胡 奇 罗世兵 王细平上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125
摘 要：参照船厂单臂架钢丝绳变幅门座起重机，设计开发了一种臂架可放倒至地面的齿条刚性变幅单臂架门座起重机。在无需加大变幅机构和起升机构功率，无需对变幅机构和起升机构作特别修改的前提下，设计一种专用起升钢丝绳冲顶装置，很好地利用起升钢丝绳的冲顶功能，通过起升钢丝绳拉起臂架，从而使起升机构代替变幅机构实现臂架放倒至地面，实现臂架头部滑轮的快速维修，提高港口码头的生产率，同时充分论证了该方案的可行性与可操作性。关键词：门座起重机；单臂架；齿条变幅；臂架放倒；冲顶装置中图分类号：TH213.4 文献标识码：A 文章编号：1001- 0785（2018）06-0104-04
1 背景及技术要点随着现代工业的发展，对港口装卸效率要求越来越高，多用途门座起重机越来越受到重视，其中齿条刚性变幅单臂架门座起重机在港口、码头得到了越来越多的应用。齿条刚性变幅单臂架门座起重机可以使用抓斗、吊钩、集装箱吊具等不同的作业方式，适用各种散货、件货与杂货的装卸工作。在工作范围内作业时，起升、变幅、回转等机构可以单独或联合动作，具有操作方便、动作灵活、作业效率高的特点。相比同样能力的四连杆组合臂架门座起重机，其具有质量轻、能耗少、成本低、对码头承载要求小等优点。
在实际生产中，齿条刚性变幅单臂架装卸门座起重机由于运行速度快、作业频繁，需要做大量的维保工作，以保证设备的正常运行，相比其他形式的装卸门座起重机，齿条刚性变幅单臂架门座起重机由于缠绕设计要求，其滑轮组和钢丝绳处于磨损状态，在工作一定时间后,滑轮组和钢丝绳必须进行维修检查或更换。另一方面，装卸码头对作业效率要求很高，要求尽量缩短起重机的维修维护时间，以便提高港口码头机械的利用率，保证港口码头的生产效率，和港口码头的货物吞吐能力。因此，如何在较短的时间里对门座起重机臂架头部滑轮组进行快速维修是一个需要研究解决的问题。
常规的单臂架齿条变幅门座起重机在检修臂架头部滑轮组时，通常会在臂架上布置相应的梯子平台走道，以便于维修人员携进行检修维护。如需借助其他大型起吊设备来更换滑轮，则维修要在高空中完成作业，存在安全隐患。
船厂单臂架钢丝绳变幅门座起重机一般采用臂架放倒至地面维修的方法，臂架头部的滑轮维修可以在近地面进行，大大地提高维修效率。借鉴船厂单臂架门座起重机臂架放倒的思路，本文设计开发了一种新型单臂架齿条刚性变幅门座起重机的方案，该新型门座起重机能将臂架头部放倒至地面，可在地面快速方便地维修和保养，可节省维修时间和维修成本，提高港口码头的生产效率。
新型单臂架刚性齿条变幅门座起重机采用桁架式臂架，齿轮齿条变幅，可采用吊钩、集装箱自动吊具、抓斗等多种吊具作业，其主要参数见表1。
2 新型门座起重机的特点及技术方案2.1 新型门座起重机的特点如图1 所示，该新型门座起重机主要由起升机构、变幅机构、旋转机构、行走机构、门架、转盘、人字架、臂架、平衡系统、机房、司机室及其他 部件组成。与常规单臂架齿条变幅门座起重机相比，其不同之处在于具有特殊的齿条刚性变幅装置、柔性牵引平衡配重系统、多功能起升卷扬装置、臂架头部冲顶缓冲结构及专用冲顶装置等。
