（机械制造及其自动化专业论文）内卸式门座卸船机抓斗运动特性的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 门座起重机作为码头前沿进行装卸作业的主要设备，其性能的优劣在很大 程度上决定了码头的装卸效率，而变幅系统设计是提高门座起重机装卸效率的 一个重要环节，其优劣还决定性地影响整机的使用性能、可靠性和经济性。 本文基于传统单臂架门座起重机的货物不能在门架内侧进行卸载的局限 性，提出设想了一种新型的内卸式门座卸船机，该卸船机的工作机构主要有： 运行机构、变幅机构和起升机构。其核心技术是采用了新的变幅系统，使该新 型散货卸船机相对于传统门座起重机在技术参数和工作性能上具有非常明显的 先进性。本文针对内卸式门座卸船机抓斗的运动特性展开相关研究。 论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了该内卸式门座卸船机的构成、工作原理以及变幅系统的特性。 通过程序的分析计算，得出了该卸船机的抓斗水平位移曲线，自重不平衡齿条 力曲线以及货物不平衡齿条力曲线。 ( 2 ) 深入研究了该内卸式门座卸船机变幅过程中的运动特性。利用复数矢 量法对变幅机构进行位置分析、速度分析与加速度的分析。并通过基于变幅平 台运动速度规划的实例分析，利用m a t l a b 软件编程计算，得到了臂架、抓斗运 动的变化规律曲线。 ( 3 ) 基于拉格朗日方程原理建立了卸船机抓斗摇摆系统的数学模型，利用 四阶龙格一库塔算法对该摇摆模型进行数值求解，并通过绳长和阻尼系数的变 换探讨了该卸船机抓斗系统的摇摆特性，得出了抓斗摇摆特性曲线图。 ( 4 ) 结合三维建模s o l i d w o r k s 软件和动力学仿真a d a m s 软件，建立了该 内卸式门座卸船机抓斗摇摆系统的虚拟样机模型。利用数值计算和多刚体动力 学仿真计算，通过改变绳长和阻尼系数，得出了该卸船机抓斗摇摆系统的运动 特性曲线。虚拟样机技术的运用可以减少了传统设计过程中的重复性工作，能 降低研发成本，缩短研发周期，提高产品质量。 关键词：内卸式门座卸船机，运动特性，摇摆特性，虚拟样机技术 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed o o rc r a n e sa r et h em a i ne q u i p m e n tf o rl o a d i n ga n du n l o a d i n gi nw h a r f , t h e c a p a b i l i t yo fi th a sg r e a t l yd e e pi n f l u e n c eo nl o a d i n ga n du n l o a d i n ge f f i c i e n c y i n o r d e rt op r o m o t et h el o a d i n ga n du n l o a d i n ge f f i c i e n c yo fd o o rc r a n e ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt od e s i g nt h el u f f i n gs y s t e m ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e l u f f i n gs y s t e mh a v ec r u c i a li n f l u e n c eo nt h em o v e m e n tc a p a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n d e c o n o m i c yo f t h ec r a n ea saw h o l e b a s e do nt h el i m i t a t i o n so ft h et r a d i t i o n a lc a n t i l e v e rd o o rc r a n ew h i c hc a nn o t u n l o a dg o o d si nt h ei n t e r n a lp o r t a lf l a m e ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r dt od e s i g nan e w t y p e o ft h ei n - u n l o a d i n gd o o rc r a n e t h em a i no p e r a t i n gm e c h a n i s m so ft h i sc r a n ea r e ：t h e t r a v e l i n gm e c h a n i s m ，t h el u f f i n gm e c h a n i s ma n dt h eh o i s t i n gm e c h a n i s m t h ec o r e t e c h n o l o g yo ft h i sc r a n ea d o p t san e wl u f f