苏建坡
广东华瑞起重机有限公司
摘要：船舶海上作业过程中存在起重机吊重摇摆问题，影响着操作的安全性。本文根据这一问题，设计了一种三绳机械减摇装置，其主要的目的是为了减小吊重摆幅，满足船舶作业的实际操作需求。
关键词：起重机；吊重系统；三绳机械；减摇装置
引言
随着中国对加大对海洋的开发，起重机在海洋工程船舶的作业中也起到了重要作用，但在实际起吊作业中，由于受到外界环境载荷的作用，吊重会发生不同程度的摇摆，这严重影响了作业的安全性和效率，所以研究起重机吊重系统的减摇装置，是很有必要的。在起重机减摇方面，所设计的减摇装置主要包括机械式和智能电子式。在机械减摇方面，王阳针对船舶起重机吊重的摇摆设计了刚性连杆防摇装置，并通过仿真分析验证了该装置在减摇方面的优化，但是结构需要根据实际情况进行改进。Ngo等提出了用于集装箱起重机减摇的侧摆控制机构，将载荷的摆动和小车的运动简化到一个滑面内，采用经验控制规律来进行减摇，进过仿真得到该结构具有一定的减摇效果。还有研究者提出了伸缩套管减摇装置，利用套管的刚性约束和阻尼原理来实现吊重的减摇，通过试验证明该装置的有效性，但是套管的长度随吊绳长度的增加而增长。也有研究提出吊盘式减摇装置，利用减摇索和主吊索在吊盘处形成力三角形，并减小吊重的摆幅;进而达到有效限制吊重摇摆的目的，利用试验证明其具有明显的减摇效果。
1起重机吊重系统减摇装置研究现状
在海洋工程船舶作业的过程中，起重机会受到外界环境荷载的作用，吊重会出现摇摆的问题，存在一定的安全隐患，因此无法保证作业的安全性。为了提高作业的安全性，需要对起重机减摇问题引起重视，目前可以使用的减摇装置主要是机械式和智能电子式两种装置。随着技术的不断发展，当前的智能电子式减摇装置也有了新的变化，比如ZVD整形器、EI整形器的出现，可以有效解决吊重摇摆的问题[1]。我国机械减摇装置的研究，有王阳研究的刚性连杆防摇装置，而且借助仿真分析方法证实了这一装置可以起到良好的减摇作用，不过其结构还需要根据实际的要求进行调整。还有Ngo等人研究了可以用在集装箱起重机减摇的侧摆控制机构，其主要的原理是，依靠经验进行规律性的减摇，借助仿真分析也证实了这一结构的减摇效果。此外，还有人提出了伸缩套管减摇装置的想法并且进行了落实，套管的刚性约束以及阻尼原理的结合，可以有效提高减摇效果，不过基于套管的特点进行分析，套管长度需要视情况进行增加。吊盘式减摇装置的研究，是借助三角形的稳定性原理进行设计的，其减摇效果较为明显。本文是根据吊重系统动力学的相关内容进行分析，设计了一种三绳机械减摇装置。
2吊重系统动力学模型
船舶起重机海上作业时会受到风、浪、流等环境载荷的作用，这些载荷具有明显的非线性，同时起重机本身也存在弹性体和刚体的耦合。所有为了方便起重机吊重系统的建模，将船体和吊重分离开来，将船舶的运动通过相应的转化传递到吊重系统中;并将吊重视为质点(忽略质量)、吊绳无弹性、吊臂为刚体，同时船舶的运动为规则运动。通过上面简化，将吊重系统看作空间的单摆系统，船舶起重机吊重。减摇试验样机的减摇机构主要由两侧的减摇臂和吊臂头处加设的部分组成，其原理为利用经过这三部分的减摇索共同汇聚在减摇环处(减摇环加工在吊钩上)形成一个稳定的力三角形，进而起到阻尼吊重运动的效果，并减小吊重的摆幅，最终有效的限制吊重的摇摆。
3吊重系统运动学仿真分析
船舶横摇角度如果是3°时，且此时没有阻尼，其吊重的最大面内摆角为1.45°，如果在其中施加阻尼，其吊重最大面内摆角会变为0.17°，其减摇幅度此时为88.28%。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如果船舶横摇角度为7°时，且在没有阻尼的情况下，吊重的最大面内摆角约为2.39°，施加阻尼后，吊重最大面内摆角变为0.34°，其减摇幅度可以达到85.77%。根据仿真结果分析，减摇装置在这两种条件下的表现都具有明显优势，尤其是减摇效果突出，可以满足船舶作业的要求[2]。
