biāo)準(zhǔn)值，則代表其擺動(dòng)幅度較大，此時(shí)可運(yùn)用“”掌握主吊具防搖控制輸出值，其中exd、k1-5分別代表的是吊具吊裝相對(duì)位置偏差以及控制增益值。其中在模擬模型中，可直觀的掌握吊具搖晃特征，便于運(yùn)用控制量提高防搖控制水平。

3.1.2 原理與探頭布置

在雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具防搖控制過程中，還可在其裝置中使用防搖系統(tǒng)，以智能控制手段，優(yōu)化防搖性能。此系統(tǒng)在起重機(jī)主吊具部位的應(yīng)用，其具體原理如下：經(jīng)由系統(tǒng)協(xié)同操作，能夠針對(duì)主吊具出現(xiàn)的搖晃擺動(dòng)問題實(shí)施科學(xué)分析，并對(duì)其發(fā)布指令，依靠小車手柄，促使主吊具的速度得到相應(yīng)的減緩，這樣可在一定時(shí)間內(nèi)快速幫助主吊具重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。在此系統(tǒng)中關(guān)于防搖控制特性的研究，還需要借用探頭對(duì)其搖晃角度進(jìn)行反饋，以此增加控制精準(zhǔn)度。其具體控制流程如下：首先防搖系統(tǒng)可作用于起重機(jī)控制系統(tǒng)上，然后進(jìn)入到防搖程序?qū)嵺`應(yīng)用環(huán)節(jié)，之后對(duì)小車的車速及其方向給出標(biāo)準(zhǔn)的控制值，在其驅(qū)動(dòng)操作下，LPS探頭能將小車驅(qū)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為吊具搖晃角度信號(hào)，并再次傳輸?shù)狡鹬貦C(jī)控制系統(tǒng)中，在多次防搖操作下，吊具的搖晃行為將得到終止。在具體安裝中，結(jié)合其原理流程可選用230V交流電供應(yīng)電源，聯(lián)合紅外線檢測(cè)器采集信息，最終經(jīng)過引進(jìn)防搖程序，便于精準(zhǔn)化控制主吊具搖晃狀態(tài)。其中所選用的防搖探頭，可以振華企業(yè)生產(chǎn)的無線紅外探頭為主，以此為港口機(jī)械制造業(yè)未來的發(fā)展提供新的指引。本文以振華企業(yè)作為研究背景，考慮到該企業(yè)具備10km岸線且生產(chǎn)基地分布廣泛，故而在研究防搖防扭控制特性階段，應(yīng)以自主創(chuàng)新產(chǎn)品作為主體結(jié)構(gòu)，以便不斷改善當(dāng)前雙小車岸邊起重機(jī)的應(yīng)用效果。同時(shí)，還需要做好實(shí)踐驗(yàn)證工作，以前后搖晃角度等指標(biāo)判斷改進(jìn)后的機(jī)型，其防搖結(jié)果是否達(dá)標(biāo)[1]。

3.2 主吊具防扭控制特性

3.2.1 信號(hào)獲取及其背景

在防扭系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，它具體指的是主吊具呈現(xiàn)出回轉(zhuǎn)情況，以此誘發(fā)吊具重復(fù)作業(yè)問題，不利于控制裝卸效益。本文在研究防扭控制系統(tǒng)時(shí)，可從信號(hào)獲取渠道與設(shè)計(jì)背景兩個(gè)層面上予以分析：前者可采用補(bǔ)償式防扭控制方式，在扭動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)鋼絲繩長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，這樣可避免吊具反復(fù)扭動(dòng)，產(chǎn)生資源損耗后果。其中指代的信號(hào)主要指的是由吊具控制系統(tǒng)傳輸?shù)呐?dòng)動(dòng)態(tài)信息，在其轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)后，可進(jìn)入到防扭平臺(tái)上，經(jīng)過扭動(dòng)方向、幅度的研究，可向起重機(jī)控制系統(tǒng)下的鋼絲繩控制模塊發(fā)布指令，使其符合防扭控制標(biāo)準(zhǔn)，停止扭動(dòng)。后者為了強(qiáng)化防扭效果，還可在其防扭平臺(tái)上新增防扭電機(jī)、變頻器，促使變頻器能夠?qū)Ψ琅る姍C(jī)進(jìn)行針對(duì)性控制，而且還可聯(lián)合編碼器對(duì)電機(jī)的運(yùn)行溫度、驅(qū)動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行合理控制，這樣才能真正達(dá)到防扭控制目的。因鋼絲繩分布復(fù)雜，還可通過油缸位移信號(hào)判定扭動(dòng)情況，之后進(jìn)入到系統(tǒng)控制階段，維護(hù)防扭系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)扭動(dòng)幅度的全面監(jiān)測(cè)。

