（机械电子工程专业论文）岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 摘要 目前，吊具的减摇技术已成为提高岸桥装卸效率的关键技术之一，同时降低司 机的工作强度和提高工作舒适性的要求，也使得吊具减摇技术的研究越来越迫切。 现今的减摇方式无论是机械减摇还是电子减摇彼此都有很强的优缺点。本论文 主要是基于吸收平衡梁式机械减摇的优点，通过采取控制行走小车速度的方式，克 服某些时候机械减摇装置效果不佳的缺点，使本文提出的减摇优化策略综合两种减 摇方法的优点 本学位论文以简化的吊具摆动系统的摆动规律类似于单摆摆动为基础，分析摆 动的相位，得出采用基于改变行走小车速度方式从而对吊具进行减摇的方法，及这 种方法的一般控制规律 本论文建立了平衡梁式减摇装置的动力学基本方程和控制方程，并根据四阶龙 格一库塔算法用m a t l a b 语言将方程解出，建立了基于此的平衡梁式吊具减摇系统的 仿真模型。 在综合减摇系统的控制模型和速度减摇的控制规律之后，根据装卸过程的实际 情况，考虑吊具的提升运动对吊具摆角的影响，提出了基于集装箱装卸位置的不同 而应该有相应的行走小车的加减速时间的优化思路。 给定一组岸桥起重机参数，通过已建立的吊具仿真模型，根据本文提出的减摇 优化思路用仿真的方法解出优化结果，同时对最后的优化结果进行了定性的分析。 本论文从吊具减摇系统的减摇理论和平衡梁式减摇装置的仿真模型出发，在机 械防摇的计算机仿真和改进等方面，都尝试做一些有益的探讨，希望本论文这方面 能提供出一些有用的经验。 、 关键词：吊具减摇平衡梁减摇吊具仿真速度控制 上海海事大学硕士学位论文 岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 a b s t r a c t n o w a d a y s , t h eh a n g e r sa n t i s w a yi sa l r e a d yt h ek e yo fi m p r o v i n gt h el o a d i n g u n l o a d i n g e f f i c i e n c yo fc o n t a i n e rc r a n e m o r e o v e r , i t sr e s e a r c hi sm o r eu r g e n tw i t ht h ed e m a n df o r i m p r o v i n gw o r k c o n d i t i o na n dr e d u c i n gt h ed r i v e r si n t e n s i t y a tp r e s e n t , t h em o d eo fh a n g e r sa n t i - w a y , w h e t h e rm e c h a n i c a lm o d eo re l e c t r i c a lm o d e ，a l l h a v em u c hs t r o n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o nt h eb a s i so fa s s i m i l a t i n gt h eb e n e f i to ft h e b a l a n c eb e a mt h a tb e l o n g e dt om e c h a n i c a lh a n g e r s a n t i - s w a ym o d e , t h ea n t i - s w a ym e t h o di nm y p a p e rf a no v e r c o m et h es h o r t c o m i n go ft h eb a l a n c eb e a m sl o we f f i c i e n c yt h r o u g ht h et r o l l e y s s p e e dc o n t r o l l e d t h u s , t h i sm e t h o dc a ni n t e g r a t ea d v a n t a g e so ft w ok i n d so fm o d e s t h e b a l a n c eb e a ma n dt h et r o l l e y ss p e e dc o n t r o l l e d o nt h eb a s i so ft h es i m i l a ro ft h es w a yo fs i m p l eh a n g e rs y s t e ma n dp e n d u l u m s w i n gi nt h e t h e s i s ，a f t e ra n a l y z i n gt h ep h a s ep l a c eo ft h ep e n d u l u ms w i n gc i r c u l a t i o nw ef a ne a s i l ye d u c et h e a n t i - s w a y m e t h o d o f c o n t r o l l i n g t h e t r o l l e y