集装箱门式起重机减摇模型及其控制方法解析

王永春

摘要：集装箱门式起重机在使用过程无法控制摇晃幅度，若摇晃幅度过大必然会限制集装箱门式起重机的使用效率，还可能增加使用过程的安全风险。为从根本上解决这一问题，应以减摇模型为基础，通过模型构建确定控制方法，以此为起重机正常使用予以保障。本文先行阐明集装箱门式起重机概述，继而提出减摇模型以及控制方法，以供参考。

关键词：门式起重机；减摇模型；控制方法

前言：集装箱门式起重机在装卸领域属于核心设施之一，广泛应用于港口装卸、物流运输、国防安全等大型建设项目。集装箱门吊传统的卷绕方式无法抑制集装箱在起重机双向运动过程中的摆动，为了提高集装箱门式起重机的装卸效率，需要结合防摆模型制定摆动控制措施，快速防止集装箱摆动，提高集装箱装卸效率。

一、集装箱门式起重机

集装箱门式起重机主要用于各种堆场，其效率以TEU/h衡量，工作循环包括集装箱吊装工作循环的一半和空吊工作循环的一半。在工作循环中，集装箱吊具在A点着箱，吊具旋锁旋转90度完成闭锁，从A点上升到B点，然后小车移动到C点，然后在集装箱堆场从C点下降到D点，然后随着集装箱行进到D点落箱后解锁，而后，空吊具按照原路线返回A点，这样就完成一个工作循环。由于D的位置不同，循环距离不同，需要的时间也不同。理论计算根据一系列集装箱的平均装载或卸载时间来衡量循环时间，称为平均循环时间[1]。通常情况下，循环的平均运行时间不应超过90s，包括循环中对齐和锁定集装箱的时间，如下图所示：

图1：场桥工作循环示意图

二、集装箱门式起重机减摇模型

1.模型结构

模型主要结构涵盖大车行走机构、吊具旋转机构、起升机构、小车行走机构和电气控制系统。吊具旋转机构包括吊具旋转（水平旋转）和吊具左右倾斜（立体旋转），集装箱门式起重机电气控制系统中包括吊具载荷重量控制单元。载荷重量控制模块用于确定所吊集装箱的重量。吊具旋转主控单元是根据载荷重量控制单元进行的测试结果，确定吊装集装箱的重心位置。吊具起升时首先利用吊具旋转机构控制集装箱平稳性，将集装箱重心调整到起重设备中心的安全范围内，再控制吊具起升机构使所吊集装箱移动完成预定的起升动作。载荷重量控制单元通过通讯电缆和起重机吊具末端受力点的四个重量传感器相连接。

2.模型主控技术

集装箱门式起重机主控模块为起重机主控PLC，吊具旋转机构主控单元为旋转机构主控PLC。模块、数字DI/D0模块、触摸屏状态控制和数字DI/D0模块分别与吊具旋转主PLC相连。数字DI/DO模块连接起重机主PLC和操作面板，载荷称重系统ASI地址模块连接称重控制单元和ASI通讯模块，连接吊具旋转主PLC向称重系统的ASI地址模块和电梯的ASI地址单元读取检测数据，将检测信号写入ASIC地址单元，控制起重机大车行走、小车行走、吊具旋转和起升各个机构的动作。

3.模型步骤

(1）起升机构带动吊具将所吊集装箱起升到安全高度，载荷称重控制单元检测集装箱重心；(2）小车行走主控单元根据载荷重量控制单元的检测结果控制小车的行走机构；(3）起重机主控单元控制吊具旋转机构，控制大车、小车行走机构完成集装箱旋转和大车、小车行走，让被吊起的集装箱顺利达到指定位置，并使起重机各机构回到指定的零位；

4.模型运作

载荷称重控制单元可以确定起吊集装箱的重心位置，集装箱门式起重机的主控制单元可以根据测试结果计算负载重心的偏差。吊具左右倾斜机构控制使集装箱移动以调整负载的重心，然后吊具旋转机构的控制带动升降集装箱完成计划的旋转，因此，当使用本发明的集装箱门式起重机进行集装箱装卸作业时，在整个操作过程中，使用集装箱门式起重机的电气控制系统自动计算集装箱调整过程中的重量和部分负载系数，起重机即可完成安全、高效的操作。此外，负载中心的移动和调整、旋转和定心（到零）这些容易被误操作或不适合的手动操作，也被提交给起重机的主控制单元，以节省操作员繁琐的操作。在作业过程中，对作业场所的要求较低，减轻起重机工作强度，从而大大提高集装箱装卸的工作效率。通过载荷中心的自动调整和主控调整过程中的自动控制，可以有效避免偏心载荷运行时重心偏移导致倾覆的风险，大大提高工作效率与安全。