i n gs y s t e ma n ds ot h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s a n dw o r kp e r f o r m a n c eo ft h i sc r a n ea r es u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a ld o o rc r a n e t h e t h e s i sh a sr e l a t e dr e s e a r c ho nt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg r a bb u c k e to ft h e i n - u n l o a d i n gd o o rc f l u e t h et h e s i sc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) r e s e a r c ht h ec o n s t i t u t e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl u f f i n g s y s t e mo ft h ei n - u n l o a d i n gd o o rc r a n e t h r o u g ha n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n go ft h e p r o g r a m ，i to b t a i n st h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc u r v e ，t h ed e a dw e i g h ti m b a l a n c e m c kf o r c ec u r v ea n dt h eg o o d si m b a l a n c er a c kf o r c ec u r v e ( 2 ) d e e p l yr e s e a r c ht h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sn e wc r a n ei nt h el u f f i n g p r o c e s s u s et h ep l u r a lv e c t o rm e t h o df o ra n a l y z i n gt h ep o s i t i o n ，v e l o c i t ya n dt h e a c c e l e r a t i o no fl u f f i n gm e c h a n i s m a n db a s eo nt h ee x a m p l e sa n a l y s i sf o rm o t i o n p l a n n i n go ft h el u f f i n gp l a t f o r m ，u s i n gm a t l a bs o f t w a r ea n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n g , i t o b t a i n st h em o t i o nc u r v eo ft h ec a n t i l e v e rf r a m ea n dt h e 伊a bb u c k e t ( 3 ) b a s eo nt h ep r i n c i p l eo fl a g r a n g ee q u a t i o n ，i ts e t su pt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h e 黟a bb u c k e ts w i n gs y s t e mf o rt h i sc r a n e u s et h ef o u r t hr u n g e - k u r a a l g o r i t h mt os o l v et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg r a bb u c k e ts w i n gs y s t e m a n d d i s c u s st h es w i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sc r a n et h r o u g hc h a n g i n gt h ec o r dl e n g t ha n d n 武汉理工大学硕士学位论文 d a m p i n gc o e f f i c i e n t i tg e t st h eg r a bb u c k e ts w i n g c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ( 4 ) c o m b i n e dw i t h3 dm o d e l i n gs o