ss p e e d a n d t h e g e n e r a l l y l a w o f t h i s m e t h o d t h eb a s i cd y n a m i c sa n dc o n t r o l l e de q u a t i o nh a sb e e ns e tu p ，a n di t i sa p p e a rt ob es o l v e d a c c o r d i n gt or u n g e - k u t t aa r i t h m e t i ci nm a t l a hl a n g u a g ei nm yp a p e r a n dt h e nt h ea r t i f i c i a l m o d e lo ft h eb a l a n c eb e a mt h a tb e l o n g e dt om e c h a n i c a lh a n g e r sa n t i s w a ym o d eh a sb e e n e s t a b l i s h e di nt h o s ee q u a t i o n s t h r o u g ha n a l y z i n gt h ea r t i f i c i a lm o d e lo ft h eh a n g e r sa n t i - s w a ys y s t e ma n dt h eg e n e r a l l y l a wo ft h ea n t i 。s w a ym e t h o do fc o n t r o l l i n gt h et r o l l e y ss p e e d ib r i n gf o r w a r dt h eo p t i m i z i n g m e t h o d st h a tt h ea c c e l e r a t eo rd e c e l e r a t et i m eo ft r o l l e yi s a d a p t e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e p o s i t i o no fi o a d i n g u n l o a d i n g a n di nt h i so p t i m i z i n gm e t h o d st h es w a yo ft h ec r a n e sh a n g e rb y r e a s o no ft h eh a n g e rh o i s t i n gb ec o n s i d e r e da c c o r d i n gt o c o n s i d e r i n ga p p r o x i m a t e l ya c t u a l c o n d i t i o n so f t h el o a d i n g u n l o a d i n gc o u r s e g i v e nt h er e a l i s t i cc r a n e sag r o u po fp h y s l c i a lp a r a m e t e r s , t h eo p t i m i z i n gr e s u l tt h a t a c c o r d e dw i t hf r o n t a lo p t i m i z i n gm e t h o d sc a nb es o l v e da n db e a n a l y z e dq u a l i t a t i v e l yi nt h e a r t i f l c i a im o d e l 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 o nt h eb a s i so ft h e o r yo ft h es i m p l ea n t i - s w a ys y s t e ma n da r t i f i c i a lm o d e lo ft h eb a l a n c e b e a m 出a tb e l o n g e dt om e c h a n i c a lh a n g e r sa n t i s w a ym o d e , it r yt od o s o m eb e n e f i c i a lr e s e a r c h 妯t h ee m u l a t i o no f t h ec o m p u t e ra n di m p r o v e m e n to fm e c h a n i c a la n t i s w a ym o d e a tl a s tih o p e m yp a p e rc a nc o n t a i ns o m eu s e f u le x p e r i e n c ei nt h i sr e s p e c t w e i y u l o n g ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n c e r ) d i r c e t e db y ：p r o l z h e n gs u k e yw o r d s ：h a n g e r sa n t i - s w a y , b a l a n c eb e a m , e m u l a t i o no fh u n g e r , s p e e dc o n t r o l l e d 论文独创性声明 本论文是我本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。