赵庆辉 何文涛 何忠亮 洪建求

上海亿锤机械科技有限公司，上海浦东，201314

摘要：为解决正面吊吊具处于危险区域时，由于人为误操作或惯性导致吊具继续向危险区域运行而使得吊具碰撞车架体、臂架的问题，确保设备安全作业，提高设备使用寿命，对吊具空间动态特性进行理论分析研究。采用“空间交汇模型”、“闭环控制”及“动态补偿”技术，分析设备当前姿态下吊具可允许的最大旋转安全角度，通过吊具角度的实时反馈，达到动态限制吊具可旋转角度的目的。样机测试表明，该技术可以有效防止吊具与车架体、臂架相碰撞。

关键词：动态防撞; 交汇模型; 闭环控制; 港口设备

0  引言^*

集装箱正面吊（以下简称正面吊）是港口流动设备中集装箱的重要转运、装卸设备。该设备在港口、码头及物流中心广泛应用，需要进行超高堆垛，重载装卸，高速转运，作业环境恶劣，工况复杂。尤其在正面吊作业高度达18米，集装箱长度达12米，存在视野盲区，作业视野差，见图1；同时吊具旋转惯性大，吊具动作难以精确控制。时常发生集装箱与臂架碰撞、吊具与臂架碰撞、集装箱与车架体碰撞事故发生。导致臂架开裂、吊具开裂、车架体变形、轮胎爆炸等一系列问题，严重影响产品的安全性能和使用寿命。因此，精确控制吊具动作，防止以上碰撞事故的发生，已成为制约正面吊发展的技术瓶颈！本文以某系列正面吊为例，阐述正面吊主机吊具系统智能防碰撞技术。

图1 正面吊作业工况

1 整机结构模型分析
正面吊作业时，臂架长度9m至16m变化，臂架角度0°至60°变化；吊具侧移、集装箱的长度20ft至40ft，吊具旋转105°至-195°，存在大量立体空间干涉区域，导致建立空间交汇模型难度大。而完善的空间模型，有利于空间防撞区域的完整性。
1.1仿真分析
以正面吊的臂架角度及长度为主要考虑因素，通过Pro/E模拟正面吊在吊箱工作状态可能与整机干涉的部位，确定发生干涉各部位的仰角范围，然后依据不同的臂架仰角范围，从各个干涉部位分析正面吊在吊箱工作状态、不同的臂架伸缩量不发生干涉的吊具转角范围，并模拟验证。系统流程如图

图2. 系统分析流程图

通过仿真分析，基于臂架仰角范围得出各仰角区间内，随着臂架伸缩、吊具侧移，可能发生干涉的部位如下：
1)臂架仰角在[0°，24°]，不可能与臂架干涉，随臂架伸缩和吊具侧移，可能与车体、灯架、车体轮胎干涉。
2)臂架仰角在[24°，30°]，随臂架伸缩和吊具侧移，可能与臂架、灯架干涉。
3)臂架仰角在[30°，36°]，随臂架伸缩和吊具侧移可能支撑油缸、臂架干涉。
4)臂架仰角在[36°，60°]，无论臂架伸缩、吊具侧移，都与臂架干涉。
整机模型如下图3。

图3. 整机结构模型

其中，臂架缩回时臂架旋转点到臂头内侧面距离、臂架伸缩量、臂架仰角、吊具转角、吊具吊箱后长为、吊具侧移(有正负之分)、吊点与臂架下翼板距离为、吊点与碰撞点水平面的距离为、集装箱宽、吊具主筒外侧距、车体宽、两灯架外侧距为、两油缸外侧距为、臂架宽、臂架旋转点到车体前纵平面距离为、臂架旋转点到灯架前纵平面距离为、臂架旋转点到油缸碰撞平面距离为。
忽略易察觉的灯架、油缸，同时将轮胎归为车架体，简化系统模型，将保护范围扩大，可以看出主要有集装箱与车架体碰撞、吊具与车架体碰撞、集装箱与臂架碰撞、吊具与臂架碰撞四种工况。
1.2与车架体碰撞分析
通过模型分析及数学分析，如图4，可以得到

图4.臂架交汇模型1

1.2.1集装箱与车架体碰撞分析
可以由图5，分析得到，集装箱与车架体碰撞中吊具最大旋转角：

图5.集装箱与车架体碰撞模型

1.2.2吊具与车架体碰撞分析
同理可以由图6得到，吊具与车架体碰撞中吊具最大旋转角：

图6.吊具与集装箱碰撞模型

1.2.3防撞判别条件

通过分析可知，当满足公式（4），是可以得到属于吊具与车架体碰撞模型，否则属于集装箱与车架体碰撞模型。通过公式（4）判别碰撞模型，通过公示（2）或（3）确定吊具最大可旋转角度。
1.3与臂架碰撞分析
如图7，通过分析得到：