4试验台搭建及其试验
为了保证减摇装置可以在船舶作业过程中起到明显的作用，需要基于六自由度平台搭建试验平台，采用试验研究的方式，来模拟船舶运动的状态，以便于对实际操作情况进行科学的判断，吊重摇摆角度以及周期都可以进行人工调整，所以需要提供一定的环境条件，在与仿真要求相似的环境下，设计平台的横摇角度分别为3°和7°，周期设定为6s，在这些具体的条件下，可以对减摇效果进行对比，从而可以了解减摇装置是否可以满足船舶作业的稳定性要求。
4.1横摇角度设定为3°
在平台横摇角度设定为3°的时候，不使用减摇装置，其吊重最大面内摆角为2.41°，在使用了减摇装置之后，吊重最大面内摆角变为0.37°，减摇幅度为84.65%。在平台横摇角度设定为3°的时候，不使用减摇装置，其吊重最大面内摆角为5.94°，在使用了减摇装置之后，吊重最大面内摆角变为0.33°，减摇幅度为94.44%。
3.2横摇角度设定为7°
在平台横摇角度设定为37°的时候，不使用减摇装置，其吊重最大面内摆角为10.13°，在使用了减摇装置之后，吊重最大面内摆角变为0.94°，减摇幅度为90.72%。在平台横摇角度设定为7°的时候，不使用减摇装置，其吊重最大面内摆角为12.71°，在使用了减摇装置之后，吊重最大面内摆角变为2.3°，减摇幅度为96.81%。
结语
综上所述，船舶作业对吊重系统的稳定性有很高的要求，所以设计一种具备明显效果的减摇装置十分必要。本文结合吊重系统动力学的相关内容进行了分析，通过船舶横摇角度3°和7°条件下的仿真分析，发现设计的减摇装置可以减小的吊重摆幅约为86%，在搭建试验平台并且进行试验的基础上，发现船舶起重机安装了这款减摇装置，其吊重面内角摆幅可以减少87%左右，面外角摆幅可以减少95%左右，因此可以满足提高船舶作业的安全性，适合进行推广使用。利用牛顿-欧拉方法建立了吊重系统的动力学模型，并在 MATLAB/Simulink 中进行模型搭建，利用 Simulink 分别在船舶横摇角度为 3°、7°的条件下进行仿真分析，得到设计的减摇装置可减小吊重的摆幅大约为 86% ，而且在相同的试验条件下搭建试验平台进行试验，得出以下结论，船舶起重机在安装该减摇装置后，吊重的面内角摆幅可减小大约为 87% ，面外角摆幅可减小大约 95% 。利用仿真和试验的结果，验证了吊盘式减摇装置的有效性，这对提高船用起重机安全性和作业效率有一定的意义。
参考文献
[1]韩广冬，李航，陈海泉，等．船用起重机伸缩套管减摇装置原理和试验．船舶工程，2016;38(6):45-49
[2]韩广冬，张桐，陈海泉，等．船用起重机减摇装置建模与试验．科学技术与工程，2017;17(23):305-310
[3]9潘凌云，姜银方，姬胜杰，等．基于输入整形的回转式起重机吊摆系统防摆控制器的设计与分析．机械制造与自动化，2017;4(4):215-218
[4] 10 Uchiyama N． Ｒobust control of rotary crane by partial-state feedbackwith integrator． Mechatronics，2009; 19(8):1294-1302
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
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