l i d w o r k ss o f t w a r ea n dd y n a m i cs i m u l a t i o n a d a m ss o f t w a r e ，i ts e t su pt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e lo ft h e 黟a bb u c k e ts w i n g s y s t e mf o rt h i sn e wc r a n e b yu s i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dm u l t i r i g i d - b o d y d y n a m i c ss i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dc h a n g i n gt h e c o r dl e n g t ha n dd a m p i n g c o e f f i c i e n t , i tg e t st h e 黟a bb u c k e ts w i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yc a nr e d u c et h er e p e a t e dw o r kf o rt r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e s s ，r e d u c e d e v e l o p m e n tc o s t s ， s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo f p r o d u c t s k e yw o r d s ：t h ei n - u n l o a dd o o rc r a n e ，m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重 机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来 越高。科学技术的飞速发展，推动了现代设计和制造能力的提高，激烈的国际 市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。这些都促使起重机的技术性能进入新的 发展阶段，正经历着一场巨大的变革。在物料搬运中，水上运输在世界整个物流 系统中占有相当大的比例，港v i 起重机在港口物流中又起着特殊重要的作用【l 】。因 此，研究如何改进港口起重机的性能就显得相当的重要。 本课题基于传统门座起重机的货物不能在门架内侧进行卸载的局限性，提 出设想了一种新型内卸式门座卸船机，该卸船机的工作机构主要有：运行机构、 变幅机构和起升机构。其核心技术是采用了内卸式变幅系统，使该卸船机相对 于传统门座起重机在技术参数和工作性能上具有非常明显的先进性。 为了进一步探讨该内卸式门座卸船机的性能，本文从该卸船机的变幅系统 的各点位置布置入手，详细分析了该卸船机的变幅运动的特点，并且基于实际 情况进行了运动规划的描述。同时对该卸船机的抓斗摇摆系统建立数学模型， 分析影响摇摆的因素，研究摇摆机理，进而对卸船机的抓斗摇摆特性进行虚拟 样机的描述。通过数学建模、相关软件以及虚拟样机技术的运用，为该内卸式 门座卸船机的变幅运动特性和抓斗摇摆特性的研究提供了可靠的理论依据。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 变幅系统运动分析的研究动态 变幅系统是港口门座起重机最重要的组成部分。其作用为：取物装置( 抓 斗) 的工作位置通过幅度的改变得以实现：通过幅度的改变使起重机的作业范 围扩大，加之与回转和起升机构的协调工作，使工作范围形成一个环形柱状的 三维工作空间，以改善工作性能，提高了起重机的生产效率。变幅系统设计的 武汉理工大学硕士学位论文 主要内容为：抓斗水平位移系统的设计；自重平衡系统的设计；变幅驱动机构 的设计。一般来说，选定了变幅系统也就决定了门机的基本型式。变幅系统的 优劣还决定性地影响整个门机的使用性能、可靠性和经济性【2 】。鉴于起重机变幅 系统的设计对整机的性能的重大影响，因此对其设计方法的研究长期受到一些 研究部门和众多学者的关注和重视。 机构运动分析的任务是按已知的机构运动简图及原动件的运动规律，求解 其他活动构件的运动参数。其基本内容为：求构件的位置，包括求构件上某特 定点的运动轨迹；求构件的角速度及角加速度，或构件上某点的速度、加速度。 常用的求解机构运动规律的方法有很多，主要分为图解法和解析法【3 】：图解 法比较形象直观，但是通过反复作图得出的，比较费时，且图解法精度较低， 不能够非常精确的作出模切机构各杆件运动线图；解析法是把机构中的尺寸参 数和运动变量关系用数学式表达出来建立方程，然后求解方程得到机构的各杆 件的运动曲线图，这种方法可以获得很高的求解精度。 关于运动分析的解析方法很多，单位向量法是按照机构的位置设置相应的 向量形成一个封闭环，设其单位向量和模再建立方程式来进行求解。一般说， 单位向量法的表达式比较简单，但是实际结果的计算需要求解三角函数的方程， 对于复杂机构来说是项麻烦的工作。 