论文中除了 特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构己经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本文研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名：彳缸函是 日期：j 生丛1 i ：笪 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容可 以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 名：釉泣轹司妊吼础 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 第一章绪论 1 1 岸桥吊具减摇研究的背景及意义2 3 4 司 自本世纪5 0 年代中期，美国泛大西洋航运公司首创将一艘杂货船改装为集装 箱船以来，经过半个世纪的发展，这种运输方式日臻完善。这种将货物装在特制箱 子内的新颖运输方式与和传统的散件杂货运输相比具有明显的优点：装卸效率得到 十几倍甚至几十倍的大幅提高；货物在运输过程中的安全得到保证，大幅度减少甚 至消灭了货损货差；为船舶装卸实现全天候作业提供了条件；充分利用了堆场货场 面积和空间等等。所有的这些优点都使集装箱运输大力发展，甚至使其变为一种运 输革命成为了可能。现在货物运输的模式已有了很大的改变，在目前的世界运输领域 里，从固体散装货到液体散装货几乎所有货种都已经开始集装箱化。集装箱在世界海 运中的比重也从2 0 世纪砷年代的1 2 1 4 发展到如年代的3 0 。特别是近十几年 来，集装箱货运量一直保持着高速的增长。 由于岸边集装箱起重机的装卸能力直接决定了集装箱港口的作业生产率，集装 箱货贸易的迅速发展，促进了相应的集装箱起重机也随着发展。提高岸桥装卸生产率 是岸边集装箱起重机技术发展和进步最根本目的，使用者和制造商均在对现有机械 不断提出改进，已取得了不少的成效在注入了如冶金、机械、电子等多方面技术后， 跟随着环球集装箱运输和集装箱船舶的大型化，近年来在欧洲美国和日本等国家和 地区的集装箱码头开始出现大型的岸壁集装箱装卸桥。目前，我国集装箱起重机行 业在世界上已形成了强者地位。除数量和产值领先外，产品的性能和技术的先进性 亦位于世界前列。外伸7 0 m 、起重量7 0 t 、起升高度4 2 m 甚至4 7 m 的起重机已诞生。 与此同时小车横移速度、吊具起升速度和它们的加减速性能也都得到了很大的提高。 所有这些对现有机械的改进都在现实生产中取得了很好的成效，在很大程度上 提高了集装箱装卸的效率，但同时也造成了岸桥动态性能变差、吊具和集装箱摆动 性的增加等许多不利因素。使我们不得不从不同角度来考虑提高装卸效率的可能性 如缩短整个吊取工作循环的时间；吊具的运行进行较为准确的定位等等。 实际上，有关于吊具方面的研究已开展了许久并已取得许多卓有成效的改进。 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 比如在缩短时间方面，双吊式集装箱吊具发展前景广阔。其中b r o m m a 公司已推出 了a s t - 6 型、轻型的b s t - 4 型、b s t - 6 型和智能型等多系列的双吊式吊具，特别是 在吊具框架转角的园弧化以及装卸作业中货物重心的调整功能方面做出的改进，使 双吊式吊具得以拥有更广的应用范围旧。 在吊具进行准确定位方面现今一个重要的方向就是吊具减摇装置，它起初作为 司机的辅助装置，是用来协助一般的司机能象一个熟练的司机一样完成工作。据试 验。当小车行走速度达到1 8 0 m m i n 以上，如无减摇装置，在小车制动停止后，吊具 及其集装箱的摇摆幅度可达2 m ，要半分钟左右才能停止) 。随着岸边集装箱起重机大 型化，这样的辅助装置就显得更加重要了，甚至熟练的司机也需要这种辅助装置， 以使岸边集装箱起重机达到应用的高生产率。科尼起重机公司对欧洲三个港口和美 国两个港口进行了研究，包括起重机的整个工作循环。重点为起升运行和小车及吊具 运行情况。结果表明，吊具定位时所花的时间占整个工作循环的4 3 5 9 ，与许多 起重机循环理论计算中假设的”5 秒钟提取一个集装箱”的差别很大。甚至更有公司 认为一台典型的岸桥在非生产性工作中占到砷的时间比例。因此吊具的减摇技术 和最短时问内准确定位已成为实现起重机自动化的关键之一。故而尽管在这方面许 多研究取得了巨大的进步，但仍然还远远不能满足实际的需要。特别是在装卸设备 和装卸方式上的技术改进已经日趋完善，高速运行的装卸小车是否保证有高装卸效 率仍然是制约岸桥和集装箱港口发展的瓶颈之一。人们渴望新的减摇技术出现的的 同时，也在不断改善老式的减摇系统。