胡 奇 羅世兵 王細平上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125
摘 要：參照船廠單臂架鋼絲繩變幅門座起重機，設計開發了一種臂架可放倒至地面的齒條剛性變幅單臂架門座起重機。在無需加大變幅機構和起升機構功率，無需對變幅機構和起升機構作特別修改的前提下，設計一種專用起升鋼絲繩衝頂裝置，很好地利用起升鋼絲繩的衝頂功能，通過起升鋼絲繩拉起臂架，從而使起升機構代替變幅機構實現臂架放倒至地面，實現臂架頭部滑輪的快速維修，提高港口碼頭的生產率，同時充分論證了該方案的可行性與可操作性。關鍵詞：門座起重機；單臂架；齒條變幅；臂架放倒；衝頂裝置中圖分類號：TH213.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001- 0785（2018）06-0104-04
1 背景及技術要點隨著現代工業的發展，對港口裝卸效率要求越來越高，多用途門座起重機越來越受到重視，其中齒條剛性變幅單臂架門座起重機在港口、碼頭得到了越來越多的應用。齒條剛性變幅單臂架門座起重機可以使用抓斗、吊鉤、貨櫃吊具等不同的作業方式，適用各種散貨、件貨與雜貨的裝卸工作。在工作範圍內作業時，起升、變幅、迴轉等機構可以單獨或聯合動作，具有操作方便、動作靈活、作業效率高的特點。相比同樣能力的四連杆組合臂架門座起重機，其具有質量輕、能耗少、成本低、對碼頭承載要求小等優點。
在實際生產中，齒條剛性變幅單臂架裝卸門座起重機由於運行速度快、作業頻繁，需要做大量的維保工作，以保證設備的正常運行，相比其他形式的裝卸門座起重機，齒條剛性變幅單臂架門座起重機由於纏繞設計要求，其滑輪組和鋼絲繩處於磨損狀態，在工作一定時間後,滑輪組和鋼絲繩必須進行維修檢查或更換。另一方面，裝卸碼頭對作業效率要求很高，要求儘量縮短起重機的維修維護時間，以便提高港口碼頭機械的利用率，保證港口碼頭的生產效率，和港口碼頭的貨物吞吐能力。因此，如何在較短的時間裡對門座起重機臂架頭部滑輪組進行快速維修是一個需要研究解決的問題。
常規的單臂架齒條變幅門座起重機在檢修臂架頭部滑輪組時，通常會在臂架上布置相應的梯子平臺走道，以便於維修人員攜進行檢修維護。如需藉助其他大型起吊設備來更換滑輪，則維修要在高空中完成作業，存在安全隱患。
船廠單臂架鋼絲繩變幅門座起重機一般採用臂架放倒至地面維修的方法，臂架頭部的滑輪維修可以在近地面進行，大大地提高維修效率。借鑑船廠單臂架門座起重機臂架放倒的思路，本文設計開發了一種新型單臂架齒條剛性變幅門座起重機的方案，該新型門座起重機能將臂架頭部放倒至地面，可在地面快速方便地維修和保養，可節省維修時間和維修成本，提高港口碼頭的生產效率。
新型單臂架剛性齒條變幅門座起重機採用桁架式臂架，齒輪齒條變幅，可採用吊鉤、貨櫃自動吊具、抓斗等多種吊具作業，其主要參數見表1。
2 新型門座起重機的特點及技術方案2.1 新型門座起重機的特點如圖1 所示，該新型門座起重機主要由起升機構、變幅機構、旋轉機構、行走機構、門架、轉盤、人字架、臂架、平衡系統、機房、司機室及其他 部件組成。與常規單臂架齒條變幅門座起重機相比，其不同之處在於具有特殊的齒條剛性變幅裝置、柔性牽引平衡配重系統、多功能起升卷揚裝置、臂架頭部衝頂緩衝結構及專用衝頂裝置等。