复数矢量法是将机构看成一封闭矢量多边形，并用复数形式表示该机构的 封闭矢量方程式，再将矢量方程式对所建立的直角坐标系取投影【4 】。对于包括结 构参数和时间参数得解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能。 在本文中，该内卸式门座卸船机变幅机构是一个复杂机构，可等效为一个 四杆机构和一个曲柄滑块机构，属于组合机构，其运动过程比较复杂。所以对 该机构运动曲线的精确求解无法通过图解法实现，只能采取合适的解析法。而 复数矢量法分析机构平面运动就是把各杆件的位移矢量在复平面内用极坐标表 示，用复数矢量的运算性质列出机构各杆所构成的矢量封闭方程，建立起各杆 件的运动参数方程，其运算清晰简便，也便于利用m a t l a b 编程对方程组进行精 确的求解，得到各杆件的精确的运动曲线。因此，本文中采用复数矢量法对该 内卸式门座卸船机的变幅机构运动进行研究分析。 1 2 2 吊重摇摆技术的研究动态 目前，国内外对吊重摇摆技术的研究主要体现在防止吊具的摇摆和控制吊 2 武汉理工大学硕士学位论文 具的摇摆的问题上。国内最早从事吊车防摆控制研究的学者是中国民航学院的 华克强等人，在文酬5 】中，作者针对桥式吊车，给出了系统的简化模型，根据此 模型，设计了最优控制器、自适应控制器、模糊控制器、并对三种控制器进行 了比较分析。 山东建筑工程学院的李伟等人在吊车防摆控制领域也开展了研究。李伟等 人是国内从事防摆研究发表文章较多的学者，分别在吊车的模型，控制方法等 方面进行了研究。在文献【6 】中，应用最优控制理论，提出了天车点动消摆和全程 消摆等控制策略。在文献【_ 7 】中作者采用极点配置技术，以积分二次型性能指标提 出最优消摆策略，同时实现消摆、提高运行速度两个目标。 近年来，随着控制理论的发展，一些新的控制方法也应用到了起重机的自 动控制研究上。上海交通大学的梁春燕【8 】等人将一种能抑制系统残留震荡的时滞 滤波技术应用到防摆控制中。北方工业大学的薛朵【9 】和武汉理工大学的周勇【l o 】 也都各自设计了更加实用的模糊控制器。同样，哈尔滨工业大学的张晓华，贾 智勇【1 1 】也对输入整形策略在船上回转吊车防摆控制上的应用进行了深入研究。 国内的研究也开始进入应用智能控制理论和新的控制方法的新阶段。 在吊车防摆控制技术的研究上，国外学者采用的控制方法多种多样，既有 比较传统的经典控制理论、现代控制理论、最优控制理论、也有比较新的自适 应控制理论、模糊控制、神经网络、非线性控制等方法【1 2 1 。 文献【1 3 】中，a z a l _ 母a m i 等人建立了精确的三自由度起重机的状态模型并 利用现代控制理论的方法实现了基于时间和误差综合最优的反馈控制。文献【1 4 】 中美国学者h a n a f y 采用增益调度的方法设计了全状态反馈的控制器，并且采用 经典p i d 控制的方法分别设计了防摆和定位控制器，并进行了仿真和实验。文 献【l5 】中，作者设计了具有较好鲁棒性的模糊控制器，取得了较好的控制效果。 文献【1 6 】中，作者分别提出了一种基于l y a p u n o v 稳定性理论设计的防摆控制器。 从理论上来看，虽然要完全精确地控制住摇摆比较困难，但要从大体上基 本控制住是完全可能的，现代控制理论和智能控制技术的新发展提供了这种可 能性；计算机软件技术所表现出的巨大的灵活性也让人相信控制器的具体实现 不会有太大的问题；新型传感器的性能已经能够满足要求；执行机构的能力已 经十分强大并且正在变得更加强大【1 7 1 。总之，解决起重机摇摆问题的时机已日 趋成熟，该问题的研究已成为目前一个热点。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 论文研究的主要内容 论文以内卸式门座卸船机s x j 2 5 2 5 为研究对象，运用运动学分析、机械振 动、数值计算等理论基础，以数值分析软件m a t l a b 与动力学仿真软件a d a m s 相结合的方法，对该散货卸船机的动力学特性进行深入的研究，着重探讨该卸 船机变幅运动过程和抓斗摇摆过程。 论文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了该内卸式门座卸船机的构成、工作原理以及变幅系统的特性。 通过程序的分析计算，得出了该卸船机的抓斗水平位移曲线，自重不平衡齿条 力曲线以及货物不平衡齿条力曲线。 ( 2 ) 深入分析了该内卸式门座卸船机变幅过程中的运动特性。利用复数矢 量法对变幅机构进行位置分析、速度分析与加速度的分析。并通过基于变幅平 台运动速度规划的实例分析，利用m a t l a b 软件编程计算，得到了臂架、抓斗运 动的变化规律曲线。 ( 3 ) 基于拉格朗日方程原理建立了卸船机抓斗摇摆系统的数学模型，利用 四阶龙格一库塔算法对该抓斗摇摆系统模型进行数值求解，并通过绳长和阻尼 系数的变换探讨了该卸船机抓斗系统的摇摆特性，得出了抓斗摇摆特性曲线图。 ( 4 ) 结合三维建模s o l i d w o r k s 软件和动力学仿真a d a m s 软件，建立了该 内卸式门座卸船机抓斗摇摆系统的虚拟样机模型。利用数值计算和多刚体动力 学仿真计算，通过改变绳长和阻尼系数，得出了该卸船机抓斗摇摆系统的运动 特性曲线。