因此，研究开发新的减摇技术或改进传统的 减摇技术是十分重要的课题。 1 2岸桥吊具减摇技术的发展及现状 1 2 1 起重机吊具减摇理论的发展 作为一种。超大型”起重机，岸边集装箱起重机吊具的减摇理论与技术是从起 重机吊具减摇理论中发展起来的。 起重机工作在小车启动加速状态或制动减速状态时，由于吊绳的非刚性使吊具 的运动保持一定的惯性，在控制方程中表现为一个惯性环节。这个惯性环节导致滞 后( 启动时) 或超前( 制动时) 从而产吊具产生相对于小车的摆动。 2 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 最初的这方面理论认为网：要抑制这种摆动最简单的方法是在小车运动过程中加 速度非常地小，即小车必须以很小的速度运动，从而使吊具摆角始终很小接近于零。 这种原始的减摇理论工作效率极低，没有太多的实用价值。并且按照这个原理工作 的系统鲁棒性极差，非常容易受到外界的影响，而摇摆一旦产生，就只有被动地靠 摩擦等因素来消耗产生摆动的能量，直到摆动自然衰减到零为止。 到了六十年代末，随着对减摇的要求日益提高和减摇问题的日益急迫，减摇理 论有了较大的发展。这个时期的减摇开始通过在小车与吊具整个系统中添加一些机 械措施，在小车停止时，吊具的摆角虽不能同时降为零，但通过各种方法使其消减 为零。在这种减摇理论隅州中，要抑制吊具的摆动一方面需要降低小车加速度，另一 方面采用各种减振措施来最终消减吊具的摆动通过采取的减振措施的不同，此时 吊具的减摇分为许多种，并且以此为基础的各种减摇技术直到现在还在广泛的应用。 如采用有液压系统组成的机械阻尼器，它的核心是由液压缸、液压泵、液压阀和液 压管线等液压部件组成的液压系统充当阻尼来消耗产生吊具摆动的能量，从而使吊 具的摇摆迅速衰减。还有则根据振动控制的理论，通过调节一个附加质量的大小及 其支撑杆的长度，以改变整个系统的振动周期从而使吊具的摆动衰减。相比于与原 始的减摇方法，采用这些通过附加机械措施的减摇方法可以大大减少小车停止时吊 具摆动衰减所耗费时间，从而大幅提高了起重机装卸效率，同时在稳定性方面也有 了一定提高。 随着减摇理论的进一步发展，许多减摇模型通过各种控制手段，使小车停止时 吊具的摆动角度和摆动角速度同时也为零。这些减摇模型各不相同，但从吊具减摇 的本质而言，这些模型已不属于减摇的范畴，相对于以上所提到的各种减摇理论， 它更应属于吊具摇摆的控制范畴，即吊具的控摇。如某些理论认为l i e l l l ，在一定条件 下，系统的运动可以描述为从一个状态到另一个状态的转换。因此，对于任一时刻 的系统状态，总可以找到下一个状态( 吊具的摆动消减为零) ，使之满足特定的边界 条件、控制约束条件，而这种状态之间的连续转换就形成了满足控制要求的系统运 动。并且还可以通过采用反馈回路更快速、更准确地对吊具的摆动进行控制，或者 根据模糊控制理论建立的模糊减摇模型1 1 2 1 ，通过实时监控系统的运动，随时纠正系 统的运动状态与珲想状态的偏差，使系统的状态最终趋向于设定的理想状态。相比 于前面所说的的各种减摇模型，采用这种控摇理论的减摇模型进一步提高了减摇系 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减播装置的研究 统的鲁棒性和起重机的工作效率。 1 2 2 岸桥吊具减摇装置概述 岸边集装箱起重机在装卸过程中，吊具需要和集装箱对位。尽管目前吊具已普 遍装有导向装置，从而实现了吊具与集装箱的“自动”对位。但也只能在吊具与集 装箱的联结位置相距- , - 1 5 0 r a m 到2 0 0 m m 的范围内导向装置才能有效的工作目前， 世界各国对吊具减摇装置的性能，要求在起调离开地面l o m ，小车以额定速度行走。 制定停车1 0 s 内，将吊具的摇摆量控制在- t - l o c m 以内，或摇摆角度在0 0 1 弧度呻1 。 目前。在世界各地使用的岸边集装箱起重机的减摇装置主要形式1 4 蝤蛔有刚性减 摇装置、交叉钢丝绳减摇装置、分离小车式减摇装置、平衡梁式减摇装置和电子减 摇装置 刚性减摇装置一般以起升机构直接提升刚性导杆为核心组成。例如有一种刚性 减摇装置：可实现3 6 0 。回转对位的回转机构下面固结集装箱吊具，刚性导杆的支撑 和导向是由在小车上部的固定于小车架上的一组支撑滑轮实现的，每个支撑滚轮用 两只蝶形弹簧支撑，这样可以自动消除滚轮与导杆之间的间隙，并具有减振作用。 为了避免刚性系统在工作过程中导杆与相应位置上的定位装置发生“硬碰硬”的冲 击，对称的在导秆与其定位装置之间加上四根锁链使整个系统刚柔相济。这种减摇 装置能有效地消除水平面的扭转震荡和铅垂平面内的来回摇摆，结构较复杂，维护 不方便，并且更新换代时需要重新设计 交叉钢丝绳减摇装置是在行走小车上沿着小车的运行方向装设两组交叉悬挂的 减摇钢丝绳及其驱动装置( 可用超越离合器) ，分别驱动液压泵。由于液压回路中安全 阀的阻抗，使钢丝绳产生张力( 当然也可使用力矩电机或制动器产生钢丝绳的张力) ， 从而减滞集装箱的摇摆。这种减摇装置构造较简单，在小车额定速度不是很高的情 况下，小车停车后5 秒内，吊具的摇摆幅度可减到l o 厘米，同时不影响起升钢丝绳 的使用寿命但这种装置在吊空集装箱和吊重集装箱时，减摇性能差异很大现在通 常的做法是增加一定的控制结构针对不同的状态给绳子施加不同的减摇张力，但是 专门增加一套减摇的钢丝绳组以及对于较高的小车运行速度减摇效果不佳仍是此类 装置的最大缺点。 