2.2 技術難點及設計方案與常規單臂架齒條門座起重機相比，新型門座起重機增加了臂架放倒功能，需解決臂架放倒時變幅機構齒條的連接、平衡系統拉杆連接及俯仰變幅功率消耗等問題。為了解決以上問題，新型門座起重機針對性地確定出相應的設計方案。1）特殊的齒條剛性變幅裝置如圖2 所示，特殊的齒條剛性變幅裝置分別由高速制動器、減速器、高速聯軸器、電機、低速制動器、低速聯軸器、齒條導向裝置及齒條等組成。為了防止變幅過程中因意外導致變幅失控，從而在齒條導向裝置上設置了一套低速制動器裝置，當多功能起升卷揚裝置俯仰臂架失效時，此裝置起到保護臂架的作用，同時也起到保護整機傾覆穩定性的作用。
1. 平衡系統 2. 變幅機構 3. 人字架 4. 旋轉機構 5. 機房 6. 起升機構 7. 轉盤 8. 門架 9. 行走機構10. 臂架 11. 司機室圖1 門座起重機各主要部件組成
1. 高速制動器 2. 減速器 3. 高速聯軸器 4. 電機5. 低速制動器 6. 低速聯軸器 7. 齒條導向裝置圖2 變幅機構主要組成
新型門座起重機的臂架由最小幅度到放倒狀態，齒條長度分別為：最小幅度時L ＝ 998 mm，最大幅度時L ＝ 6 610 mm，放倒時L ＝ 11 342 mm，工作行程為6 610 － 998 ＝ 5 612 mm，非工作行程為11 342 － 998＝ 10 344 mm，新型門座起重機採用加長的特殊齒條，以滿足臂架放倒時齒條與傳動齒輪處於嚙合狀態，保證齒輪傳動不脫離。從而很好地解決了臂架放倒時變幅機構齒條的連接問題。
2）柔性牽引式平衡配重系統平衡配重系統是門座起重機中對臂架質量進行平衡的系統，常規單臂架齒條門座起重機一般採用剛性拉杆平衡系統，其配重通過剛性小拉杆連接在臂架上，配重自重使小拉杆產生對臂架的拉力，從而減小了臂架自重對齒條產生的拉力。新型門座起重機由於臂架需放倒，常規的剛性拉杆長度無法滿足要求，故新型門座起重機採用柔性索引式平衡配重系統（見圖3），該系統由配重緩衝塊、配重導向架、配重塊、配重導向輪、配重鎖定裝置、及配重纏繞系統組成。該系統既可保證臂架放倒時配重有足夠的行程，又可在拉起臂架時提供拉力。柔性牽引平衡配重系統採用鋼絲繩懸掛配重形式，設有配重行程足夠大的豎直配重導向架，在配重運行到導向架最頂部的地方設有配重鎖定插銷及其檢測限位。柔性索引式平衡配重系統很好地解決了臂架放倒時平衡系統拉杆連接問題。
1. 配重鎖定裝置 2. 配重導向輪 3. 配重塊 4. 配重纏繞系統 5. 配重導向架 6. 配重緩衝塊圖3 柔性牽引平衡配重系統
3）多功能起升卷揚裝置新型門座起重機起重量大，起升速度從起重量100t 時的15 m/min 到起重量10 t 時的85m/min，起升速度調速範圍大，採用常規起升機構無法適用此要求。為了解決此問題，新型門座起重機設計了多功能起升卷揚裝置（見圖4），增設變速箱，電機採用變頻控制，在保證電機足夠力矩的前提下，以適應大噸位慢速，小噸位快速的起升要求。
1. 減速器 2. 高速聯軸器 3. 變速箱 4. 高速制動器 5. 電機 6. 捲筒裝置 7. 低速制動器圖4 多功能起升卷揚裝置
多功能起升卷揚裝置不僅能滿足起升的功能，在臂架放倒時還能代替變幅機構，實現臂架的俯仰功能。當臂架放倒時，如採用變幅齒條拉起臂架，由於齒條與臂架間的夾角小，臂架鉸點到齒條的力臂較短，齒條所需拉力達96.75 t，而門座起重機正常工作時齒條最大拉力為64.2 t，臂架放倒時齒條拉力為最大工作拉力的1.5倍，這時不僅齒條結構需加強，同時臂架結構也需加強，這樣在增加整機質量的同時，也會加大變幅時的功率消耗。
