八绳单独缠绕系统在轮胎式集装箱起重机上的应用

本文选自《起重运输机械》杂志，如需转载，请注明出处

作者：张 麒 赵 华

摘 要：目前国内集装箱码头堆场多数采用轮胎式集装箱起重机（以下简称轮胎吊）作业，随着用工成本的增大、操作人员要求劳动强度降低、作业效率要求的提升，各大港口码头和堆场都在积极研究和开展轮胎吊自动化改造技术。文中结合轮胎吊自动化的难点，研究分析了轮胎吊起升钢丝绳八绳单独缠绕系统在轮胎吊自动化应用。

Abstract: Currently, most domestic container terminals and yards adopt tyre container cranes (hereinafter referred to astyre cranes) for operation. With the increase of labor costs, the decrease of labor intensity required by operators and theimprovement of operation efficiency, all major port terminals and yards are actively studying and developing tyre craneautomation transformation technology. Combined with the difficulty of tyre crane automation, the automation application ofthe eight-rope separate winding system of hoisting wire rope in tyre crane is analyzed in the paper.

关键词：轮胎式集装箱起重机； 四绳缠绕；八绳缠绕； 八绳单独缠绕； 自动化

Keywords: tyre container crane; four-rope winding; eight-rope winding; eight-rope separate winding; automation

0 引言

目前国内大多数集装箱码头或堆场配备的主力机型皆是轮胎式集装箱起重机（以下简称轮胎吊）。轮胎吊顾名思义就是大车行走机构采用橡胶轮胎的集装箱起重机，它的起升结构目前主要有两种形式，即四绳机构和八绳机构。轮胎吊一直以其灵活的机动性得到各大码头堆场的广泛应用，但是近年来，随着人力成本的不断上升，操作司机对作业环境改善的呼声日益增长，以及港口设备自动化升级改造技术的日臻完善，轮胎吊的自动化改造成为热点问题。

相比目前已经十分成熟的轨道式集装箱起重机（以下简称轨道吊）自动化技术，轮胎吊有着更多的不确定性和更大的技术难点，如无线通讯、对箱叠箱精度、起升防摇和大车纠偏定位等。轮胎吊的橡胶轮胎运行时会产生变形、振动，停车时轮胎会受到挤压，造成定位精度很难提高，同时，大车定位精度的不精准也会直接导致自动叠放精度难以保证。而普通的单卷筒八绳机构轮胎吊，虽然防摇效果好，但吊具的倾回转范围有限，对集卡定位的要求很高，自动化操作存在一定的局限性。

综上所述，目前传统的轮胎吊在自动化方面都存在一定的缺陷，与轨道吊相比，自动化程度不高。本文从传统轮胎吊两种钢丝绳缠绕结构的特点出发，讨论轮胎吊八绳单独缠绕结构方式，阐述其工作原理和技术要点，并结合目前轮胎吊自动化操作的实际应用情况，分析八绳单独缠绕系统，对改善轮胎吊自动化操作提出了一些建设性的意见。

1 传统轮胎吊起升钢丝绳缠绕方式

传统起重机械钢丝绳缠绕方法有双联缠绕和折线卷筒多层缠绕两种常规形式[1]，而港口起重机械起升钢丝绳缠绕方式主要有四绳和八绳缠绕两种。四绳缠绕系统由小车顶的一个起升卷筒、滑轮（小车顶和上吊架）和四根钢丝绳组成。四根钢丝绳的四个绳头分别通过钢丝绳压板固定在卷筒上，钢丝绳的另外四个绳头通过上吊架的滑轮，两根回到小车架，两根回到倾转（见图1）。这种缠绕方式的优点是结构较轻，吊具相对灵活，而缺点在于需要配备防摇装置来提高作业过程中吊具的稳定性，来降低吊具在作业过程中的摇摆。

八绳缠绕系统是通过小车顶的一个起升卷筒、滑轮（小车顶）和八根钢丝绳组成。八根钢丝绳的八个绳头分别固定在卷筒上，钢丝绳的另外八个绳头各自绕过小车上的滑轮后，两根一组呈三角形形状通过花篮螺栓与上架上的固定点相连（见图2）。八绳缠绕方式的优点是有效利用了三角形原理，刚度高，具备四绳缠绕系统无法比拟的稳定性，缺点是结构刚性强，吊具姿态不够灵活，需要另配辅助机构实现吊具的左右平移或旋转的功能。

但不管是四绳缠绕方式还是八绳缠绕方式，传统的轮胎吊都是通过一个卷筒进行钢丝绳缠绕，四绳或八绳钢丝绳只能在同时进行收放，一旦发生钢丝绳被拉伸的情况，需要人工调整绳长，将吊具调整至水平，这也使两种类型轮胎吊的倾转范围及方式受到限制。

2 轮胎吊起升钢丝绳八绳单独缠绕方式

寻求一种全新的起升机构，使其既能满足八绳的稳定性，又能使起升机构灵活、易操作。基于这样的需求，由上海振华重工和上港集团振东分公司共同研究开发了八绳起升钢丝绳单独缠绕方式起升机构，此项技术已在振东码头轮胎吊上得到应用。改造后的轮胎吊不仅在倾回转范围上有了很大提升，还解决了八绳吊具的水平调节能力差、超重等问题，从而提高了作业安全性，提升了可操作性，降低了事故概率。

