苏建坡
广东华瑞起重机有限公司
摘要：随着产品需求的不断上升，岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)在国际航运市场中所扮演的关键角色，以及各国环保政策法规的日趋严格，研究和开发高效、节能、环保的集装箱起重机，具有重要的现实意义。水运港口行业调查统计显示，随着生产规模化、专业化程度的提高，全世界港口装卸机械产品的销售额平均每年按8%～10%的速度递增。与此同时，市场对集装箱港口装卸工艺和集装箱装卸装备提出了许多新课题。传统的起重设备工作时，起重机在提升重物过程中存储了大量的势能。在重物下降时，重物通过机械传动设备驱动电动机，使电动机的机械特性曲线运行在第二或第四象限，产生制动发电现象。针对起重设备这种工作特性，在传统起重设备动力系统设计基础上，配置合适的储能节能机构，回收起重设备势能变化产生的能量，充分利用回收的能量作为动力补给，大大提高能源利用率。
关键词：岸边集装箱起重机;节能系统;可调变速器;控制因子;设计
引言
近年来，随着一带一路的深入开展，我国的港口建设不断加快，集装箱的日吞吐量日益加大。通常集装箱门机的小车上设置两个卷筒，通过卷筒上的钢丝绳缠绕悬挂集装箱吊具，从而实现集装箱的搬运、堆放。集装箱吊具下面吊运的集装箱重量为40.5t（满箱时），而集装箱吊具（带旋转功能）自重可达14t,起升机构实际的起重量为54.5t，故起升机构所需的电动机功率比较大，电动机功率的25.7%左右是用来起升集装箱吊具本身重量所消耗的功率。为了节能降耗，笔者研发了一种集装箱起重机的节能起升机构，能够大幅度减小吊具自重产生的起升功率，起升电动机功率选型可以选小一个型号规格，达到节能降耗的目的。
1集装箱起重机节能起升机构的设计方案
这种集装箱起重机的节能起升机构包括起升卷筒组、起升电机、减速器、盘式制动器、旋转储能（做功）装置、齿轮联轴器、制动盘联轴器、补偿轴、起升钢丝绳缓冲装置。起升钢丝绳缠绕共四根钢丝绳，每根一端固定在卷筒压板上，另一端固定在钢丝绳缓冲装置上。集装箱起重机的节能起升机构的旋转储能（做功）装置包括扭卷弹簧外动轮、扭卷弹簧、蜗轮基座盖、蜗杆、蜗轮、平键、扭卷弹簧外动轮封盖、调整手轮、蜗杆基座、蜗轮基座、销轴、扭卷弹簧芯轴组成。扭卷弹簧外动轮套装在起升减速器的低速轴上并且用双孔轴端挡板固定，扭卷弹簧的内圈端插在扭卷弹簧芯轴的内孔里面，扭卷弹簧的外圈端用螺栓固定在扭卷弹簧外动轮上面，扭卷弹簧外动轮封盖用螺栓固定在扭卷弹簧外动轮侧面，扭卷弹簧芯轴安装在蜗轮基座上，蜗轮通过平键固定在扭卷弹簧芯轴上，蜗轮上方安装有蜗杆,蜗杆两端安装在蜗杆基座上，蜗杆一端装有调整手轮，销轴通过扭卷弹簧芯轴的通孔可以固定在蜗轮基座上并且用开口销销住，蜗轮基座盖通过螺栓固定在蜗轮基座上方。起升钢丝绳缓冲装置由大螺母、拉杆轴、弹簧1、轴套、弹簧2、支座、荷重传感器轴、小车架、挂板、销轴1、钢丝绳套环、销轴2、轴端挡板及螺栓、起升钢丝绳组成。起升钢丝绳通过钢丝绳套环固定在销轴2上；销轴2穿在两块挂板的下端内孔里面，轴端用插销固定；销轴1穿在挂板上端的内孔里面并且用轴端挡板及螺栓固定；钢丝绳固定点处小车架上盖板开通孔，两只支座分别焊在小车架的上盖板通孔两边，支座上部中间通过荷重传感器轴连在一起；拉杆轴从底部向上穿过销轴1的中间圆孔，再向上穿过小车架的上盖板通孔，再向上穿过荷重传感器轴中间的圆孔，在荷重传感器轴的上方穿上轴套和弹簧2及压盖2，再向上穿上弹簧1及压盖1，最后上部螺纹处用大螺母旋紧。
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2作用原理
