齿轮互锁防摇双起升小车的设计及在轮胎式龙门起重机上的应用

李 伟 陈 飞 朱文昌

1 南通振华重型装备制造有限公司南通分公司 2 南通大学机械工程学院

1 引言

传统的轮胎式龙门起重机(以下简称RTG)小车有单卷筒八绳小车(老八绳)、四绳小车等形式，在实际装卸过程中这些传统小车使用效果不尽人意。四绳小车功能简单且防摇效果不佳[1-2]；拥有较好防摇效果的传统单卷筒八绳小车自重较大、能耗高，功能较四绳小车相比并未有较大的突破，虽目前被广泛使用，但其性能却不能达到企业的期望值。

为提高小车的防摇效果及功能，国内对其结构性能进行了很多研究。唐凡[3]对八绳小车系统中“倒三角型”与“正三角型”结构进行分析仿真并指出其优缺点，提供了理论指导；谢锡聪等[4]设计出新型全功能小车，将传统单卷筒起升改为双卷筒起升并且引入了4个辅助钢丝绳来对防摇绳力矩进行补偿,小车不但自重轻、防摇性能好，而且可实现旋转平移功能，但辅助卷筒上的钢丝绳力矩大小难以控制；曹仪明等[5]打破了起升小车中单筒的设计模式，采用8套独立工作的缠绕系统，提高了小车防摇性、控制精度与吊具的自动化水平，但也提高了小车的安装复杂度及制造成本。为提高小车的防摇性能，不仅仅对于小车的机械结构进行改造，并且在小车的控制方面也做出很多研究，王厦[6]将小车的运动建立一个闭环模型，利用改进模糊理论的防摇控制方法，消除小车的摇动；高圆圆等[7]设计了一种模糊控制与变结构自适应PID控制相结合的控制方法；常维新等[8]引入Input-Shape技术对小车加速信号进行监测反馈给小车控制电机的运行；付主木等[9]提出一种以事件驱动为切换规则的多模型参考切换双闭环防摇控制算法。此类方法均可通过计算机仿真验证方法的有效性，解决小车摇动的问题，提高小车的性能，但在实际的装卸过程中使用结果却并不理想[10]。

为此通过建立小车与集装箱运动的力学模型并分析小车摇晃原因，对小车机械结构进行创新，研发出一款齿轮互锁防摇的双起升小车，并运用在RTG中，成功克服了传统小车的所存在的问题，提高了RTG的性能，满足了自动化堆场的使用要求。

2 小车吊重力学模型分析

RTG小车在实际作业中受到外界风力、小车速度波动等因素影响，造成小车吊重发生摇晃，对小车精准度造成干扰，降低了工作效率，同时降低了钢丝绳的使用寿命，甚至对RTG造成损坏，存在安全隐患。因此小车的防摇性是一个重要的指标，为提高此指标，针对小车的实际工况分别建立小车-吊重竖直起升力学模型与小车-吊重水平运动偏摆力学模型进行分析。

2.1 小车-吊重竖直起升力学模型

在起升作业中，小车利用钢丝绳绕过上架上的滑轮带动吊重起升。由于起升加速度很小可忽略不计，可看作匀速直线运动，钢丝绳视为刚体并在空间中对称分布。为简化模型将小车及吊重空间受力问题转换为二维平面，根据牛顿力学，建立如图1所示的力学模型。此模型由钢丝绳、载重、上架构成。其中F1、F2为简化后的作用在上架上钢丝绳的拉力，大小相等且与竖直方向的夹角θ相等；M为载重质量；m为刚架质量，忽略钢绳的质量；F3、F4是作用在吊具上的一对作用力；g为重力加速度。设所有力均作用在质心。

图1 小车-吊重起升力学模型图

即可得到力学方程：

(1)

通过化简得：

(2)