虚拟样机技术的运用可以减少了传统设计过程中的重复性工作，能 降低研发成本，缩短研发周期，提高产品质量。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章内卸式门座卸船机的构成和特征 2 1 内卸式门座卸船机简介 为了提高传统单臂架门座起重机的装卸效率，降低回转过程中的能量损耗， 设计了一种新型散货卸船机。其核心技术是采用了内卸式变幅系统，在技术参 数和工作性能上具有非常明显的先进性，主要表现在：具有良好的结构受力及 重量分布；具有较高的变幅速度，从而使起重机的装卸效率大大提高；能够达 到较小的最小幅度，从而使起重机在海n i - j 腿内侧卸载成为可能，并使得该起 重机不需要回转机构；通过优化设计得到了良好的水平位移补偿效果和自重平 衡效果，减小了变幅机构的驱动功率。s x j 2 5 2 5 型内卸式门座卸船机总体示意图 如图2 1 所示。 1 一臂架；2 一变幅驱动杆；3 一摇架；4 平衡梁；5 一变幅平台；6 一人字架 7 - 门架；8 钢丝绳卷绕系统；卜导向滑轮 图2 1s x j 2 5 2 5 型内卸式门座卸船机总图 s x j 2 5 2 5 型内卸式门座卸船机结构简单重量轻，成本较低，轮压较小，对码 头承载能力要求不高，码头与设备投资较小。总之，是一种装卸效率较高、设 备投资较低的散货卸船机，适合中小港口和内河码头的散货作业。同时，该散 货卸船机的技术经济性能优越，技术方案可行，有必要进一步深入研究与开发。 2 2 内卸式门座卸船机变幅系统的设计特点 该内卸式门座卸船机的变幅系统具有创新性，该系统可达到扩大工作范围、 武汉理工大学硕士学位论文 提高工作速度、改变工作方式的目的，用于提高岸边散货作业的臂架类门座起 重机的装卸效率。该系统由组合式臂架系统、侧移式水平位移补偿系统、双对 重式自重平衡系统、垂直式齿条变幅驱动装置等部分构成，整个系统外观新颖 美观。如图2 2 所示。 图2 - 2 内卸式门座卸船机变幅系统 2 2 1 组合式臂架系统 ( 1 ) 结构形式 该系统采用摇架变幅驱动杆和单臂架的四杆机构形式。该系统由臂架、交 幅驱动杆、摇架三部分组成。臂架结构简单，是对称的圆管状结构形式，驱动 滑轮及补偿滑轮均布置在臂架的头部，使得臂架的力学性能优良。变幅驱动杆 连接臂架，摇架成三角形，连接变幅驱动杆。 ( 2 ) 特点 与传统单臂架门座起重机相比，臂架结构轻巧简单，臂架头部受力合理， 臂架中部不产生应力集中和弯曲应力； 结构紧凑，摇架，变幅驱动杆，臂架受力分布均衡，三者之间传力合理； 臂架头部布置驱动滑轮装置，装拆维修方便，易于布置起升绳支撑绳构 成的水平位移补偿系统； 组合式臂架系统在变幅过程中成“三角形式”分布，在最大幅度和最小 幅度时大致形式三角形相似。 2 2 2 侧移式水平位移补偿系统 ( 1 ) 补偿形式 6 武汉理工大学硕士学位论文 该系统采用起升绳补偿、支撑绳和侧移绳对活动导向滑轮定位的组合补偿 形式，如图2 3 所示。起升卷绕系统采用滑轮组补偿方式，起升绳从起升卷筒绕 出经人字架前端绕入补偿滑轮组，再经臂架头部接入起升滑轮组，根据起升绳 在变幅过程中总长不发生改变可补偿一定的货物高度变化。支撑绳及侧移绳卷 绕系统采用导向滑轮的双绳定位方式，支撑绳从臂架头部滑轮绕出经人字架前 端滑轮、臂架前端滑轮接入活动导向滑轮装置。侧移绳从变幅平台滑轮绕出经 人字架后端滑轮接入活动导向滑轮装置。根据支撑绳和侧移绳在变幅过程中总 长不变的特性决定了活动导向滑轮装置的位置，并补偿一定的货物高度变化。 起升绳、支撑绳和侧移绳的组合补偿形式可实现货物在变幅过程中作近似水平 运动。 ( 2 ) 特点 在内卸式门座卸船机变幅过程中，支撑绳与侧移绳同时作用定位导向滑 轮，使货物在最小幅度时位于海侧门腿内侧，与传统单臂架门座起重机相比， 扩大了起重机的工作范围，实现起重机在海侧门腿内侧卸载，从而取消回转装 置： 由于导向滑轮装置作用，可有效地提高该卸船机的变幅速度，同时在最 小幅度时，可有效的减小货物的摇摆，具有较好的防摇效果； 卸船机在最大幅度时，侧移绳是松弛的，未受力起作用，当变幅系统运 行到一定位置，侧移绳拉紧，开始受力起作用； 起升绳与支撑绳、侧移绳分开，使起升卷绕系统较为简单，便于起升绳， 支撑绳和侧移绳的安装和维护，但同时增加了钢丝绳的总长； 系统的设计裕度较大，易于通过优化设计获得较好的水平补偿效果。 图2 3 钢丝绳卷绕系统 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 垂直式齿条变幅驱动装置 ( 1 ) 驱动型式 由与人字架相连的垂直式齿条、变幅平台上的齿轮和驱动装置组成。通过 变幅平台上的电机驱动，驱动变幅平台垂直运动，平衡梁，摇架，变幅驱动杆 相应受力运动，从而驱动臂架摆动进而改变货物的工作幅度。 ( 2 ) 特点 齿条可以承受双向力，结构紧凑，重量轻，传动效率高，制造维护较简 单； 改善臂架及人字架结构的受力，使该卸船机在工作过程中所受的力直接 通过门腿传到基础。 整机重心分布合理。 2 2 4 双对重式自重平衡系统 ( 1 ) 平衡方式 该系统由平衡梁，变幅平台部件组成。平衡梁与变幅平台、摇架铰接，变 幅平台与人字架上的齿条啮合，采用双对重，分别位于变幅平台以及平衡梁头 部。