4 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 当然还有一种更简单的交叉钢丝绳减摇装置，它没有专门的减摇绳索及其滑轮， 只是将起升钢丝绳交叉缠绕，不需驱动液压泵而直接通过几何原理调整钢丝绳张力 的差异，达到减摇的目的。比如振华港机发明的起升绳的缠绕方式形成四个相同的 等边三角形，起升绳在小车与吊具之间的四个垂直面上通过起升筒和滑轮分别缠绕 形成等边三角形四个倒三角形相等，形成四个倒三角形的起升绳设至为八根到八 根倍数，俗称“八根绳”这种减摇装置减摇效果类似于刚性减摇，起初的吊具摇 摆就很小，并能够得到很快的衰减，已广泛应用于在货场作业的轮胎式集装箱龙门 起重机和轨道式集装箱龙门起重机，并取得了很好的成效。但因为岸边集装箱起重 机起升高度达几十米( 货场用起重机的起升高度最多只有十几米) ，这种减摇装置在 岸桥上的应用，无论在起升钢丝绳的缠绕布置上还是减摇效果上都不理想。 分离小车减摇装置的工作原理是当小车行走时，前后两组挂着钢丝绳的分离小 车通过螺杆驱动机构向两头分离，使起升钢丝绳成。v ”字形。然后钢丝绳通过彼此 的拉力差相互约束，使集装箱摆动的能力越来越弱，从而起到减摇效果。这种减摇 装置的缺点是小车重量增大，构造也较复杂从而制造困难，并且有时会因为达到理想 的减摇效果而增加可分离小车的长度继而延长外伸距，这使得结构设计更加复杂甚 至变得不可能。 现在通常使用的平衡梁式减摇装置，是由平衡梁和附加在行走小车与平衡梁之 间的液力缓冲缸( 或其他阻尼装置) 组成，它将集装箱吊具的摇晃能量转化为平衡 梁的转动能量，迅速地通过加装在平衡梁上的阻尼装置加以吸收缓冲，以达到减摇 的目的据有关资料介绍，这种减摇装置在正常运行条件下，无论空载还是满载， 都可以在5 秒内使集装箱的摇摆衰减到5 c m 的范围内。这种减摇装置结构简单，操 作容易，工作平稳，不使用复杂的电气、机械控制装置，只由机械式上下摇动的平 衡梁和其附加阻尼装置进行减摇，而且除了起升钢丝绳外，也没有另加的减摇钢丝 绳和滑轮组。笔者认为这是一个值得研究和借鉴的减摇思路，可以和其他减摇方法 或思路组合一起设计出更为有效的减摇装置 曾有国内一家公司研制的机械阻尼分离小车减摇装置就是吸收了平衡梁和分 离小车两种减摇装置的优点而设计的。它的基本组成是平衡梁、装在行走小车上的 机械缓冲装置( 当然也可以是液压缓冲装置) 和分离小车。实质上就是在分离小车的基 础上再加上一套阻尼装置，它能将小车运行时集装箱摇摆能量迅速地加以吸收缓冲 上海海事大学硕士学位论文 岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 继而转化为跷板梁的转动能量，加之分离小车的“v ”字形起升钢丝绳彼此的拉力差 相互约束，共同达到减摇的目的。这种组合减摇装置操作容易、工作平稳，但另加 小车使重量增大以及构造也较复杂的缺点和需使用一套电气、机械控制装置的缺点 并没有得到改善。 大多现今使用的电子减摇装置其基本的原理都是根据随时监测吊具相对于小车 的实时位置并随时减小实时位置与理想位置的差值来实现减摇的。即电子减摇系统 通过安装在小车上的一个摄像头和吊具上特殊的反射器以及图像处理器来完成吊具 相对于小车的实时位置的计算，根据测得的数值应用物理的单摆定律( 或与系统动力 学模型相适应的控制律) 驱动系统可以调节小车的速度和吊具的倾斜来抑制摇摆。所 有的电子减摇系统都要求有高响应且具备极低的传导延时时间。相信随着科学技术 的不断发展，微处理器的运算和传输速度会越来越快，必然会涌现更快速更有效的 电子减摇系统。除了电子减摇系统造价不菲外，它的一个显而易见的缺点是在减摇 的过程中，小车迅速前后跟钩来回调整使司机处于被动状态，司机容易产生疲劳甚 至产生类似晕船的不良反映。所以在实际生产工作中，甚至出现司机将电子减摇装 置关闭，而根据自己的经验进行控制吊具角度摇摆的现象发生。 1 3 本文研究内容及体系结构 综合前面介绍的目前常用的各种吊具减摇装置，不难看出他们彼此各自的优缺 点虽然我们可以利用电子减摇系统或者利用增加如小车等附属结构甚至以改变结 构的设计来将吊具的晃动控制在一定的使用要求之内，但前者明显的弱点和经济的 巨大代价往往使人们无法百分百满意，后者的减摇方法更是无法完全满足现今集装 箱运输效率要迅速提高的迫切要求。 针对以上所作的总结，为了更好的解决集装箱吊具减摇问题，需要我们在这方 面作出一些有益的探讨。本论文将根据先进的减摇方面的理论和实用的减摇方法相 结合，探讨一种集装箱起重机减摇系统的改进思路和方法，并提出基于这种方法的， 符合集装箱实际装卸生产状况的吊具减摇优化思路。最后利用计算机仿真工具进行 仿真，在一定程度上检验吊具减摇的效果。 在减摇理论方面，借助于a b b 公司设计的“砰砰”减摇原理，本文从研究最 6 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具磕摇装置的研究 简单的吊具模型一单摆出发，进行吊具摆动系统的相位分析，得出采用基于改变行 走小车速度方式从而对吊具进行减摇的方法，及这种方法的一般控制规律，使通过 控制小车速度进行吊具减摇具有了更大的适用性。 在实用的减摇装置方面，本论文结合平衡梁式减摇系统，利用以上总结的减摇 理论对该减摇系统进行速度上的控制以提高减摇效果，继而得到带平衡梁的小车速 度控制方式的减摇系统。