船用起重機減搖裝置設計

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(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

船用起重機減搖裝置設計

韓廣冬，張桐，陳海泉，張金男，孫玉清，王生海

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

針對船用起重機的吊重搖擺抑制問題，設計一種船用起重機吊盤減搖裝置，利用2根恒張力減搖索和主吊索在吊盤處形成相對穩定的力的三角形，同時吊盤將減小吊繩及吊重的擺幅。建立吊重在有無吊盤下的運動學方程，在Matlab/Simulink軟件中對模型進行仿真分析，對比分析在船舶不同的橫、縱搖運動角度下有無減搖裝置時吊重的搖擺，結果表明，有吊盤的情況下，吊重的擺角可減小70%左右，通過搭建試驗平臺進行試驗，得到有吊盤時，吊重的擺角可減小60.7%左右，驗證了減搖裝置的有效性。

船用起重機；減搖裝置；運動學模型；Matlab/Simulink軟件

船用起重機在海上作業過程中由于受到風、浪、流等外部環境和自身操縱的影響，起重機吊重會產生擺動，從而影響船用起重機工作的高效性和安全性。因此，對船用起重機吊重系統進行動力學建模并進行吊重的擺動控制，這對船用起重機作業的安全高效具有非常重要的意義[1]。在起重機系統的動力學研究中，將船體對吊重的直接作用直接簡化為吊臂頭上吊繩吊點處的簡諧激勵，這種模型實際上是將吊重作為一個空間擺[2-4]，研究表明即使是吊點的平面運動，在一定條件下也會使吊重產生空間搖擺，甚至產生混沌運動[5-6]。還有將船舶運動和吊重的擺動進行耦合分析，建立多體動力學模型[7-9]。在起重機吊重的減搖控制方面，現有的減搖方法在理論上具有一定的效果[10-14]，但是機構和控制都非常復雜，并沒有實際實驗，存在很大的局限性。

為了解決現有船用起重機作業時吊重的擺動問題，同時克服現有減搖裝置存在的不足，提出一種吊盤式機械減搖裝置。

1 吊盤裝置的原理與結構

設置船用起重機吊盤式減搖裝置，通過吊盤阻礙吊物的單擺運動，等同于減小吊物單擺擺長，同時利用2根恒張力減搖索和主吊索在吊盤處形成相對穩定的力的三角形，從而減小擺動幅度。吊盤減搖裝置試驗臺結構見圖1。

圖1 吊盤減搖裝置模型結構

2 起重機吊重的動力學模型

實際上，起重機本身就存在剛體與彈性體相互耦合作用。另外，起重機的運動還受到船體與風、浪、流等載荷的相互耦合作用，具有很強的非線性特征?？紤]通過2減搖繩DE、DF和主吊索DB形成一個相對穩定的力的三角形(見圖2所示)，起到對吊重的減搖效果。

將船體視為一個激勵平臺，進行橫搖和縱搖。做如下假設：吊重視為質點，吊繩質量與吊重相比可忽略不計；吊繩無彈性形變；船用起重機的吊臂視為剛體，忽略彈性形變；船體在規則波上運動。

根據以上假設和吊盤裝置的原理，得到所研究起重機吊盤式減搖系統的模型，如圖2所示。

圖2 船用起重機吊盤式減搖系統模型

對圖2中各參考系坐標系的定義如下：(O0-X0Y0Z0)為大地慣性坐標系，(O1-X1Y1Z1)為定位在船體上的船體坐標系，初始(O1-X1Y1Z1)坐標系和大地慣性坐標系(O0-X0Y0Z0)重合，船舶6自由度坐標曲線受到波浪激勵運動，(O2-X2Y2Z2)為定位在底座上的坐標系原點O2為起重機基座與船體的交點，轉盤繞Z2軸回轉，其中p點位于底座坐標系(O2-X2Y2Z2)中并與O2點重合,γ為加入吊盤后主吊繩與Z軸所成的初始角度。

船用起重機吊臂吊點的運動主要由回轉盤的回轉、吊臂的變幅以及船體的運動來決定。通過坐標系轉換，將起重機底座上的坐標系在慣性坐標系(O0-X0Y0Z0)中進行表示。

令mPn為坐標系(On-XnYnZn)的原點On在坐標系(Om-XmYmZm)中的位置向量，則

0P1=[0 0 0]T

(1)

1P2=[x2sy2sz2s+h2]T

(2)

根據機器人學的相關理論可得到坐標系(On+1-Xn+1Yn+1Zn+1)相對于坐標系(On-XnYnZn)的旋轉矩陣為：

(3)

式中，θn+1x，θn+1y分別為坐標系(On+1-Xn+1Yn+1Zn+1)相對于坐標系(On-XnYnZn)在x，y軸方向旋轉的角度。

起重機在船體坐標系中的位置1P2為

1P2=[0 3.5 1.5]T

(4)

起重機坐標系(O2-X2Y2Z2)的原點O2在慣性坐標系(O0-X0Y0Z0)的位置為：

(5)