起升电机逆时针旋转，带动起升减速器的高速轴、低速轴旋转，从而带动起升卷筒组逆时针旋转，集装箱吊具由于重力作用从最高起升高度位置开始下降，同时带动起升减速器另一端的低速轴旋转，使得装设在低速轴上的旋转储能（做功）装置的扭卷弹簧开始收紧储能。当集装箱吊具降到起升最低点位置时，扭卷弹簧收紧达到最大力矩，该最大上升力矩为90%集装箱吊具自重所产生的在减速器低速轴上的上升力矩。起升时，起升电机顺时针旋转，集装箱吊具从最低起升位置开始上升，带动起升减速器另一端的低速轴旋转，此时，装设在低速轴上的旋转储能（做功）装置的扭卷弹簧释放力矩，产生一定起升力矩，助推重物上升，帮助电机做功。当集装箱吊具起升到起升高度最高点位置时，扭卷弹簧由于先前的预紧力矩的设置作用，仍然对起升减速器的低速轴产生相当于50%集装箱吊具自重所产生的在减速器低速轴上的上升力矩。在吊具着箱时或集装箱着地时，一般起重机的钢丝绳会有个突然失重、松弛的情况，此过程如瞬间发生，则在旋转储能（做功）装置的扭卷弹簧作用下，减速器低速轴会瞬间反转，导致齿轮间产生反向的冲击力，为避免产生这种情况，在钢丝绳的小车架上固定端装设起升钢丝绳缓冲装置，以减缓钢丝绳突然失重松弛的情况，达到保护起升机构各部件的目的。旋转储能（做功）装置在使用一段时间后有可能预紧力矩产生偏差，需要对扭卷弹簧的预紧力矩及时调整。调整预紧力矩时，先拔掉销轴，通过旋转调整手轮，使蜗杆旋转，带动蜗轮旋转，再带动扭卷弹簧芯轴使扭卷弹簧中心开始收紧，达到调整预紧力矩目的，完成后再插回销轴锁定。
3发电控制系统设计
3.1控制方案建立
基于电磁感应理论，发电机的电磁转矩是阻力矩，与电枢转动方向或原动机的驱动转矩方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T必须与发电机的电磁转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡。当发电机的负载增加时，电磁转矩和输出功率随之增加，这时原动机的驱动转矩和所提供的机械效率亦必须相应增加，以保持转矩之间及功率之间的平衡，而转速基本不变。针对岸桥的特性，在下降过程中，重物的质量恒定，即提供给发电机的原动力恒定，因此，转速无法由重物的调节恒定在一个固定的值。在匀速下降的过程中，由重物产生的扭矩也是恒定的，如果采用永磁发电机，则电磁转矩只受磁铁本身和原动力的影响，而在这个闭环系统中，将无法调节电磁转矩使其与原动力产生的转矩平衡。因此，采用他励发电机，通过对励磁电流的控制来调节电磁转矩，便可在发电的同时保证重物可平稳降落。
3.2控制系统设计
加速下降阶段:速度小，产生的电磁转矩小，不足以平衡重物产生的转矩，重物加速下降。为了使其在安全速度下工作，通过调节励磁电流，改变磁通，使重物在一定速度区间范围内下降。匀速下降阶段:随着速度的增大，电磁转矩也随之增加，重物下降的加速度减小，当速度增加到一定程度时，电磁转矩和重物产生的原力矩平衡，重物匀速下降，同时调节励磁电流，改变发电机的磁通量，排除干扰重物匀速下降的因素。减速下降阶段:当集装箱下降到一定高度时，集装箱需要减速下降，这时通过调节磁通量，使电磁转矩增大，速度减校当需要停止时，抱闸装置将轴抱死，集装箱停止运动。
结语
综上所述，起升机构不仅可以使用在集装箱起重机的起升机构上，其它类别的起重机在使用中只要配置重型的吊具（如抓斗、自重较重的吊具）都可以采用本节能起升机构原理和结构。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2010.
[2]张质文，王金诺，程文明，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.
[3]GB/T3811-2008起重机设计规范[S].
论文作者:苏建坡
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：集装箱论文; 弹簧论文; 转矩论文; 钢丝绳论文; 重物论文; 起重机论文; 力矩论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;