2.2 技术难点及设计方案与常规单臂架齿条门座起重机相比，新型门座起重机增加了臂架放倒功能，需解决臂架放倒时变幅机构齿条的连接、平衡系统拉杆连接及俯仰变幅功率消耗等问题。为了解决以上问题，新型门座起重机针对性地确定出相应的设计方案。1）特殊的齿条刚性变幅装置如图2 所示，特殊的齿条刚性变幅装置分别由高速制动器、减速器、高速联轴器、电机、低速制动器、低速联轴器、齿条导向装置及齿条等组成。为了防止变幅过程中因意外导致变幅失控，从而在齿条导向装置上设置了一套低速制动器装置，当多功能起升卷扬装置俯仰臂架失效时，此装置起到保护臂架的作用，同时也起到保护整机倾覆稳定性的作用。
1. 平衡系统 2. 变幅机构 3. 人字架 4. 旋转机构 5. 机房 6. 起升机构 7. 转盘 8. 门架 9. 行走机构10. 臂架 11. 司机室图1 门座起重机各主要部件组成
1. 高速制动器 2. 减速器 3. 高速联轴器 4. 电机5. 低速制动器 6. 低速联轴器 7. 齿条导向装置图2 变幅机构主要组成
新型门座起重机的臂架由最小幅度到放倒状态，齿条长度分别为：最小幅度时L ＝ 998 mm，最大幅度时L ＝ 6 610 mm，放倒时L ＝ 11 342 mm，工作行程为6 610 － 998 ＝ 5 612 mm，非工作行程为11 342 － 998＝ 10 344 mm，新型门座起重机采用加长的特殊齿条，以满足臂架放倒时齿条与传动齿轮处于啮合状态，保证齿轮传动不脱离。从而很好地解决了臂架放倒时变幅机构齿条的连接问题。
2）柔性牵引式平衡配重系统平衡配重系统是门座起重机中对臂架质量进行平衡的系统，常规单臂架齿条门座起重机一般采用刚性拉杆平衡系统，其配重通过刚性小拉杆连接在臂架上，配重自重使小拉杆产生对臂架的拉力，从而减小了臂架自重对齿条产生的拉力。新型门座起重机由于臂架需放倒，常规的刚性拉杆长度无法满足要求，故新型门座起重机采用柔性索引式平衡配重系统（见图3），该系统由配重缓冲块、配重导向架、配重块、配重导向轮、配重锁定装置、及配重缠绕系统组成。该系统既可保证臂架放倒时配重有足够的行程，又可在拉起臂架时提供拉力。柔性牵引平衡配重系统采用钢丝绳悬挂配重形式，设有配重行程足够大的竖直配重导向架，在配重运行到导向架最顶部的地方设有配重锁定插销及其检测限位。柔性索引式平衡配重系统很好地解决了臂架放倒时平衡系统拉杆连接问题。
1. 配重锁定装置 2. 配重导向轮 3. 配重块 4. 配重缠绕系统 5. 配重导向架 6. 配重缓冲块图3 柔性牵引平衡配重系统
3）多功能起升卷扬装置新型门座起重机起重量大，起升速度从起重量100t 时的15 m/min 到起重量10 t 时的85m/min，起升速度调速范围大，采用常规起升机构无法适用此要求。为了解决此问题，新型门座起重机设计了多功能起升卷扬装置（见图4），增设变速箱，电机采用变频控制，在保证电机足够力矩的前提下，以适应大吨位慢速，小吨位快速的起升要求。
1. 减速器 2. 高速联轴器 3. 变速箱 4. 高速制动器 5. 电机 6. 卷筒装置 7. 低速制动器图4 多功能起升卷扬装置
多功能起升卷扬装置不仅能满足起升的功能，在臂架放倒时还能代替变幅机构，实现臂架的俯仰功能。当臂架放倒时，如采用变幅齿条拉起臂架，由于齿条与臂架间的夹角小，臂架铰点到齿条的力臂较短，齿条所需拉力达96.75 t，而门座起重机正常工作时齿条最大拉力为64.2 t，臂架放倒时齿条拉力为最大工作拉力的1.5倍，这时不仅齿条结构需加强，同时臂架结构也需加强，这样在增加整机质量的同时，也会加大变幅时的功率消耗。