利用0P2的坐標來表示起重機B點、E點和F點的坐標。

根據笛卡爾矢量形式對吊盤和吊重進行受力分析。

1)對吊盤進行靜力學分析。

(6)

2)吊重運動學分析(有吊盤)。

(7)

3)吊重運動學分析(無吊盤)。

(8)

式中：F1為2根恒張力牽引繩上的力；F2為起重機主吊索上的力。

3 吊重系統運動學仿真分析

為了驗證起重機吊盤減搖裝置的可行性，根據上面建立的吊重系統運動學方程(6)～(8)，在吊重質量為50 kg，起重機底座高度位0.2 m，吊臂(lab)長度為1.5 m，變幅角度α為45°，lbd長度為1.5 m，ldh長度為0.3 m，lce=lif=0.5 m，β=30°的情況下，船舶搖擺角度分別為橫搖13°-縱搖6°、橫搖15°-縱搖8°，利用Simulink對有無吊盤時重物的運動進行仿真分析，見圖3。

圖3 吊重面內擺幅變化

由圖3可見，在船舶橫搖13°-縱搖6°的情況下，沒有減搖裝置時，吊重最大面內擺幅0.36 m；安裝減搖裝置后，吊重最大面內擺幅為0.05 m，減搖幅度為86.1%。在船舶橫搖15°-縱搖8°的情況下，沒有減搖裝置時，吊重的最大面內擺幅為0.37 m，安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面內擺幅為0.06 m，減搖幅度為83.8%。

圖4 吊重面外擺幅變化

從圖4可見，在船舶橫搖13°-縱搖6°的情況下，沒有減搖裝置時，面外最大擺幅0.126 m；安裝吊盤減搖裝置后，吊重最大面外擺幅0.05 m，減搖幅度為60.32%。在船舶橫搖15°-縱搖8°的情況下，沒有減搖裝置時，面外最大擺幅0.143 m；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面外擺幅為0.051 m，減搖幅度為64.34%。

4 試臺搭建及試驗

仿真結果表明，吊盤減搖裝置可行。為了驗證吊盤式減搖裝置的有效性，利用2自由度搖擺平臺和起重機縮比樣機搭建的試驗平臺進行試驗驗證，試驗臺如圖5所示。其中2自由度搖擺平臺可以實現船舶的橫搖和縱搖，同時搖擺角度可調，試驗縮比樣機按照某航標船起重機進行縮放得到。

圖5 試驗平臺

在與仿真條件相近的情況下，搖擺平臺的搖擺角度分別為橫搖11°-縱搖5°、橫搖13°-縱搖6°、橫搖15°-縱搖8°，試驗結果見圖6、7。

圖6 吊重面內擺幅試驗結果

圖7 吊重面外擺幅試驗結果

由圖6可見，在搖擺平臺橫搖13°-縱搖6°的情況下進行試驗，沒有減搖裝置時，吊重的最大面內擺幅為14.3°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面內擺幅為5.2°，減搖幅度為63.64%。在搖擺平臺橫搖15°-縱搖8°的情況下進行試驗，沒有減搖裝置時，吊重的最大面內擺幅為18.2°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面內擺幅為8.3°，減搖幅度為54.4%。

由圖7可見，在搖擺平臺橫搖13°-縱搖6°的情況下進行試驗，沒有減搖裝置時，面外最大擺幅為9.8°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面外擺幅為4.13°，減搖幅度為57.86%。在搖擺平臺橫搖15°-縱搖8°的情況下進行試驗，沒有減搖裝置時，面外最大擺幅為16.3°；安裝吊盤減搖裝置后，吊重的最大面外擺幅為8.2°，減搖幅度為49.7%。

5 結論

所設計的船用起重機吊盤式減搖裝置，在抑制吊重搖擺方面效果明顯，有利于提升起重機的作業能力和操作的安全性。但是在吊盤處形成的力的三角形是不穩定的，這樣對減搖裝置的效果有一定的影響，在模型設計方面還應進行優化和改進。

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Anti-swing Device Design of Ship-mounted Crane

HANGuang-dong,ZHANGTong,CHENHai-quan,ZHANGJin-nan,SUNYu-qing,WANGSheng-hai

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To suppress the swing of the payload, a kind of sling tray anti-swing device was designed, which can reduce the swing of payload by reducing the length of the lifting rope by using two constant force cables with the main cable to establish a relatively stable triangle by the sling tray. The kinematic equations of the payload were established under the condition of whether sling tray was provided, and the dynamic was carried out in Matlab/Simulink environment. The swing of the payload under different rolling and pitching angles was analyzed. The results showed that the swing reduced about 70% payload in the case of the hanging plate. It was well agreed with the experimental result, verifying the effectiveness of the anti-swing device.

ship-mounted crane; Anti-swing device; kinematics model; Matlab/Simulink software

U664.4

A

1671-7953(2017)06-0038-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.008

2017-01-19

2017-03-20

中央高?；究蒲袠I務費專項資助項目(3132014332,3132015025)；遼寧省自然科學基金資助項目(2015020132)

韓廣冬(1991—)，男，碩士生

研究方向：船用起重機減搖和波浪補償