三、集装箱门式起重机控制方法

1.十二绳承载双向防摇

目前，集装箱门式起重机防摇标准为：起重机底座距地面2米，卸货时车辆以额定速度行驶，刹车和停车在5秒。悬架振动应控制在±100mm（空载）以内。吊装集装箱时，吊具的摆幅比较大，一般需要8—10秒才能控制在±100mm范围内。目前，一些防摇装置仅在车辆行驶方向上具有防摇作用。集装箱在堆场集装箱门式起重机上运输时，当起重机向制动方向运行时，集装箱的波动往往较大，因此起重机的波动也会影响集装箱装卸效率的提高。防摇装置由起升机构的卷筒、绕卷筒的钢丝绳、安装在小车上的卷筒和起升装置的机架组成。绳索以特殊方式拉紧。一端系在卷筒的钢丝绳上，另一端系在起重

吊具装置的顶架上，绕过装在小车上的卷筒。钢丝绳的缠绕路径在小车与起重装置之间的四个平面上形成六个等边三角形，12根钢丝绳形成六个直角三角形。该装置利用钢丝绳和三角的稳定性来实现小型和大型起重机的防腐功能。当小型和大型车辆启动或制动时，集装箱P的质量在加速或减速时产生惯性力，使集装箱向后或向前移动。此时，由于线圈系三角形F1>F2的不均匀性，F1、F2索得水平拉力分量也不平衡。在F1和P的作用下，系统会自动恢复平衡趋势，移动到原来的平衡状态。水平分力F2成为阻尼力，阻止其运动，减小其振荡位移，并迅速分解恢复平衡，从而达到保护其不振荡的目的。

2.关键技术

(1）新型12绳双面防振门集装箱起重机起升机构滑轮数量为3个，总承载能力为12绳。同等吨位下，作用在钢丝绳上的力小得多，使用寿命更长，整个起升机构更轻巧紧凑，支撑部件成本更低；(2）新型双面12绳轴承减振保护系统国内首次应用，后推广到国外集装箱门机，得到用户认可；(3）抖振效果好，可显著提高集装箱装卸效率。摆动控制在±50mm范围内，容器工作时间缩短至15s左右；(4）从小车和大车方向的简化防摇模型可以看出，防摇的本质不是利用连接钢丝绳的刚体来保持自由度，而是利用车辆的水平分量钢丝绳是用来防晃的，本质上就是防晃。阻尼的特点是阻力越大，阻尼效果越好。为此，开发惯性阻尼制动辊，并将其应用到系统中，使其更耐摇摆。振荡可控制在±35mm范围内，整流时间约12s。由于小型和大型车辆防摆模型的约束特性，在启动或制动时，由于惯性，负载通常会绕滚轮轴旋转。为了进一步减少这种影响，引入惯性阻尼制动辊。它有很大的特点。该设备不需要额外的阻尼功率。在惯性负载下工作。惯性越大，衰减越大，使滑轮转动衰减快，达到防摆动的目的。图7表示滚筒的结构。上下机构过程中，压路机转动车顶驱动楔，打开阻尼制动环，解除制动，压路机正常工作。停车后，楔形上部在压缩弹簧的作用下推动阻尼制动环恢复原来的制动状态，限制车体和滑轮轴的转动自由度，从而抑制负载惯性绕滑轮轴，提高系统的抗冲击能力和集装箱装卸效率[2]。

结束语：总而言之，本文针对集装箱门式起重机建立减摇模型，减震索用于对悬架施加牵引力，抑制摆动噪声，消除悬架的摆动动能。在整个工作过程中，将悬架振幅限制在安全范围内，达到抗震目的。根据参数获取实际数据。通过这种防摇摆策略，吊具可以在1.5个周期内达到静止状态，从而达到将吊具的摆动降低到安全振荡范围内的目的，优于0.5个周期以上的工业产品。

参考文献：

[1]高崇金，王鸿博．集装箱门式起重机减摇模型及其控制方法解析[J]．机电工程技术，2021，050(004)：259-262.

[2]陈星，张勇，黄仕修，冀行方.轮胎式集装箱门式起重机小车缓冲防护装置的HAZOP分析[J].起重运输机械，2022(12)：28-31.