根据拉氏定理得出该系统的动力学方程，经过变形得出系 统的控制方程，再用数值方法解出进行分析。所给出的这种减摇装置在控制方式是 采用速度控制方式，使吊具摇摆摆角在一定程度上达到最小( 毕竟单摆模型不能十 分准确的描述该减摇系统动力学特性) ，同时再利用平衡梁上所带的阻尼装置进行机 械式的减摇，使产生的较小摆角得到迅速的衰减，从而得到满意的减摇效果。 在仿真及优化方面，本论文利用m a t l a b 语言将带平衡梁的小车速度控制方式的 控制结果进行了仿真。并根据岸桥集装箱装卸现场的实际情况，结合本文提出的减 摇装置的原理，同时考虑吊具提升运动的影响，根据海侧集装箱船上集装箱的不同 位置和处于陆侧上集卡的位置，进行不同的小车加速度方式使行走小车达到最大速 度的同时使吊具产生的摆角最小。最后将优化的数值给出并将结果进行仿真演示。 本论文的主体部分共分为六章。第一章绪论主要讲述本课题的时代背景和意义， 以及自己对于本篇论文的总体规划；第二章从基本的单摆理论出发推导出用速度改 变方式减小吊具摆角的一般性理论与方法；第三章则对一种行之有效的典型的减摇 一。系统一平衡梁式减摇系统进行分析，结合该减摇系统的实际工作情况，进行了动力 学方程的推导到控制方程的建立，其问还通过实际工况下吊具在整个运行过程中的 运行轨迹需要满足的一些条件出发，建立尽量符合实际工况的吊具运动控制；第四 章则是对第三章所提供的典型减摇系统模型的控制方程进行了数值求解，在此基础 上并基于第二章的减摇理论，给出了带平衡梁的小车速度控制方式的优化思路，并 根据实际装卸情况将此优化思路以应用；第五章主要是利用仿真程序对以上的分析 进行计算机仿真层面上的验证，并对仿真所得的优化结果进行了一些定性分析；第 六章则是本人在完成论文后的一些体会和对吊具减摇方面的一些展望 7 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 第二章简化吊具模型的摆动及其减摇分析 2 1 简化吊具摆动系统的力学模型及分析 我们以一个简化的岸桥起重机小车一吊具摆动系统进行分析，在分析之前做出 一些必要的假设： a 整个工作过程不考虑岸桥起重机大车的运动； b 忽略各种阻尼和扰力的影响； c 不计系统的弹性变形； d 将吊具和集装箱视作一个质量均匀分布的刚体，只做平面运动，且 不考虑它的自身摆动； 如图2 - 1 所示，这是一个由行走小车、吊绳，吊具和集装箱组成的力学模型，其 中肘和珊分别为岸桥起重机行走小车和吊具系统( 集装箱和吊具，下同) 的质量；f 为吊绳在行走小车悬挂点和吊具系统质心之间的长度( 在绘图中为醒目用l 表示， 下同) ；x 表示行走小车在水平方向上的位移；0 表示吊绳的偏角；，为行走小车牵 引电机的牵引力；r 为吊具提升电机的提升力；f 为行走小车在水平轨道上运行时所 受到的摩擦力 m 一x il f 。f )、( ) 1 f 甏 图2 - 1简化吊具模型 8 上海海事大学硕士学位论文 岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 首先对该摆动系统进行运动学分析：行走小车做简单的直线运动，而吊具除了 随行走小车运动之外，还相对于行走小车做摆动，同时还要做提升或下放运动。首 先将吊具相对于行走小车的摆动和自身的提升下放运动进行合成，根据运动合成原 理将吊具相对于行走小车的摆动视为牵连运动，吊具自身的提升或下放运动作为相 对运动，则易求得相对加速度a ，- f 、方向沿吊绳方向；切向牵连加速度大小a ：t f p 、 2 方向垂直吊绳方向；法向牵连加速度大小4 ：一1 0 、方向为吊绳反方向；科氏加速度 大小a 。一2 l 口、方向与切向牵连加速度方向相同以上的合成运动是吊具相对于行 走小车的运动，再把行走小车的简单直线运动作为牵连运动进行合成就得到吊具相 对于大地的绝对运动。 已知系统的运动情况，根据达朗伯原理对吊具系统t n 进行受力分析；研受重力 m g ，吊绳张力2 ，各惯性力如图2 - 2 所示： r a ( l8 图2 - 2吊具的动力学分析 以水平向左为正方向，在垂直于吊绳方向上建立平衡方程： m x c o s o m ( 1 0 + 2 0 0 一m gsino一0(21) 9 l 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 以吊绳向上为正方向，在沿吊绳方向上建立平衡方程g m ( t - 1 0 ) 一m x s i n o m g c o s 8 + t 一0 ( 2 2 ) 对行走小车建立平衡方程： m x f 一，一r s i n 0( 2 3 ) 在实际岸桥装卸工作中，驱动力和摩擦力是随时间不断变化的，如果假定摩擦 力为定值，然后给定运动的初始条件，通过已知行走小车牵引电机牵引力和吊具提 升电机提升力的大小，就可利用数值解法求出行走小车和吊具任一时刻的运动状态。 如果定性的分析，很容易地看到以上的吊具摆动系统是一个非线性系统。非线 性系统较为复杂，缺乏有效求解的方法，甚至无法求出满足一定精度条件的解。