[科普中国]-高架起重机

简介

起重机是在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称吊车。它主要用来吊运成件物品，配备适当吊具后也可吊运散状物料和液态物料。起重机通常按结构分为臂架型起重机和桥架型起重机。

高架起重机( Mobile harbor crane，以下简称MHC) 主要用于码头装卸区域的集装箱、散货、件杂货和大件装卸。该产品适应于多种作业工况， 集装箱( A7 ) 、抓斗( A8 ) 、件杂货( A6) 、大件( A3) 。主要运行机构包括: 起升、变幅、回转、行走、支腿伸缩与顶升等。

该类产品因效率高、适应性强、自重轻、能耗低，智能化程度高，在欧洲、东南亚、中东、非洲的各类港口得到广泛的运用，年市场容量200台左右，年产值约60 亿人民币，90% 份额主要由2 家国外起重机制造企业占有，国内还未有企业进入该领域，对此类设备开展设计及制造的技术研究具有重要的产业意义1。

主要结构特点相对于其他港口单臂架起重机，其主要的特点有:

1) 各轮独立液压驱动的轮胎式运行机构，实现多工况行走模式;

2) 液压缸变幅机构，降低设备自重、提升变幅速度及稳定性;

3) 转台位置下移，臂架铰点上移至立柱中段，使整机获得更好的稳定性，货物水平跳动，同时简化转台受力状态;

4) 司机室从转台移至立柱上，操作人员获得更好的视野;

5) 采用柴油发电机组及电缆卷盘的双动力系统，降低在装卸作业时的能耗。

主要机构行走机构采用8 套独立液压驱动、悬挂的模块化车轮组。每套主要由回转驱动器、悬臂、悬臂液压缸、连接臂、车桥、轮胎、液压元件组成，最大静载35 t，可实现± 135° 回转、垂直方向± 250 mm 缓冲、车桥左右± 6°偏摆等功能。独立的回转与行走控制可使MHC 获得的自回转、斜行、横行、前后轴转向及八字转向等多种灵活的场内运行模式，使起重机能在码头前沿较小的空间内发挥能力，是设备转场及灵活性的重要保证。

起升机构是典型的钢丝绳卷扬机构，主要由电机、联轴器、双联卷筒及双制动器等组成，适应多工况下起重量及速度的组合。优化的滑轮补偿设计将变幅范围内的货物水平轨迹高度差控制在630 mm。

为了获得快速稳定的速度，降低设备自重，变幅机构采用了液压缸变幅的技术方案。液压缸最大承载能力达到130 t，变幅机构的动力由设置在转台的液压泵站提供。

回转采用双行星减速器、内啮合齿轮传动。在正常作业时需将整机顶起，支腿采用典型的侧向伸缩式H 形布置，主要由伸缩梁、顶升液压缸、支撑垫板组成。

主要结构件底盘和转台为箱形结构，立柱为板梁结构，臂架为倒三角截面的桁架结构。为了满足港口繁忙的作业工况，整机结构在强度、刚度、疲劳等方面都进行了详细的分析计算。同时，为了降低整机自重及控制合理的成本，结构件中使用了HG70、HSM770 等高强度钢材。

1) 底盘在重载最大幅度工况下，考虑风载及外摆、侧摆，最大应力为339. 3 MPa，位于支腿上翼板接触处; 在带吊具行走时，考虑风载及侧摆，最大应力为287. 7 MPa，位于车桥腹板与翼板连接处。

2) 转台和立柱在重载最大幅度工况下，考虑风载及内摆、侧摆， 最大应力为314. 7 MPa，位于转台圆筒与下翼板连接肘板端部。

3) 臂架在重载最小幅度工况下，考虑内摆、侧摆，最大应力423 MPa，位于臂架下铰点主弦管与支座连接处。

动力系统为适应港口对降低能耗及排放的要求，采用双动力系统并对各机构的驱动方式进行优化。电缆卷盘布置在车架尾部，使用动力收放缆，可在100 m 范围内从接线箱快速插拔取点。柴油发电机组布置在转台左侧，安装在集成式的整体动力房内，机组采用Perkins 工业型、水冷式、四冲程、电子控制直喷式、涡轮增压柴油发动机，搭配Stanford 发电机，额定输出功率可达620 kW。若设备在码头前沿有接电箱的区域作业，可直接通过设备自带的电缆卷盘上电，驱动起升、回转、液压泵站电机，泵站为支腿顶升及变幅机构提供动力，此时柴油发动机组不开启2。

