黃進前 劉新波 侯永強 摘 要：新型十二繩承載雙向防搖技術是對傳統的貨櫃門式起重機提升纏繞系統的優化和改進。通過特殊的纏繞方式，利用三角形的斜拉鋼絲繩水平分力的穩定性，來達到防搖目的，同時為增強防搖效果引入慣性阻尼制動滑輪。該防搖技術對提高貨櫃門式起重機的裝卸效率和減輕操作者的疲勞強度有顯著的積極作用。
0 引言貨櫃門式起重機（以下簡稱場橋）是國民經濟建設中貨櫃搬運的主要設備，廣泛應用於港口碼頭裝卸、物流運輸等重大建設工程以及國防安全上。傳統的場橋的纏繞方式，在起重機大小車運行的兩個方向不能抑制貨櫃的搖擺問題，為提高場橋的裝卸效率，需要增加一套防搖系統，能夠迅速使貨櫃停止擺動提高貨櫃的裝卸效率。這種防搖擺系統包括機械式和電子式，機械式又分為有輔助裝置防搖系統和無輔助裝置防搖系統兩大類。電子式防搖擺系統雖結構簡單，但原理模型複雜，價格昂貴，且在使用過程中操作者容易不適。而有輔助裝置防搖擺系統，由於增加了輔助裝置，增加了成本，維護量大，使用範圍有所限制。無輔助裝置防搖系統一般均是採用起升繩斜拉實現，起升繩即是裝卸貨物的工作繩也是防搖系統的工作繩。這裡介紹一種應用在場橋上的一種新型十二繩承載具備雙向防搖功能的防搖擺系統。
1 場橋的工作循環及效率場橋主要應用於堆場，其效率由生產率來衡量，生產率是以每小時裝卸標箱數（TEU）來計算的。場橋的一個工作循環含半個循環的吊箱作業和半個循環的空吊具作業。其作業時如圖1 為場橋工作循環示意圖。
圖1 場橋工作循環示意圖
一個工作循環，從集卡貨櫃A 處起升貨櫃一定高度H 至B 點（一個安全高度），然後小車向堆箱處移動L 至C 點，再由C 點下降一定高度h 至堆場D 點，在D 處對正箱位後開鎖。此後空吊具按原路線返回至A點，在A 點處對正箱位，著箱並鎖銷，這樣就完成了一個完整的工作循環。由於D 的位置不同，循環距離不同，所需的單箱時間亦有不同。理論計算按照排滿或卸完一列貨櫃的平均時間來衡量循環時間，即平均循環作業時間。一般情況下平均循環作業時間不應大於90 s，包括循環作業中的貨櫃對位和鎖銷時間，如圖2 所示。
圖2 工作循環步驟表
實際生產率與理論生產率是有差別的，相關因素有：1）堆場的裝卸工藝和布置，影響作業效率；2）操作者的舒適性，熟練程度，使用技巧，影響作業效率；3）場橋的起升速度、小車運行速度、大車運行速度及各機構加速度等特徵參數，影響作業效率；4）吊具的先進程度、合理性，有無輔助功能，影響作業效率。如有無迴轉功能、平移動作，影響工作循環中的對箱操作時間，進而反映在實際生產率上。隨著場橋效率的要求越來越高，各種提高效率的措施也越來越多。如優化裝卸工藝，提高速度加速度，提高起重量採用雙箱吊具等，均能提高一定的裝卸效率。由於吊具和貨櫃均是通過柔性鋼絲繩系統與小車連接，故每當大小車運行停止後慣性吊具均會產生一定晃動，若晃動量較大則給對箱操作帶來很大不便，嚴重影響到作業效率。為了提高效率，各製造廠家都在努力地解決貨櫃的晃動問題，即防搖技術。
2 十二繩承載雙向防搖原理目前，國際上對場橋貨櫃吊具減搖效果的一般性要求是：吊具底部離地2 m，空載時的小車以額定速度運行，制動停車後5 s 內。吊具的擺幅控制在±100 mm以內（空載時）。吊重箱時擺幅較大，一般要8 ～ 10 s才能控制在±100 mm 以內。就當前來說，有些防搖裝置只在小車運行方向具有防搖效果，當場橋帶載貨櫃時運行大車方向進行剎車制動時，貨櫃的擺動也往往比較大，故大車方向的搖擺問題也影響貨櫃裝卸效率的提升。隨著裝卸效率的要求越來越高，具備雙向防搖的系統也越來越受到客戶的青睞。這裡將介紹一種十二繩承載具備雙向防搖的一種防搖系統，其裝置的原理如圖3所示，十二繩承載雙向防搖裝置的原理和纏繞系統示意圖見圖4。
圖3 十二繩承載雙向防搖裝置
圖4 纏繞系統示意圖