在变幅过程中利用双对重的运动来平衡臂架系统重心的升降。平衡梁的尺 寸以及双对重的重量分配根据臂架系统重心的升降进行设计，可保证系统的平 衡性能，获得理想的自重不平衡力矩曲线。 ( 2 ) 特点 型式新颖，双对重的采用，可灵活的配重分配； 能获得理想的自重不平衡力矩曲线，易于达到在大幅度时系统具有上仰 的不平衡力矩、在小幅度时系统具有下俯的不平衡力矩的设计效果； 易于布置垂直式齿条变幅驱动装置； 系统的设计裕度较大，易于通过优化设计获得较好的自重平衡效果。 2 3 内卸式门座卸船机变幅系统的特性 门座起重机是旋转类型的有轨运行式起重机的一种重要且有代表性的机 型，具有能让运输或牵引车辆顺利通过其运行机构而得名【1 8 l 。现代门座起重机 广泛应用于码头、港口货物的机械化装卸，造船厂船舶的制造、安装以及大型 武汉理工大学硕士学位论文 水电站的建坝等大型工程中，对工人的操作条件地改善，繁重的体力劳动地减 轻，劳动生产率地提高具有很大的意义，是机械化生产过程中必不可少的重要 设备【拶j 。 门座起重机的工作机构主要有：运行机构、回转机构、变幅机构和起升机 构。其中，变幅机构是用来改变起重机的幅度。其作用为：取物装置( 抓斗) 的工作位置通过幅度的改变得以实现；通过幅度的改变使起重机的作业范围扩 大，加之与回转和起升机构的协调工作，使工作范围形成一个环形柱状的三维 工作空间，以改善工作性能，提高了起重机的生产效率【2 0 l 。变幅系统的设计的 优劣决定着整台门座起重机的性能，且变幅系统设计较为复杂，整个设计过程 成功的关键就在于此。根据港口起重机设计规范可知，目前评价一种门座起重 机变幅系统好坏的标准主要有以下三点： ( 1 ) 载重( 物品) 水平位移：使物品在变幅过程中沿着水平线或接近水平 线的轨迹运动。具体表现为： z k h 。瓢o 0 3 ( s 一一s m i 。) ( 2 1 ) 式中，幽一为载重水平位移差值：s 一为起重机最大幅度值：s m 妯为起重机最 小幅度值。 ( 2 ) 臂架自重平衡：使臂架系统总重心高度在变幅过程中不变，或变化较 小。同时要求起重机在最大幅度时系统具有上仰的不平衡力矩、在最小幅度时 系统具有下俯的不平衡力矩。 ( 3 ) 货物引起的不平衡力矩：起重机在变幅过程中货物不平衡力矩要求尽 可能小。 根据前期一系列优化找点工作，通过程序的设计计算，该内卸式门座卸船 机的抓斗水平位移差值、自重不平衡齿条力、货物不平衡齿条力均达到了很好 的性能，其抓斗水平位移差值如图2 - 4 所示，自重不平衡齿条力如图2 5 所示， 货物不平衡齿条力如图2 6 所示。 9 l 帅 i o d n 1 2 0 l 肿 8 0 柏，呻 4 0 2 0 。呻 o 0 0 - 2 0 0 0 武汉理工大学硕士学位论文 ；蚕一； 7f f ；三矗竺譬篙高2 = 窖晶雾竺；斜= 兽篙簧暑叠禽掣= 髻= l 耋主垂重量鸯盘妻鐾量量量薹基墓垂鐾垂鐾蓉基妄露堂耋 培 1 0 , 暑g o t - | 一加 l 钆g o 0 0 2 o g t o g - 厶o g - 4 0 0 g o 一毛加 - 1 仉 一1 2 8 0 图2 4 抓斗水平位移差值 弋 曛馘三翌誊，岁搿鬻攒搦；! 图2 5 自重不平衡齿条力 2 二二天二二： !雾量喜_主呈茗三呈-墨呈喜i!；：!：!：莲臁要_蔓墨羔薹重要重量 7 图2 - 6 货物不平衡齿条力 武汉理工大学硕士学位论文 通过程序的计算分析可知，s x j 2 5 2 5 内卸式门座卸船机的抓斗水平位移差值 幽一1 4 3 m m ，该卸船机设计的幅度值s 一一s m i n = 2 8 0 0 0 r a m ，i u - - i 知抓斗水 平位移差值幽一远远小于0 0 3 ( s 一一s m i n ) ，则证明该卸船机的水平位移性能良 好。同时通过程序的计算可得，该新型散货卸船机的自重不平衡齿条力和货物 不平衡齿条力的均方根值是小于l o t 的，且满足卸船机在最大幅度时系统具有上 仰的不平衡力矩( 图2 5 中齿条力为负值) ，在最小幅度时系统具有下俯的不平 衡力矩( 图2 5 中齿条力为正值) ，则可证明该卸船机在变幅过程中变幅阻力较 小，变幅驱动功率较小，能量的损耗较少。 2 4 本章小结 港口装卸机械趋于高效化，节能化，环保化发展，本章主要对传统单臂架 门座起重机的变幅系统进行创新研究，提出设计了一种新型内卸式门座卸船机， 其变幅系统是该机型的核心，由组合式臂架系统、侧移式水平位移补偿系统、 双对重式自重平衡系统、垂直式齿条变幅驱动装置等部分构成。同时本章从衡 量一种门座起重机变幅系统的标准入手，通过程序的分析计算，定量的分析给 出了内卸式门座卸船机的变幅系统的性能，证明了该散货卸船机的优越性，具 有广泛应用于各中小码头散货装卸作业的前景。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章内卸式门座卸船机变幅系统的运动分析 该内卸式门座卸船机在变幅运动过程中，为了达到在门架内侧进行卸载的 要求，设计了较复杂的钢丝绳卷绕系统，同时设计了导向滑轮装置，该装置便 于抓斗的定位以及防止抓斗的摇摆。在变幅过程中，由于有侧移绳的作用，导 致抓斗的运动分析比较复杂。在这里首先进行了变幅系统的位置分析，然后再 进行了速度、加速度分析。通过复杂的函数关系的推导，得到了抓斗、臂架运 动与变幅平台运动之间的变化规律。