由公式可知，钢丝绳的力可分解在水平与竖直方向上，水平方向的平衡力可提高小车的稳定性。钢丝绳拉力随着偏角θ增大而增大，故在设计中要对小车钢丝绳的缠绕方式进行优化，在满足小车起升高度和稳定性的前提下，减小钢丝绳偏角来降低扭转力矩。

2.2 小车-吊重水平运动单摆力学模型

图2 小车-吊重水平运动单摆力学模型

小车受力分析：

(3)

吊重水平方向力学分析：

(4)

将式(3)化简并且带入式(4)中得：

(5)

吊重垂直方向力学分析：

(6)

由于此模型中钢丝绳视为刚体，且偏转角度θ仅在水平运动的启停阶段才会发生较小变化[12]，则：

(7)

(8)

最终模型为：

(9)

根据最终模型可知在任意时刻t，此系统有：

(10)

由式(10)可知此系统稳定性与小车的运动速度、偏摆角度有关，故在设计中应该尽量避免运动中产生偏角，在保证小车最大的稳定性的状态下提高小车的水平运动速度。

3 小车机械结构设计

通过建立小车与吊重的力学模型，分析影响小车稳定性的因素。对小车起升系统的机械结构进行创新设计，在防摇性得到保障的前提下，使得小车的作业性能大大提升。新型小车的结构设计采用类似全功能小车的双起升卷筒形式，配合8根钢丝绳“正三角型”的缠绕方式，可实现左右倾转，且小车防摇效果良好、控制方式简单(见图3)。上架和吊具之间通过链条和电动推杆联接，通过控制推杆的动作，可以实现吊具的左右平移、前后平移、回转等微动动作。位于上架上的2组滑轮通过开式齿轮互锁，使小车防摇效果大大加强。

1.起升卷筒 2.钢丝绳 3.锁具螺旋扣 4.滑轮 5.推杆 6.链条图3 双起升小车结构布置图

3.1 小车起升系统设计

图4 双起升八绳小车缠绕系统设计图

小车的起升缠绕系统由起升卷筒、钢丝绳、锁具螺旋扣、滑轮、上架与推杆组成(见图4)。双卷筒起升结构，每个卷筒上设置4段绳槽，2个卷筒共8段绳槽用以存储钢丝绳。钢丝绳一端固定于卷筒之上，另一端竖直向下穿过吊具上架上的滑轮，通过锁具螺旋扣斜拉固定于小车结构上。其中4根钢丝绳沿着小车方向斜拉，另外4根钢丝绳沿着大车方向斜拉，钢丝绳与小车架结构间形成形状一致的三角形。上架与吊具之间通过3根推杆进行控制。此起升缠绕系统有以下优点。

(1)小车功能得到提升，可分别控制2个卷筒的升降动作，实现吊具的左右倾转功能；吊具和上架之间设置有3根推杆，通过控制3根推杆的动作，可以实现吊具的回转、前后平移、左右平移等功能，使得小车姿态调整精度得以提高。微动控制原理简单，特别适用于自动化起重机上的使用。

(2)在保障防摇性的前提下，小车自重减轻。小车架表面仅需布置2套起升机构，采用“正三角型”缠绕方式，充分利用了三角形力学稳定的特点，不需其他任何防摇或辅控制机构，在保障小车稳定性的前提下有效降低小车的自重及能耗，最终设计出的小车重量控制在28 t之内，相比老八绳小车减重20%。

(3)零部件通用性得到提高。小车设计中所用的8根钢丝绳、2套起升机构、8个滑轮各自的规格完全一致，可减少配套件的型号选择和备件库存要求，提高了零部件的通用性。

(4)安装、维护更加便捷。2套起升机构分别布置于小车架左右两端，小车结构受力好、布置简单、维护方便；8根钢丝绳的固定点一端用压绳板固定于卷筒上，另外一端通过锁具螺旋扣固定于小车架上，所有固定点均有平台可安全抵达，换绳、检修方便；通过调节锁具螺旋扣，可以方便地调整8根钢丝绳的长度及吊具水平，对钢丝绳的初始长度及穿绳要求不高，降低整体安装调试难度。