为 了便于以后的分析，先将这个系统进行进一步的简化，这样方程简单，求解容易， 虽然所得结论的普遍性较差，但换来了对系统更深入更具体的了解，从而给问题的 解决指明正确的方向 在以上的吊具摆动系统中，如果不考虑吊具的提升运动，且在一个时间段内行 走小车的加速度值是恒定的，即：则可将式( 2 1 ) 变形为： 一+ ( g s i n 0 4 c o s o ) - 0 ( 2 4 ) 再根据三角公式，可将上式( 2 4 ) 变形为： 阻a l c c 0 8 镓寺) 】+ 尘号笠s i n ”a r c c o s ( 寿) i o ( 2 5 ) 很容易地看到式( 2 5 ) 是个类似单摆；+ 导s i n o 。0 的运动方程，只不过是该吊 具的摆动平衡位置与一般单摆平衡位置相比有一个偏转角度妒- a r c c o s ( 了：；曼：彳) 。 q g + a 这个表示吊具摆动平衡位置的角度舻可以称之为平衡角。 当吊具的摆角0 正好等于平衡角妒时，吊具受力平衡，摆动角加速度为零。当行 走小车以不同的加速度a 运动，吊具就有不同的平衡角妒与之对应。特殊的情况，当 行走小车处于静止或匀速运动状态即a 一0 时，吊具摆动平衡角驴。0 ，此时吊具的摆 动就是一个严格意义上的单摆运动。 1 0 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 2 2 吊具摆动系统的相位分析 2 2 1 “砰砰”减摇算法的减摇原理分析 a b b 公司设计的电子减摇系统“砰砰”法n 7 1 。1 9 1 是针对抓斗装卸桥中抓斗的装 卸过程而设计的，虽然抓斗装卸物料与集装箱装卸有很大不同，但此减摇思想对集 装箱吊具减摇有很大的借鉴性。 。砰砰”减摇算法把整个减摇系统在运行过程中视作一个带有一个偏转平衡角 的单摆运动。在这种情况下，行走小车水平位移加速度的改变，将对吊具的摆动轨 迹( 即吊具的摆角0 ) 产生重大影响 行走小车刚开始以最大加速度口启动，抓斗由于惯性，开始产生摆动。摆角的变 化规律与系统几何参数和行走小车的加速度a 值有关。已知系统的几何参数和行走小 车加速度可以求得任一时刻的摆角。当小车加速时间到t ，- 鱼已时，即到最大速度 功 。一半值后，以此速度u 。2 匀速行驶，不过在小车匀速行驶的情况下，由于小车 的加速度值为零，所以抓斗摆角的变化规律变为一个纯正的单摆，其变化规律仅与 系统的几何参数和初始时刻的初始状态有关( 初始时刻的初始状态就是小车匀速行 驶开始时的时刻和抓斗所处的摆角) 。在匀速行驶时，因为初始时刻的抓斗具有一定 的角速度，抓斗的摆角将继续增大( 此时的条件是第一段加速时间小于四分之一周 期) ，四分之一周期以后，抓斗的摆角达到最大值随即开始回摆，回摆一定时间以后， 由于单摆运动的对称性，则抓斗的摆角必然会回到小车匀速运动开始时刻的角度， 并且抓斗摆动角速度和小车匀速运动开始时刻的摆动角速度正好相反。此时小车再 以最大加速度4 向前加速直至达到最大速度，还是根据单摆运动的对称性得知第二个 加速阶段的初始状态符合第一个加速阶段的摆角运动规律，故而第二个加速阶段的 摆角变化规律和第一个加速阶段的完全一样。当第二个加速时间屯- t 时停止加速。 此时根据摆角运动规律得知抓斗回到竖直位置且也不会抖动，即摆角0 t 0 且此时角 速度也为零，同时小车以最大速度恒速前进。当运行到某一位置时，小车开始减速， 控制原理同以上一样，同样是减速一匀速一减速，到最后小车停止时，抓斗也停止 上海海事大学硕士学位论文 岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 摆动。这样在整个过程中，抓斗不仅能够实现。甩进甩出”抓斗卸料方案，而且整 个过程循环时间最短，因为小车分别以最大加速度、最大速度、最大加速度运行。 小车速度控制方式下速度与相应的摆角变化如下图2 - 3 所示，其中点划线表示小车行 走速度，实线和虚线组成的曲线表示吊具的摆角，实线对应加速情况，虚线对应匀 速情况。 芏 受 簧 婪 丢 器 畦 图2 - 3 砰砰减摇算法速度变化与对应吊具摆角变化 实际上“砰砰”减摇算法的最主要难点在于计算两次加速阶段之间匀速运动 的时间大小。在下面的的一节中，根据对该吊具摆动系统的相位分析，来计算这个 匀速运动的时间大小，并且总结出通过改变行走小车速度从而对吊具进行减摇的一 般性方法。 2 2 2 吊具摆动系统的相位分析 在简化的吊具摆动模型的分析中，我们已得到吊具的摆角变化规律就是一个带 有一个偏转平衡角的单摆运动。假设在1 0 ，t 】时间区间中，小车做恒定加速度值a 的 匀加速运动，可以将式( 2 5 ) 积分，得到行走小车在匀加速阶段的吊具的摆动方程， c 为积分常数： ! 矗孚c o s o + 手。枷+ c 。0 ( 2 6 ) 2ff 现在我们根据式( 2 7 ) 对实行“砰砰”减摇算法中的吊具摆动系统的相位进 会眷同v趔鹾 上海海事大学硕士学位论文 岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 行分析。如果已知运动开始时吊具的初始状态为( 0 0 ，8 0 ) ，则将式( 2 6 ) 解为： 三占2 一孚c o s 口+ 手s ；n 口一丢矗2 + 手c o s 吼一手s ；n 口。- 。 伫， 设系统的初始状态为静止状态，即吊具的起始状态( 吼，瓦) 为( o ，o ) 则吊具 在第一个加速过程中的摆动方程为： 三；一墨c o s 口+ ! s i n 口+ 星。0 ( 2 8 ) 2ff f 如果在f f 。