为了使问题的描述更为直接化，可直观的 了解该内卸式门座卸船机的运动规律，本章进行了基于变幅平台运动规划的臂 架、抓斗的速度分析，建立了相应的数学模型，利用m a t l a b 软件进行求解绘图 演示，争取达到理论和实际的统一。 3 1 位置分析 内卸式门座卸船机变幅系统由组合式臂架系统、侧移式水平位移补偿系统、 双对重式自重平衡系统、垂直式齿条变幅驱动装置等部分构成，其变幅系统简 化如图3 - 1 所示： 最小幅度变幡系统位置最大幅度囊幅系9 位置 图3 - 1 变幅系统位置简图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 1 机构位置分析 关于机构运动分析的解析方法较多，解析法一般是根据机构的封闭条件建 立位置方程，然后将位置方程对时间求导得速度方程和加速度方程。由于所用 的数学工具不同，运动分析的解析法也有多种，如封闭矢量多边形投影法、复 数矢量法、旋转矩阵法等等。 对于变幅机构的运动分析可采用复数矢量法。复数矢量法是将机构看成一 封闭矢量多边形，并用复数形式表示该机构的封闭矢量方程式，再将矢量方程 式对所建立的直角坐标系取投影。对于包括结构参数和时间参数得解析式就时 间求导后，可以得到机构的运动性能。 分析该内卸式门座卸船机变幅机构的运动( 不考虑绳索补偿系统) ，可以把 该变幅机构等效为一个四杆机构与一个曲柄滑块机构的组合机构，该四杆机构 是由臂架，变幅驱动杆，摇架组成，而曲柄滑块机构则是由摇架，平衡梁，变 幅平台组成，如图3 2 所示。 四杆机构 图3 - 2 变幅机构等效图 ( 1 ) 四杆机构位置分析 已知：各杆尺寸，固定绞点o 和b 的位置以及摇架角度屈； 求解：口，口和屈之间的关系。 对图3 2 进行位置分析，现将b d h o 看作一封闭矢量多边形。则该矢量方 - 程式为：厶+ l 2 = + 厶 ( 3 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 以复数形式表示为： 厶p 班1 + 厶e 垃= l b o e 以+ 厶p 埘 式中：名：一a c t a n 削； l x o x 口i 将式( 3 1 ) 按欧拉公式展开可得： l , ( c o s p , + s i n 屈) + l 2 ( c o s o f _ + i s i n a ) = l 占d ( c o s 3 + i s i n 五) + l 3 ( c o s 0 + i s i n 0 ) 该方程两边的虚部实部应相等，可得方程组为： l l c o s p , + l 2 c o s a = l b o c o s 2 + l 3 c o s o l l s i n , b l + l 2 s i n o t = l s os i n 2 + l 3s i n 0 方程组消除口后得： a c o s 0 + b s i n 口+ c = 0( 3 2 ) 其中： a = l s o c o s 2 , - l lc o s # , b = l b os i n 2 , l ts i n f l l c ：丝：堡：墨2 ：二墨2 ： 2 l 3 以c o s 0 = 1 一t a n 2 ( 0 2 ) l + m 2 ( o 2 ) s i n 乡：_ 塾竺等经妥代入( 3 2 ) 中可解出p ： 1 + t a n 2 ( p 2 ) 、 臼：2 一垒圭暨巫 彳一c 同样可解出 口= 一篆筹 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 2 ) 曲柄滑块机构位置分析 已知：各杆尺寸，固定绞点b 和滑槽z p 的位置以及摇架角度履； 求解：伊，y r 和履之间的关系。 对上图进行位置分析，现将b e f 看作一封闭矢量多边形。则该矢量方程式 _ 为： 厶+ l 5 = 1 - 6 + 日 ( 3 5 ) 以复数形式表示为： l 4 e l 事2 + l s e 坤= 一l j h 将( 3 5 ) 按欧拉公式展开可得： 厶( c o s p 2 + i s i n 反) + l 5 ( c o s q ，+ i s i n f a ) = 一l 6 i h 该方程两边的虚部实部应相等，可得方程组为： l 4 c o s p 2 + l s c o s q ，= 一h 厶s z 船尾+ l 5 s i n ( a = 一l 6 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 故： 删万一半 则可解出 y ，= y b + l 4s i n 色+ l 5s i n q 3 1 2 起升支撑侧移绳水平位移补偿系统位置分析 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 为了实现货物在起重机海侧门腿内侧进行卸载，s x j 2 5 2 5 内卸式门座卸船机 设计了起升绳，支撑绳，侧移绳三套绳索卷绕系统，通过分析可知，在变幅过 程中，三套绳索卷绕系统都对抓斗的位置产生作用。在最大幅度时，侧移绳是 松弛的，对抓斗的位置不起作用，此时，支撑绳与起升绳决定导向滑轮位置k ， 而抓斗的位置由起升绳决定。