图7.臂架交汇模型2

1.3.1集装箱与臂架碰撞
分析如图8得到，集装箱与臂架碰撞中吊具最大旋转角：

图8.集装箱与臂架碰撞模型

1.3.2吊具与臂架碰撞
同理可以由图9得到，吊具与臂架碰撞中吊具最大旋转角：

图9.吊具与臂架碰撞模型

1.3.3防撞判别条件

通过分析可知，当满足公式（8），是可以得到属于集装箱与臂架碰撞模型，否则属于吊具与臂架碰撞模型。通过公式（8）判别碰撞模型，通过公示（6）或（7）确定吊具最大可旋转角度。
通过整体分析，如图10可以看出，随着臂架姿态的变化，吊具的可旋转角度的动态跟随。

图10.吊具安全旋转角度

以上分析是以20ft高箱、吊具居中的情况为例分析，因此当吊载40ft高箱以及空载时，可以通过更换模型参数就可以实现动态自适应。

2 控制系统设计
实时检测臂架的长度、角度，吊具的旋转角度，吊具侧移量等系统参数，自匹配系统变化，建立全面的防撞保护数据库系统。
通过模型分析，可以看出，吊具的最大安全旋转角度与臂架的长度、臂架的俯仰角度及吊具的伸缩量等相关，通过实时检测吊具的旋转角度，可以达到安全监控、限制吊具作业角度的目的。系统控制流程图如图11。

图11.系统控制流程图

因此准确的采集吊具的旋转姿态是控制系统的另一关键之一。
2.1吊具角度的采集方案
正面吊吊具作业时，振动冲击大，港口现场工况恶劣，同时由于吊具的特殊应用，其机械制造精密度要求低。合理的测量角度装置及方式是该系统的关键。吊具系统结构模型如图12。

图12.吊具系统结构图 

其中，1为上转台，与臂架连接一体，2为下转台，即吊具本体。
吊具系统采用马达驱动，通过减速机直接带动小齿轮旋转，小齿轮与大齿轮啮合，带动吊具旋转[5]。吊具系统约9T，负载重物为9—45T，吊具旋转惯性大。采用通过传感器测量脉冲此轮脉冲个数误差大，系统精度低。而采用精度较高的编码器，本身价格较高，同时也需要设计同轴心的驱动轴，对系统机械结构影响大。
系统通过在驱动马达轴心安装脉冲计数装置，提高了系统测量精度，通过下表可以看出，单个脉冲精度可以达到0.015°。
设备系统参数如下表1：

表1.设备参数表

为提高系统测量精度。可以采用中位复位，及二次校核的方式，可以进一步修订由于脉冲个数异常造成吊具旋转角度异常的问题。如图13。

图13.吊具角度测量系统

其中，1为传感器；2为复位感应装置；3为30°感应装置；4为45度感应装置。其中30°和45°感应装置对称分布。
3 实验测试
正面吊臂架长度达16米，俯仰角度达60°，吊载重量达45T，在作业过程中，臂架存在较大变形，吊具的侧移偏心，也会使吊具产生变形。臂架变形与吊具变形的存在，严重影响空间交汇模型及数据库系统的精确度。
通过分析可知：臂架变形补偿：

m: 臂架质量
g:重力加速度
：臂架变形角度
E：钢材弹性模量
I: 臂架截面惯性矩
L: 铰点至臂架头部距离
X：
吊具变形补偿：

从而可以得知：

通过试验验证，臂架角度由0—60°变化，臂架长度及吊具姿态任意变化时，可以实现良好的防撞效果。如图14，为现场测试工况：臂架低角度，臂长位于中位时的情况，可以看到吊具至运行最大安全角度自动停止，与轮胎（车架体）距离约为3°。

图14.机械外观

4 结论
建立了完善的动态空间交汇模型及系统数据库，经样机试验测试，该系统具有良好的使用性及可推广型，以下优点：
（1）可以有效避免吊具与臂架、车架体碰撞，提高臂架、吊具及整机的使用寿命，增强设备的可靠性；
（2）智能化警示系统，减轻作业疲劳，有效提高作业效率；
同时，可以将该技术应用与岸桥、场桥吊具等类似设备，对于提高设备有效使用率具有重大意义。