該防搖裝置包括起升機構的捲筒，纏繞於捲筒上的鋼絲繩，以及安裝在小車及吊具上架上的滑輪組成。鋼絲繩採用特殊纏繞方式，一端固定在捲筒的繩槽上，另一端繞過安裝在小車上的滑輪固定在吊具上架上。鋼絲繩的纏繞方式在小車與吊具之間的4 個平面內形成6 個等邊三角形，形成6 個等邊三角形的鋼絲繩有12 根。 本裝置是利用鋼絲繩斜拉及三角形的穩定性來實現在起重機小、大車2 個方向的防搖功能。 如圖5 所示，當小、大車勻速運行時，鋼絲繩纏繞系統組成的等邊三角形產生的水平分力相等，故貨櫃保持穩定不搖晃（即沒有水平位移）。
圖5 小、大車方向簡化模型及勻速運行時受力分析
如圖6 所示，當小、大車啟動或制動時，貨櫃質量P 在加或減速度的情況下，產生慣性力，使貨櫃向後或向前產生位移。此時，由於纏繞系統的三角形不在等邊，產生斜拉的水平分力F 1 和F 2 也不平衡，F 1 ＞F 2，在F 1 和P 的作用下系統就會自動恢復平衡狀態之趨勢，向原平衡位置移動。而F 2 的水平分力成為了阻止其移動位置的阻尼力，使其擺動位移變小，並快速衰減恢復平衡狀態，達到防搖目的。
圖6 小、大車方向簡化模型及起制動時受力分析
根據該十二繩承載防搖擺系統的原理，可將懸掛端的滑輪設計為阻尼滑輪，進一步加大抗搖擺阻力，使其在慣性力的作用下快速消耗掉動能，迅速衰減，使搖擺位移更小，消耗時間更短。這樣該系統就具備了極好的抗搖擺效果，在小、大車2 個方向起動或制動時，吊具擺動量會更小。
3 關鍵技術及創新點1）該新型十二繩承載雙向防搖貨櫃門式起重機，起升機構滑輪倍率採用3 倍率，共十二繩承載，在同種噸位的情況下，鋼絲繩受力明顯較小，壽命較長，使得整個起升機構輕巧，結構緊湊，配套件成本更低。2）在國內首次應用該新型十二繩承載雙向防搖系統，而後推廣至國外貨櫃門式起重機上，得到用戶認可。3）防搖效果較好，能夠明顯提高貨櫃的裝卸效率，擺動量控制在±50 mm 以內，同時也縮短了對箱操作時間約為15 s。4）從小、大車方向簡化的防搖模型可知，其實質不是利用鋼絲繩固定剛體，來約束自由度防搖的，而是利用鋼絲繩斜拉水平分力來進行防搖的，實質就是阻力防搖。該防搖的特點是阻力越大防搖效果越好。因此，設計開發了一種慣性阻尼制動滑輪應用在該系統中，使防搖效果更好。擺動量可控制在±35 mm 以內，對箱時間約為12 s。由於小、大車方向防搖模型的約束特點，在起動或制動時，負載會因慣性有圍繞滑輪軸轉動的趨勢，見圖7 所示。為進一步消減該影響，特引入了慣性阻尼制動滑輪。其具有優異的特點，該滑輪不需要額外的動力進行阻尼工作，其是通過負載的慣性來工作的，慣性越大阻尼越大，使滑輪轉動迅速衰減，達到防搖目的。圖7為滑輪結構，在機構起升或下降過程中，滑輪轉動，帶動楔形頂打開阻尼制動環，解除制動，滑輪正常工作。待停車後楔形頂在壓縮彈簧的作用下推動阻尼制動環，回復原始制動狀態，使滑輪體與滑輪軸轉動自由度受限，進而抑制了負載慣性繞滑輪軸轉動的趨勢，提高了系統抗搖擺性和貨櫃的裝卸效率。
圖7 圍繞滑輪軸轉動的示意圖
圖8 慣性阻尼制動滑輪結構示意圖
4 實測結果經測量防搖技術貨櫃門式起重機的結果顯示：當小車速度60 m/min，大車速度50 m/min 時，雙向搖擺量≤ ±50 mm，帶有慣性阻尼制動滑輪時，雙向搖擺量≤ ±35 mm。這些數據來源於總起升高度15.5 m，吊具底部離地面2 m 時的測量數據。它遠小於目前國際上對場橋貨櫃吊具減搖效果的一般性要求是：吊具底部離地2 m，載荷為空載時，小車以額定速度運行，制動停車後5 s 內。吊具的擺幅控制在±100 mm 以內（空載時）。吊重箱時擺幅較大，一般要8 ～ 10s，才能控制在±100 mm 以內。
5 前景意義該十二繩承載雙向防搖技術擁有自己的特點和優勢，可應用於自動化等場合中，防搖效果好，效率高，應用範圍廣。目前國內外均有應用，深受用戶好評。 滑輪架設計有2 個水平微移推動裝置，可實現吊具水平迴轉±5°的功能，同時滑輪架剛性良好，不會彎曲變形擺動。有利於對箱作業，可提高作業效率，減輕疲勞強度。 由於該十二繩承載雙向防搖技術能夠大大抑制大小車方向的擺動量，提高了貨櫃裝卸的效率，平穩性，安全性，避免了因貨櫃的擺動量過大而發生碰撞危險等安全事故，使擁有該技術的場橋更加安全可靠。