3.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證

在防扭系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，還可對(duì)其操作模式進(jìn)行完善，結(jié)合上文中起重機(jī)運(yùn)行特征，雖然原有機(jī)型已經(jīng)在防扭控制上表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但此處設(shè)計(jì)的防扭系統(tǒng)能夠起到防控作用，這樣可適當(dāng)降低主吊具扭動(dòng)事件的發(fā)生率。具體可從手動(dòng)、自動(dòng)、相對(duì)零位模式上進(jìn)行討論。系統(tǒng)中的手動(dòng)模式，實(shí)則是在起重機(jī)運(yùn)行中，能夠借助吊具回零旋鈕，促使起重機(jī)的主吊具能夠回歸原位。此旋鈕的啟動(dòng)，可促使起重機(jī)進(jìn)入防扭控制狀態(tài)，此時(shí)吊具在進(jìn)行裝卸操作時(shí)，可在裝載與卸載過程中進(jìn)行原位回歸控制，在人力輔助下，可在旋鈕啟動(dòng)后，實(shí)現(xiàn)吊具全過程防扭控制，直到完成裝卸才可關(guān)閉旋鈕。自動(dòng)模式是在起重機(jī)控制系統(tǒng)中增添自動(dòng)化防扭系統(tǒng)，直接通過點(diǎn)擊屏幕按鈕的方式，促使主吊具保持防扭控制功能。此種控制模式相比手動(dòng)更為便捷，且能夠體現(xiàn)出智能化特色，更適用于高端性能的機(jī)型中。至于相對(duì)零位模式，考慮到部分駕駛員在裝載吊裝、卸貨中常以吊具的傾斜狀態(tài)提高操作效率，故而在應(yīng)用防扭控制系統(tǒng)時(shí)，需對(duì)吊具的防扭糾正位置進(jìn)行重調(diào)，其間形成的“歸位”，不再以吊具原始零位為主，而是以傾斜向所需角度的扭動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)為主，繼而保證在應(yīng)用防扭系統(tǒng)的同時(shí)，并不會(huì)干擾正常的操作秩序[2]。

任何控制系統(tǒng)都需要進(jìn)行驗(yàn)證，以此判斷是否具備推廣實(shí)踐價(jià)值。本文中研究的防扭系統(tǒng)，在其進(jìn)入到驗(yàn)證階段時(shí)，多以分組對(duì)比試驗(yàn)為主，以差異性吊具尺寸作為因變量、防扭控制系統(tǒng)作為自變量，分析在多種尺寸下吊具的防扭效果，其中防扭系統(tǒng)的控制誤差需保持在1.2°左右。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，在不同尺寸的吊具下，均達(dá)到了防扭控制目的，而且還因防扭控制系統(tǒng)的應(yīng)用，促使整體運(yùn)輸時(shí)間有所縮短。另外，在起重機(jī)主吊具防扭設(shè)計(jì)上，根據(jù)起重機(jī)小車自身速度的變化，在設(shè)計(jì)防搖控制系統(tǒng)的同時(shí)，還可以在起重機(jī)上安裝防搖定位控制器，以控速模式對(duì)吊具防扭控制產(chǎn)生輔助作用。只有雙小車行進(jìn)速度可控，運(yùn)行軌跡規(guī)范，才能促使防搖防扭控制系統(tǒng)有效降低主吊具搖晃扭動(dòng)概率。

結(jié)論：綜上所述，雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具應(yīng)用防搖防扭技術(shù)，可提高主吊具控制水平，以此維護(hù)吊裝作業(yè)效率。對(duì)此，應(yīng)從建模、規(guī)劃路徑、布置探頭、獲取信號(hào)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面著手，進(jìn)而為主吊具的穩(wěn)定運(yùn)行給予保障，充分利用防扭防搖控制系統(tǒng)，優(yōu)化起重機(jī)操作效果，滿足新時(shí)代海外商品裝卸運(yùn)輸需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]段小明，單磊.雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)主吊具防搖防扭控制特性研究[J].港口裝卸，2020（02）：17-20.

[2]金如新，李時(shí)現(xiàn).雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)自動(dòng)裝卸集裝箱關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（05）：207-208.

作者簡(jiǎn)介：

王佳偉（1985-），男，籍貫：上海，助理工程師，研究方向：機(jī)械工程。

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）