时小车达到最大速度t ，一半，即：t z 一等，。于是f - f ，时的吊具 肛 摆动角度和摆动角速度必定满足式( 2 8 ) ，f f 。时刻吊具的摆动角度为吼，摆动角 速度为反，则吼和反必然满足下式： 三；t 2 一g - - ， - c o s 吼+ 手s ；n o l + 手- o ( 2 9 ) 通过合适的数值算法，由上式可求得f f 。时吊具的摆动角度吼，摆动角速度反 在第一个加速阶段结束以后，开始进入小车匀速阶段，即口0 的特殊阶段，同时考 虑小车匀速阶段的初始状态( 吼，反) ，则可将式( 2 6 ) 变形为行走小车在匀速阶段 的吊具的摆动方程： 三占2 - 墨c o s 口一三蠢2 呼删一。 哪 显然，小车在f 。f ：时。吊具的摆动角度为口：和摆动角速度为友由小车匀速运动 时问f t ：一f 。和式( 2 1 0 ) 决定，必然满足下式： 圭；：2 一手c o s ”j 1 o2 + g - ，- c o s 吼- o ( 2 1 1 ) 同时小车在f 。f ：时进入第二个加速状态，f 。f ：时吊具的运动状态( 巴，反) 为 第二个加速状态的起始状态，其间吊具的摆动方程为； ! 占2 一手c o s 日+ 詈s i n 0 - 一1f o ：2 + g c o s o - 22孚s i n 口：= o ( 2 1 2 ) ff l 上海海事大学硬士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减插装置的研究 根据式( 2 1 2 ) 可知，可希望在行走小车达到最高速度时即第二个加速停止时刻 屯满足岛- t 2 。f 。时，吊具的运动状态( 巴，0 3 ) 恰好等于( o ，o ) ，即完全停止摆动。 即将( 0 3 ，o ，) 代入式( 2 1 2 ) ： 一孚一三反2 + 孚c o s 岛一a s i n 0 2 ；o ( 2 1 3 ) f2 z 、 将式( 2 1 3 ) 与式( 2 9 ) 比较，根据单摆运动的对称性原理可知只需满足o 。一o ： 和鼠一一0 2 ，则吊具的摆动可以恢复至最初的静止状态。即经过相同时间的两个加速 过程，第二个加速过程的初始状态只需与第一个加速过程的结束状态满足：摆角角 度相等，摆角角速度大小相等、方向相反，就可以把吊具因为小车加速造成的摆动 完全消除。 满足岛- 0 2 和0 1 - 一0 2 ，只要根据式( 2 1 0 ) 利用合适的数值方法就能求出满足 吼- 0 ：和吼- - 0 ：条件的小车匀速运动时问出。 由分析控制小车加速匀速一加速的过程可以将小车加速过程产生的吊具摆动 完全消除的原理，我们不难分析控制小车减速匀速一减速的过程可以将小车减速 过程产生的吊具摆动完全消除的原理综合以上，我们可以设想只要设置合适的加 减速时刻，利用小车加速匀速减速的速度控制模式也完全可以消除吊具在加速 过程和减速过程中产生的摆动。 实际上，如果小车和吊具是以静止状态开始启动，当行走小车采用加速度绝对 值相等的加速和减速过程，只要两个过程时间相等，并且加速过程的的结束状态和 减速过程的开始状态满足一定的条件，就必定可以在减速过程结束以后，将吊具的 摆动恢复至最初的静止状态。 设行走小车分别以a 和一口进行加速和减速，加速和减速时间长度均为f 。行走 小车在加速过程的吊具摆角运动满足式( 2 7 ) ，从而在吊具初始状态为( o ，o ) 经 t 一0 的加速过程后，吊具的运动状态( 吼，吼) 必然满足： 三2 ；1 2 _ 孚c o s 目，+ 手s t n 一。+ 手t 0 ( 2 1 4 ) 只需将式( 2 7 ) 的n 换作一n ，行走小车在减速过程的吊具摆角运动就满足式 1 4 上海海事大学硕士学位论文岸边集装箱装卸桥吊具减摇装置的研究 ( 2 7 ) ，从而在吊具初始状态为( 0 20 2 ) 经f - t ，一0 的加速过程后，吊具的运动状 态( 岛，岛) 必然满足： 扩- 量刚一手咖8 矗孚c o s 0 24 - 了as 妯”o ( 2 1 s 32f z2 f f 根据式( 2 1 2 ) 可知，可希望在行走小车速度为零时即减速历时与加速历时相等 时，吊具的运动状态( 以，0 ，) 恰好等于( o ，0 ) ，即完全停止摆动即将( 0 38 ，) 代 入式( 2 1 3 ) ： 一手一丢吱2 + 手c o s 吼+ 了a s t n 口：- o ( 2 - 6 ) 将式( 2 1 4 ) 与式( 2 1 6 ) 比较，根据单摆运动的对称性原理可知只需满足吼- 0 ： 和吼一0 2 ，则吊具的摆动可以恢复至最初的静止状态即经过相同时间的加速与减 速过程，减速过程的初始状态只需与加速过程的结束状态满足：摆角角度大小相等、 方向相反，摆角角速度相等，就可以把吊具因为小车加减速造成的摆动完全消除。 行走小车在加速与减速过程中间是匀速运动，其吊具摆动初始状态是( 岛，0 1 ) ， 则匀速过程结柬时吊具运动状态( 0 2 , 0 2 ) 必然满足式( 2 1 0 ) ，故而根据式( 2 1 0 ) 利用合适的数值方法就能求出满足吼一- 0 2 和口。- 日：条件的小车匀速运动时间a f 。行 走小车加速匀速减速过程中小车速度与相应的摆角变化如下图2 - 4 所示，其中点 划线表示小车行走速度，实线和虚线组成的曲线表示吊具的摆角，实线对应加速情 况，虚线对应匀速情况 ， 上海海事大学硕士学位论文 岸边集装箱装