新型門座起重機利用起升鋼絲繩拉起臂架，臂架系統自重45.4 t， 放倒時重心距鉸點水平距離為19.314 m， 起升鋼絲繩對臂架鉸點平衡力臂為8.859 m，纏繞鋼絲繩根數為10，單根鋼絲繩拉力＝45.4×19.314/8.859/10 ＝ 9.9 t，鋼絲繩安全係數為48.6 倍，安全係數足夠大，通過計算，起升電機功率和扭矩也均滿足要求。因此，在不需要對起升裝置進行更改設計的情況下，通過特殊衝頂裝置可用起升裝置代替變幅機構拉起臂架。
4）臂架頭部衝頂緩衝結構及專用衝頂裝置新型門座起重機為了便於拉起放倒狀態下的臂架，在臂架頭部設計有衝頂緩衝結構，另配有專用衝頂裝置（見圖5）。
1. 臂架頭部衝頂緩衝結構 2. 起升鋼絲繩 3. 導向裝置4. 衝頂裝置
圖5 臂架頭部衝頂緩衝結構及專用衝頂裝置
臂架頭部衝頂緩衝結構和專用衝頂裝置配套使用，使起升鋼絲繩可轉化為臂架放倒時的俯仰鋼絲繩，實現多功能起升卷揚裝置對臂架的放倒及拉起功能。多功能起升卷揚裝置、臂架頭部衝頂緩衝裝置及專用衝頂裝置很好地解決了臂架放倒時俯仰變幅功率消耗問題。
3 實施方式3.1 臂架的放倒動作1）首先起重機將臂架變幅到工作時的最大幅度，起升電機工作，通過起升機構動作，降下吊鉤至地面，旋下連接吊鉤與起升鋼絲繩之間的卸扣，換上專用的衝頂裝置。
2）以中等起升速度運行起升機構，提升衝頂裝置到距臂架頭部緩衝撞塊還有約1 m 距離時，再以低速運行起升機構將衝頂裝置提升至頂，通過超負荷傳感器檢測起升鋼絲繩力的大小，使起升鋼絲繩單根繩受力在1 ～ 2 t 左右時停止起升動作。
3）打開變幅制動器，放鬆變幅齒條，使齒條不受力，臂架質量在被平衡配重平衡一部分後其餘質量全部由起升鋼絲繩承受。
4）然後繼續運行起升機構，使臂架頭部慢慢下降直至臂架放倒至地面，停止起升機構動作。
5）此時平衡配重應相應上升運行至配重導向架頂部，並觸碰到相應的限位開關，使其動作，然後運行設於配重導向架頂部的電動推桿，使連接電動推桿的插銷插入配重上相應的插孔，插銷觸碰到插孔另一側的限位開關，觸動限位開關動作後停止電動推桿的運行，最後閉合變幅制動器。
3.2 臂架的提升動作1）啟動電動推桿，拔出配重插銷，使電動推桿觸動最小行程限位開關動作以給出信號。2）打開變幅制動器，以中等速度運行起升機構提升臂架至工作時的最大幅度。3）閉合變幅制動器，降下衝頂裝置，換上吊鉤或其它吊具，完成臂架的提升動作。
4 應用及意義與同類單臂架齒條變幅門座起重機相比，新型門座起重機在質量上並沒有明顯的增加，對整機輪壓和穩定性方面並沒有產生不利影響。在電機功率方面，由於很好地利用了起升機構來實現臂架放倒和提升工作，並沒有加大整機的裝機容量，故成本沒有明顯提高。新型門座起重機有效地縮短了起重機設備的維修時間，提高了維修方便性，從而提高了港口起重機的利用率和港口的裝卸能力。在維修保養過程中，節省大量人力物力資源，對起重機械管理也帶來了更高的效率和更合理的成本。
由於臂架頭部可放倒至地面維修，降低了高空維修帶來的安全隱患，節省了臂架上的梯子平臺布置，減輕了臂架自重，從而降低了變幅電機功率，充分響應了國家對節能減排政策的倡導，使該起重設備更加符合國家最新修訂的《特種設備安全監察條例》和《節約能源法》對特種設備的要求，在降低能耗方面也具有一定的積極意義。
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