3.2 双起升小车互锁防摇装置设计

根据小车的垂直起升及水平运动过程中的力学模型，为消除小车运动过程中产生的偏角，设计了齿轮互锁防摇装置(见图5、6)。此装置由2对带齿轮的滑轮及啮合的齿轮组成，利用齿轮传动精度高、工作可靠等优点，解决了小车防摇过程中摆动衰减慢的技术难题。此设计可抑制偏角产生，提升小车的防摇效果。

1.带齿轮的滑轮1 2.齿轮1 3.齿轮2 4.带齿轮的滑轮2图5 上架起升状态滑轮转向示意图

图6 上架晃动状态滑轮转向示意图

在吊具上架起升过程中，卷筒通过钢丝绳控制2个滑轮转动方向相反，如图5中实心箭头所示，2个滑轮转向相反，齿轮啮合方向相同，可提高上架在其升过程中的平稳性。当上架进行水平运动，摆动发生时，沿摆动方向的两个滑轮同向转动，如图6中的空心箭头所示，摆动过程中滑轮同向转动的趋势与由齿轮传动引起的异向转动趋势抵消，保证了摆动过程中滑轮处于稳定不转动状态，钢丝绳与滑轮绳槽之间的摩擦力将钢丝绳与上架的连接变成了“固定点”。利用此开式齿锁紧滑轮，抑制了水平运动中偏角的产生，使得小车防摇效果大大提高。

4 双起升小车布置结构优化

在对小车结构进行设计之后，为提高小车性能，降低制造、安装及维护成本，对小车布局进行以下的优化设计。

(1)利用卷筒中段的光面筒体部分布置起升低速制动器，节省了小车表面的布置空间；由于卷筒体中段角变形最小，大大降低了低速制动器的安装、调整难度，降低了制动盘磨损的风险，有利于制动器的后期正常工作。

(2)小车驱动轴承座采用新形式，单侧固定螺栓数量由常规的6个改为4个，降低安装强度；偏心轴套调整距离由1 mm改为2 mm，降低后期调整难度。

(3)将牵引架做成桁架形式，电缆直接利用桁架作为电缆槽，方便电缆固定，且不额外占用空间，简洁美观。

(4)高压房和高压电缆卷盘布置于支腿内侧同一平台上，变压器高低压接线端子位于同侧，减小了高压房的宽度；利用高压房的入口门作为高压柜模块小车的推拉空间，减小了高压房的长度；高压电缆卷盘置于高压房旁，从卷盘至房体的高压电缆长度大大缩短。

5 应用效果

2019年初此双起升小车的研发、制造、调试已经完成，双起升小车与国内当前同种技术小车的技术参数对比见表1。

表1 各类型小车技术参数对比

通过如上技术参数的比较，双起升八绳系统小车具有功能强大、自重轻、控制简单等优势，制造成本低，具有推广价值。目前，此技术已运用于PSA意大利VTE码头的21台RTG，起升高度可达18.2 m，满足用户的使用要求。

6 结语

针对传统RTG小车的缺点，提出了一种新型小车设计方案。采用双起升卷筒、“正三角型”缠绕方式。吊具和上架之间设置电动推杆，使其具有回转、倾转、前后平移、左右平移等功能，控制简单，能满足自动化堆场的使用要求。设计了齿轮互锁装置对水平运动中的摇晃进行抑制，增强了小车的防摇性，并对对小车布置结构进行优化，保障功能的前提下减小了体积，节约成本。

双起升八绳卷筒小车已成功应用于RTG中。通过与传统小车技术参数进行对比及PSA意大利VTE码头的良好反馈，验证了双起升八绳小车在RTG中应用的可行性及此类型RTG性能的优越性。