液压系统原理液压系统主要负责控制行走、变幅、支腿顶升与伸缩等执行机构动作。其中，行走采用闭式液压回路控制，其余采用负载敏感开式液压回路控制，最大限度地降低了整车使用能耗。动力是由1 台132 kW 交流电动机驱动3 台液压泵组成的动力源，大车行走和臂架变幅分别由单独的闭式液压泵和负载敏感液压泵供油，其余执行机构共用1 台负载敏感泵。

行走液压系统由闭式液压泵带动行走液压马达组成的液压闭式回路，通过速度传感器检测大车行走速度和压力传感器检测液压系统工作压力; 形成速度电气闭环和压力电气闭环控制，保证行走过程中合理的功率匹配，爬坡坡度为5%。

大车转向采用分模式控制( 包括原地转向、横行、斜行、八字转向等) ; 以第1 组车轮转向角度为参照，通过电比例控制技术和绝对值编码器实时地精确反馈形成的电比例闭环控制，以保证每组车轮的转向角度精确无误。悬挂分4 点控制和3 点控制，可通过电控进行切换。顶升和下降操作采用4 点控制，行走过程采用3 点控制，通过液压缸自动伸缩补偿地面不平度。

支腿液压系统顶升分为自动控制和手动控制: 自动控制通过电比例控制技术和电子水平仪信号反馈，保证自动升降过程中车身水平。手动控制通过车身侧的控制按钮，可以单独控制单个支腿升降。支腿伸缩通过行程开关实现位置控制。

变幅液压系统采用高频电液伺服来控制变幅液压缸的伸缩，利用电比例手柄输出信号控制电磁伺服阀，可实现高响应、高精度控制，手柄上设有点动和微动按钮，能实现精确控制。液压缸底部设有压力传感器，可实时监测负载变化，并有超压报警功能。

电气系统原理电气系统采用高性能西门子PLC 和三一控制器SYMC 组成分布式控制系统。起升、回转、变幅等机构均采用ABB 交流变频矢量控制技术; 行走、变幅等机构采用液压伺服控制技术。

MHC 配置有转台电气房，电气房内安装主要的电气控制和驱动部件，配置设备监控CMS 系统。上下转台分别配置司机室，均配备故障诊断系统。MHC 不但配置了前沿高端电气控制驱动硬件，而且具有8 项关键智能化自动化的控制技术。

1) 起升钢丝绳防摇技术。采集设备作业时钢丝绳摆动轨迹参数和负载变化曲线，利用智能控制算法实现运行过程中的限制起升钢丝绳摇摆幅度和运行停止后迅速将钢丝绳摇摆降低。

2) 垂直提升协助技术。使钢丝绳在提升时能保持垂直状态，防止货物在提升过程中与其他设备发生碰撞。

3) 吊具全回转自动跟随技术。保证集装箱与岸线平行，节省装卸集装箱时的调整时间和提高集装箱装卸效率。

4) 点到点记忆工作技术。自动循环执行重复性作业，工作效率大大提升。

5) 双机协同作业技术。一个操作手可以同时操作2 台设备，保证双机在调运超大物件时起升、变幅、回转动作平稳，速度协调一致。

6) 车架支撑自动平衡系统。保证设备工作时整机处于水平状态，避免由于码头地面不平造成起吊时车身倾斜而出现侧翻。

7) 动态防撞技术。臂架操作空间内全方位防止MHC 与其他物体相撞。

8) 设备故障诊断技术、设备GPS 监控与ECC远维技术。实现本地、远程设备的监控与维护。

总结64 t /40 m 移动式港口高架起重机的研发为此类产品的系列化开发积累了经验和基础数据，推动此类产品的国产化进程，并将会把相关先进的设计理念和控制技术引入到类似的门座起重机类产品中，将对产品性能的提升起到积极的促进作用。在后续的产品开发过程中，还有大量的工作待开展。重点需开发负载能力达120 t、200 t 的2种母型机，通过试验完善各项控制技术，优化起升速差以提升效率，降低设备自重等3。