2.1 八绳单独缠绕系统工作原理八绳单独缠绕系统包含一个吊具、八根钢丝绳、八个同步电机、八个三合一减速器（减速器+ 卷筒+ 制动器）及对应的八个伺服驱动器。钢丝绳与同步电机、减速器、卷筒都是一一对应关系，即将原来的一套起升系统拆分成八套起升系统，而控制对象没有改变。见图3。

空吊具时，默认一个初始状态，给吊具设置一个零位。所谓的零位，就是通过一个参照物，让吊具处于一个相对水平的状态。通过操作指令发出起升或下降的指令，伺服驱动器向每个同步机发送正转或反转信号，再通过各自卷筒控制机构中旋转编码器反馈回来的位置信号传递回伺服驱动器。然后根据检测到的结果，判断连接吊具的每根钢丝绳的绳长是否一致，通过位置控制方式来判断吊具是否在零位状态。

如果吊具不在零位状态，则通过对各卷筒的调整，将吊具调整至零位位置。由于此系统采用的都是同步电机，没有转差率，给定和输出之间几乎无偏差，控制性能卓越，因此，采用位置控制方式更为合理，而传统的轮胎吊起升机构都是采用力矩控制方式。系统只要判断出八个卷筒运行相同的距离，就可以确定八根钢丝绳的绳长是一致的，同时，也通过另一个单独的绝对位置编码器做保护，一旦检测值与旋转编码器偏差较大时，给出信号，使机构紧急停止，以防止吊具非正常倾斜，保护设备或集装箱。

2.2 高精度的控制方式

控制卷筒运动的驱动器和电机采用的是同步电机和伺服驱动器。同步电机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的 [2]。伺服驱动器的作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。八绳单独缠绕系统就是采用伺服驱动器位置控制实现八个起升电机同步，具有位置精准度高、响应快的优点。同时，在伺服驱动器内配有编码器，编码器可以计算出钢丝绳的收放距离，可判断吊具是否处于零位状态，从而将吊具调整至零位位置。通过上述方式能够更加完善八绳单独缠绕方式的结构。

除了伺服驱动外，本系统还在在吊具的各个面和角上加装了六个激光测距传感器。激光传感器误差小，可以通过漫反射光检测吊具至地面或者集装箱的距离，从而辅助检测吊具进行对箱和着箱。完成对箱和着箱后，做起升动作，当起升约20 cm，根据上述工作原理，吊具做一次零位调整，使带箱的吊具处于相对水平状态，然后继续起升，完成整个作业过程。

2.3 八绳单独缠绕系统的优点

1）具有八绳系统的稳定性 传统的八绳机构是一根钢丝绳通过一个卷筒的缠绕方式，虽然刚度很高，但由于只有一根钢丝绳，一旦绳长发生变化或者损坏，调整或更换非常麻烦。而新系统不仅保留了八绳的连接方式，同时又因为每根钢丝绳都是由一套起升机构单独控制，更灵活，更方便，更换非常简单。

2）具有四绳系统的灵活度和轻便 由于传统的八绳机构刚度大，吊具不能自由旋转或移动，为了实现吊具功能会增加很多辅助电机，增加了吊具质量，也加大了起升电机的运行功率。而传统的四绳机构虽然结构轻便，吊具相对灵活，但防摇效果不好。新系统兼顾了两者的优点，吊具的运动也无需再另配辅助机构，完全靠八个主起升电机实现吊具的运动，轮胎吊吊具活动范围更大，活动方向更多，完全适应未来自动化控制的需求。

3 轮胎吊起升钢丝绳八绳单独缠绕系统的应用与未来展望

改造后的轮胎吊在操作上相对传统轮胎吊更便捷，减少了司机对箱的过程，作业效率得到了提升，减少了操作难度，增加了可操作性。同时，八绳单独缠绕系统在轮胎吊远程自动化操作上能发挥更大的作用。受限于轮胎吊的橡胶轮胎、轮胎吊堆场的不平整以及钢丝绳的长短大车的纠偏、定位以及对箱的精准性是轮胎吊远程自动化操作的难点。相比四绳机构，八绳单独缠绕系统有着更稳定的结构，防摇性能出色。相比传统八绳，八绳单独缠绕系统的控制范围更大、更广。

传统八绳结构的轮胎吊吊具回转角度为±5°，在轮胎吊远程自动化作业过程中，吊具调整范围的弱势对大车定位的精确性提出了非常高的要求，而大车的定位精度又受限于轮胎的形变、机构的反弹。使用八绳单独缠绕系统后，因机构可以单独调整每根钢丝绳的长度，吊具的水平四维及垂直面的运动可以达到300 mm 以上（最高可至500 mm），使轮胎吊在远程自动化作业时不再受限于大车的控制精度，可以在很大程度上弥补大车轮胎等带来的不利影响，实现箱与箱之间300 mm 的堆箱精度。

综上所述，轮胎吊起升钢丝绳八绳单独缠绕方式在进行集装箱作业时，控制方式灵活，控制范围广，控制精度高，对轮胎吊自动化有着十分积极的推动作用。

参考文献

[1] 郭峰. 起重机械两种钢丝绳缠绕方法的比较[J]. 工程机械与维修，2008(12).

[2] 范国伟，韩玉停，史彦. 同步电机原理及应用技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2014.

[3] 王松. 永磁同步电机的参数辨识及控制策略研究[D]. 北京：北京交通大学，2011.

来源：起重运输机械