新型门座起重机利用起升钢丝绳拉起臂架，臂架系统自重45.4 t， 放倒时重心距铰点水平距离为19.314 m， 起升钢丝绳对臂架铰点平衡力臂为8.859 m，缠绕钢丝绳根数为10，单根钢丝绳拉力＝45.4×19.314/8.859/10 ＝ 9.9 t，钢丝绳安全系数为48.6 倍，安全系数足够大，通过计算，起升电机功率和扭矩也均满足要求。因此，在不需要对起升装置进行更改设计的情况下，通过特殊冲顶装置可用起升装置代替变幅机构拉起臂架。
4）臂架头部冲顶缓冲结构及专用冲顶装置新型门座起重机为了便于拉起放倒状态下的臂架，在臂架头部设计有冲顶缓冲结构，另配有专用冲顶装置（见图5）。
1. 臂架头部冲顶缓冲结构 2. 起升钢丝绳 3. 导向装置4. 冲顶装置
图5 臂架头部冲顶缓冲结构及专用冲顶装置
臂架头部冲顶缓冲结构和专用冲顶装置配套使用，使起升钢丝绳可转化为臂架放倒时的俯仰钢丝绳，实现多功能起升卷扬装置对臂架的放倒及拉起功能。多功能起升卷扬装置、臂架头部冲顶缓冲装置及专用冲顶装置很好地解决了臂架放倒时俯仰变幅功率消耗问题。
3 实施方式3.1 臂架的放倒动作1）首先起重机将臂架变幅到工作时的最大幅度，起升电机工作，通过起升机构动作，降下吊钩至地面，旋下连接吊钩与起升钢丝绳之间的卸扣，换上专用的冲顶装置。
2）以中等起升速度运行起升机构，提升冲顶装置到距臂架头部缓冲撞块还有约1 m 距离时，再以低速运行起升机构将冲顶装置提升至顶，通过超负荷传感器检测起升钢丝绳力的大小，使起升钢丝绳单根绳受力在1 ～ 2 t 左右时停止起升动作。
3）打开变幅制动器，放松变幅齿条，使齿条不受力，臂架质量在被平衡配重平衡一部分后其余质量全部由起升钢丝绳承受。
4）然后继续运行起升机构，使臂架头部慢慢下降直至臂架放倒至地面，停止起升机构动作。
5）此时平衡配重应相应上升运行至配重导向架顶部，并触碰到相应的限位开关，使其动作，然后运行设于配重导向架顶部的电动推杆，使连接电动推杆的插销插入配重上相应的插孔，插销触碰到插孔另一侧的限位开关，触动限位开关动作后停止电动推杆的运行，最后闭合变幅制动器。
3.2 臂架的提升动作1）启动电动推杆，拔出配重插销，使电动推杆触动最小行程限位开关动作以给出信号。2）打开变幅制动器，以中等速度运行起升机构提升臂架至工作时的最大幅度。3）闭合变幅制动器，降下冲顶装置，换上吊钩或其它吊具，完成臂架的提升动作。
4 应用及意义与同类单臂架齿条变幅门座起重机相比，新型门座起重机在质量上并没有明显的增加，对整机轮压和稳定性方面并没有产生不利影响。在电机功率方面，由于很好地利用了起升机构来实现臂架放倒和提升工作，并没有加大整机的装机容量，故成本没有明显提高。新型门座起重机有效地缩短了起重机设备的维修时间，提高了维修方便性，从而提高了港口起重机的利用率和港口的装卸能力。在维修保养过程中，节省大量人力物力资源，对起重机械管理也带来了更高的效率和更合理的成本。
由于臂架头部可放倒至地面维修，降低了高空维修带来的安全隐患，节省了臂架上的梯子平台布置，减轻了臂架自重，从而降低了变幅电机功率，充分响应了国家对节能减排政策的倡导，使该起重设备更加符合国家最新修订的《特种设备安全监察条例》和《节约能源法》对特种设备的要求，在降低能耗方面也具有一定的积极意义。
参考文献[1] GB/T3811—2008 起重机设计规范[S].[2] 张质文，虞和谦，王金诺，等. 起重机设计手册[M]. 北京：中国铁道出版社，1998.[3] 陶德馨主编. 工程机械手册——港口机械[M]. 北京：清华大学出版社，2017.
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