当起重机运行到一定的幅度时，侧移绳拉紧，此 时，支撑绳与侧移绳决定导向滑轮位置k ，而抓斗的位置由起升绳和导向滑轮位 置k 共同决定。 根据支撑绳，侧移绳总长不变，在卸船机变幅过程中，局部绳长变化使活 动导向滑轮装置k 移动了一定距离。确定了导向滑轮装置k 新的某个位置之后， 再根据起升绳总长度不变，可以确定起升绳在新的位置收放的绳长导致抓斗相 对导向滑轮装置k 垂直方向发生的相对位移。通过三套绳索的共同作用，可实 现抓斗沿一接近水平线轨迹移动。 ( 1 ) 钢丝绳卷绕系统分析 由分析可知，在内卸式门座卸船机最小幅度时，侧移绳是拉紧的，在最大 幅度时，侧移绳是松弛的，即在最大幅度时侧移绳未起作用，只有支撑绳与起 升绳起作用。故以最小幅度时的绳长为各三套钢丝绳的总长，如图2 3 所示。 侧移绳总长：l 侧= m 侧三c ，+ l 傩 式中：m 删侧移绳倍率，在此变幅系统中为4 。 支撑绳总长：l 支= 研支xl , “v + k 式中：m 吉一支撑绳倍率，在此变幅系统中为2 。 起升绳总长：l 起= 扰起l + l 1 s + l _ ，l 膏l + k l 式中：m 韶起升绳倍率，在此变幅系统中为3 。 ( 2 ) 导向滑轮装置和抓斗位置分析 已知：变幅机构各点位置，固定绞点o ，a ，b 和c 的位置以及侧移绳总长删， 支撑绳总长k ，起升绳总长厶。； 求解：k ，y 石，h ，y 和y ，秒之间的关系。 分析图中各点位置可知，在侧移绳已拉紧时，导向滑轮位置k 可等效看做 武汉理工大学硕士学位论文 以固定绞点c 为圆心以k 长为半径的圆与以臂架动点h 为圆心以三联长为半径 的圆的交点坐标。 c 点坐标( 石c ，y c ) ，圆1 的半径尺= l 侧- m 侧( y c y ，) ；h 点坐标( h ，y 日) ， 圆2 的半径尺艘= 三支一所支 则有 x k 础”c o s t + x c ( 3 - 8 ) 【y j r2 r c xs m t + y c 将其代入另一圆2 的方程，得到 ( 尺c xc o s , u + 一x ) 2 + ( 尺c ks i n , u + y c y ) 2 = 尺靠 展开合并同类项得： 2 r c x ( x c x h ) c o s u + 2 r c x ( y c - y ) s i n p = r 苏一r & - ( x c h ) 2 - ( y c - y ) 2 现在令： f a = 2 r c x ( x c x l - t ) b = 2 尺c 胃( y c y 何) i c = j r 靠一r - ( x c 一h ) 2 - ( y c - y ) 2 那么方程便成为： a c o s g + b s i n g = c 用4 1 一c o s 2u 表示s i n g ，令 p = a 2 + b 2 ，q = _ 2 口c ，= c 2 一b 2 。贝0 u = 剐k ；c o s 一口士 由起升绳总长不变可得： 一l u 一 式中： x j l 。o + r l 2 稚一r 【y ，l2 y ，【y x l2j ，石 则可得抓斗位置： h2 k r ， 【y 2 y x l k i n 当侧移绳未拉紧时，此时k 。乃。时，取x 置。= 屯。 此时，导向滑轮装置位置： r 一 j 咏一 【y 最= 式中由支撑绳总长不变可得： 工昭2 三支一槐支 1 6 ( 3 9 ) ( 3 一l o ) ( 3 - 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 此时可得抓斗位置： y x n ：- x j i y j l l i n【y 2一。 式中：l 。= 氏一朋起瓜万i 而一毛 3 2 速度分析 3 2 1 速度关系的求解 ( 3 - 1 2 ) ( 1 ) 四杆机构 已知：摇架l 1 杆的角速度峨，各杆的角度位置。 求解：变幅驱动杆l 2 杆的角速度缈，臂架l 3 杆的角速度皱。 对式( 3 1 ) 的复数形式对时间求一次导数可得： l , c o , i e 班1 + 乞国2 i e 搬= l 3 w 3 i e 徊 ( 3 1 3 ) 为了消除缈，上式两边同时乘以e 叫口可得： l i o ) l i e m 一口+ 2 缈2 江l 3 c 0 3 i e 廿鲫 上式按欧拉公式展开： 厶国l ( c o s ( i l l - a ) + i s i n ( i l l 一口) ) + 三2 国2 i = l 3 ( 0 3 ( c o s ( 一口) + i s i n ( o - a ) ) 取实部相等可得： l 1 0 7 is i n ( f l l 一口) = 厶0 ) 3s i n ( o 一口) 所以，( 0 3 ：以l a s i n ( f l 1 - a ) l 3s i n ( 0 一 用同样的方法消除姨，可求出t 0 2 ： 0)：一国，2 l , s i n ( f l , - o ) 。l 2s i n ( a 一目) ( 2 ) 曲柄滑块机构 已知：摇架l 4 杆的角速度劬，各杆的角度位置。 求解：l 5 杆的角速度纸，滑块f 的速度v 尸。 对式( 3 5 ) 的复数形式对时间求一次导数可得： z 4 0 ) l 抬矿2 + l 5 a s i e 徊= 一v ，f 将上式展开后取实部得： 厶劬s i n 履+ l 5 缈5s i l l