新型控制集装箱吊具姿态调整保持设计方法

韩中成 杨小明 张浩星 王 伟

青岛海西重机有限责任公司 青岛 266530

0 引言

集装箱吊具姿态调整是集装箱装卸效率提高的瓶颈[1]，直接影响装卸过程中集装箱对位的时间、操作舒适性和安全[2]。自动化轮胎起重机、轨道起重机的作业效率也较大程度取决于其吊具的水平回转、小车方向平移和大车方向平移的姿态调整并在整个起升、下降过程中始终保持姿态不变的功能。当前，通过小车系统的钢丝绳缠绕方式实现以上功能是设计的主要方向。在实际设计中，由于绕绳方式、集装箱质量、起升高度、需求姿态的多样化组合使得执行机构的动作控制起来十分复杂。本文详细介绍一种可以充分综合考虑以上所有因素得出执行机构控制方式的新设计方法。

1 原理说明

以如图2所示为例，在4个方位布置4套辅助钢丝绳卷筒，卷筒出绳后斜拉向吊具。当4个辅助钢丝绳卷筒出绳按照一定的逻辑关系和长度变化，对于悬在空中的集装箱吊具产生水平力，驱动集装箱吊具在空中实现水平回转、小车方向平移和大车方向平移的位置调整。各绳索达到力的平衡后，吊具保持稳定姿态。实际设计样机存在左前辅助卷筒及钢丝绳、左后辅助卷筒及钢丝绳、右前辅助卷筒及钢丝绳、右后辅助卷筒及钢丝绳。图2中X坐标为大车行走方向，Y坐标为小车行走方向，Z坐标方向为起升高度方向。左前、右前、左后、右后4个方位辅助卷筒收、放钢丝绳与所实现的集装箱动作逻辑关系如表1所示。

表1 辅助卷筒收、放绳动作与集装箱动作逻辑关系

上述逻辑关系表明集装箱吊具在某一固定高度可以实现位置调整，实际设备应用中还需要保证调整好的吊具姿态（即吊具水平回转角度、小车方向平移距离和大车方向平移距离）在整个起升、下降过程中保持不变。这就要求4个方位布置4套辅助钢丝绳卷筒出绳的长度需要在集装箱吊具上升、下降过程中根据集装箱质量、起升高度、需求姿态做出不断调整。

本文即解决考虑绕绳方式、集装箱质量、需求姿态等因素，得出为保证集装箱吊具起升、下降过程中需求姿态调整后保持不变，辅助钢丝绳卷筒控制的一种新设计方法。

2 实现过程

1）根据绕绳方式参数化建立数字样机；2）确定集装箱吊具在整个起升、下降过程中需要达到并始终保持的姿态（水平回转角度、小车方向平移距离和大车方向平移距离）为计算目标；3）以集装箱质量、起升高度、计算目标作为自变量，辅助卷筒钢丝绳收放长度调整量作为因变量，计算并将所得数据汇总；4）汇总数据拟合出3次拟合方程；5）3次拟合方程，写入辅助钢丝绳卷筒的电机控制PLC程序，实现吊具姿态按预期调整后在整个起升、下降过程中姿态保持功能。

3 设计计算

3.1 建立模型

如图1所示小车系统的结构及绕绳形式主要包括相互独立同轴起升卷筒、辅助卷筒、起升钢丝绳和辅助钢丝绳。

图1 小车系统的结构及绕绳形式

根据图1参数化建立模型如图2所示。为便于修改，模型建立时参数化变量如表2所示。

图2 参数化建立模型示意

表2 模型建立所使用的参数化变量

3.2 确定计算目标（实现吊具姿态）

驱动辅助卷筒实现以下吊具姿态：吊具大车方向平移± 200 mm；吊具小车方向平移± 200 mm；吊具水平回转± 5°。

3.3 运行计算

以吊具大车方向平移± 200 mm为例，在某一特定起升高度、特定集装箱起重量计算模型下，得出吊具质心X大车方向位移曲线、辅助卷筒驱动及跟随位移曲线、辅助卷筒驱动绳拉力载荷曲线如图3所示，从而得出集装箱吊具质心X向位移分别为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm时对应的辅助卷筒驱动、跟随绳收放位移量及驱动绳拉力载荷数据。

图3 某特定起升高度、起重量下的曲线图

3.4 数据汇总

将不同的集装箱质量、起升高度、计算目标作为自变量汇总到数据库中，可以分别取0.25、0.5、0.75、1倍的变量数据进行组合。将计算出的辅助钢丝绳收放长度调整量作为因变量。以40 000 kg吊重X向平移200 mm运动控制为例数据如表3所示。

表3 数据汇总举例

3.5 数据拟合

对得出的所有数据进行参数拟合，以集装箱质量、高度、调整量为自变量x、y、z，辅助卷筒钢丝绳收放长度调整量为因变量，拟合考虑上述因素的近似方程。以X向位移200 mm为例拟合出的方程如表4所示，这里采用3次拟合方程

表4 X向位移200 mm拟合方程

同样，以此方式可以得出吊具小车方向平移±200 mm及吊具水平回转±5°的数据及拟合方程，在此不再列举。

3.6 控制实施

将得到的大车方向平移、小车方向平移、吊具水平回转的3次拟合方程，写入辅助钢丝绳卷筒的电机控制PLC程序。2个自变量为吊重、起升高度在设备运行过程中实时采集，1个自变量为控制姿态目的值，3个自变量输入各拟合方程，得到因变量辅助卷筒钢丝绳收放长度调整量。辅助钢丝绳卷筒的变频电机配置绝对值编码器，通过程序准确控制钢丝绳收放长度。

4 结论

1）参数化建立模型 将计算模型进行了参数化处理，在不同方案判断时可以快速修改，以适应多方案的快速比选工作；

2）计算方法考虑多因素影响 主要考虑了起重量、起升高度、吊具姿态目标值等多项因素同时对控制辅助钢丝绳收放长度需要调整量的综合影响。并能模拟出钢丝绳自身柔性的影响、集装箱吊重悬垂状态下的动力影响等；

3）可精确实现吊具姿态调整并保持 通过本方法拟合出的方程可精确实现水平回转角度、小车方向平移距离和大车方向平移距离的快速调整，且调整后的姿态在集装箱吊具起升、下降整个过程中保持不变；

4）数字样机节约成本 算例为数字样机，无需试验等实体消耗，可以从理论上确认各方案的可行性和优劣程度，规避了预期目标无法实现的设计风险；

5）控制方程可直接用于电气控制 拟合出的3次多项次方程可以编译程序用于姿态控制，对变频驱动电机的控制程序设计具有重要指导意义。

本控制集装箱吊具姿态调整并保持的设计方法，可以多因素考虑、快速预先评判设计方案的可行性和优劣程度，为电气精确控制程序设计提供了数据支持，为实现集装箱吊具姿态调整、保持提供了一种新的设计思路。