起重机防摇装置专利技术发展浅析

娄朝辉 刘一慧

摘 要： 集装箱运输业成为世界范围内外贸交流的重要运输方式，集装箱起重机是集装箱船和码头前沿之间装卸集装箱的主要设备。各国的起重机行业对于集装箱防摇控制技术都进行了重点研究。本文介绍了几种常用的集装箱起重机防摇方式，并依据专利申请数据对国内外集装箱起重机防摇系统的发展过程与趋势进行简要分析。

关键词： 起重机；集装箱；防摇；专利数据

随着我国经济发展，对外贸易逐年递增，已经成为世界经济中的重要一员。集装箱运输业成为我国对外经济贸易交流的重要运输方式，岸边桥式集装箱起重机（简称岸桥）是集装箱船和码头前沿之间装卸集装箱的主要设备，其作用是在船和集装箱卡车间将集装箱进行装卸，岸桥的装卸能力和速度直接决定码头的作业生产率。

1.技术背景

在集装箱装卸作业过程中，起重机小车机构和吊具之间通过钢丝绳柔性连接，吊具由于惯性作用，其启动与停止均晚于小车机构的启动和停止，由此在小车机构运行的过程中和停止以后，造成了吊具的前后摆动，司机无法将集装箱准确的放到集装箱卡车上和船舱内。对于吊具的摇摆，通常的做法是起重机司机控制小车机构启停，人为地让小车等待滞后的吊具，等吊具跟上后小车再向前运行，减小吊具晃动。显然，人为控制需要司机有相当丰富的经验，经过长期生产实践，一个熟练的操作人员可利用跟钩动作（悬挂点变动的差异）来抵消摇晃，使负载停在落点时摇摆迅速停止。但要做到此点必须有非常熟练的技巧及丰富的经验，如过早实行，并不能抵消所有摆动，而实行太晚则反而会弄巧成拙，使得摇摆更厉害。因此即使是有经验的操作人员也常常需要多次调整落点才能最终消除摇摆。越来越高速运行的新型起卸设备将此操作变得更加困难。更重要的是，对于全自动化码头吊具摇摆是必须靠机器自身克服的。而且集装箱的晃动还会给安全生产带来隐患，同时也严重影响了结构体的寿命。

2.集装箱起重机防摇系统专利技术浅析

随着集装箱起重机和码头的自动化、智能化发展，工人对工作环境的改善的要求，对防摇的要求也越来越迫切，因此各国对于集装箱起重机防摇控制技术都进行了重点研究，并进行了大量的专利申请，以下基于专利申请数据，对集装箱防摇方式中常见的机械式防摇与电子式防摇的技术发展进行简要分析。

2.1机械式防摇

机械式防摇是指运用机械原理减摇和防摇，株式会社日立制作所在1986年申请的专利JP昭62-211293A提出在集装箱吊具的转动杠杆上设置阻尼器，以限制吊具杠杆的转动，进而减小集装箱的摇摆幅度；美国弗吉尼亚国际装卸公司在1994年申请的专利US5456560提出在吊具上设置相应的集装箱容置空间来限制集装箱起升过程的摆动；三菱重工在2000年申请的专利WO99/28230A1对传统的倒八字钢丝绳防摇系统进行进一步改进，通过对滑轮布置与钢丝绳缠绕方式的改进，不仅提高了防摇效果，也减轻了吊具的重量；上海振华港口机械（集团）股份有限公司在2004年申请的专利CN1548357A也对倒八字钢丝绳防摇系统的缠绕布置方式进行相应的改进，使得钢丝绳在小车和吊具与地面垂直的四个面上具有四个完全相同的倒三角形，吊具在大车和小车两个方向均处于稳定状态，增强吊装作业的防摇效果；西安交通大学在2004年申请的专利CN2714522Y改进了传统的伸缩式刚性导杆防摇装置，使吊具的升降运动更为稳定；三一重工在2008年申请的专利CN101323417A也提供了一种新的减少集装箱吊具摇摆的布绳方式；2016年，三一重工在其申请的专利CN105417371A中采用直线驱动器结合钢丝绳滑轮防摇系统来实现集装箱吊具的防摇。

通过上述机械式防摇装置的专利申请发展可知机械防摇方式主要是通过增加悬挂刚度或安装阻尼器的方法来实现的，其主要是针对集装箱吊具的机械结构进行相应的改进设置。机械式防摇成本相对较低、防摇效果较好，现在国内生产的防摇装置大都采用机械式防摇。然而，机械式防摇虽然可以减弱摇动的强度，但不能防止摇动的发生，在空载时减摇能力降低，并且，机械式防摇往往需要增设各种配套的机构或液压设备，增加了设备的重量和维护保养工作，降低了系统的可靠性。

2.2电子式防摇

进年来，越来越多的企业与科研院校致力于电子式防摇系统的研究，电子式防摇效果明显，相比于机械防摇方式，其智能化、自动化程度更高。国外对于电子防摇的研究起步较早，早在1973年公开号为JP3766573A的日本专利就公开了一种控制悬吊起重机钢丝绳摇摆的控制系统，通过系统测量滑车的运行速度反馈给系统，限制滑车的最大运行速度来减小吊绳的摇摆。在1997年公开号为US5642822A的专利中提出通过各种传感器和检测元件（如摄像机）将检测到的信息（如摆角、角速度等）传送至控制系统的微机，经微机内部控制软件处理后将最佳的控制参数（如PD控制参数）提供给小车调速系统来控制小车的运行，从而减少吊具及载荷的摆动幅度，这种电子防摇系统在一定时期得到了广泛的应用。2002年，公开号为EP1235735 A1的专利公开了一种降低货物摆动的控制系统，通过控制系统计算修正系数并将修正系数叠加到操作人員输入运动和工作台运动，以提供起重缆绳悬挂点的基准位置，迫使起重机跟踪所需要的运动以降低货物摆动。2004年，西门子公司提出一件公开号为DE10245889 A1的专利申请，公开了一种确定起重机上载荷摆动的方法和设备，通过在摄像机检测在载荷上设置的标记来精确计算载荷的摆动路径，实现摇摆的自动化计算控制。 2006年，公开号为US2006054581 A1的由KCI科恩起重机有限公司提出的专利申请公开了一种用于控制在起重机中的吊架和安装在该吊架上的负载的摇摆和回转的方法，通过向控制逻辑电路供给作为辅助传动机构转速数据的速度，转速数据通过传动比而形成为辅助传动机构的测量转速和辅助传动机构的计算转速之间的差值，进而控制在起重机中的吊架和负载的摇摆和回转。2015年，公开号为FR3016872 A1的由法国马尼托沃克公司提出的专利申请公开了一种控制悬挂于作为吊车类型的起重机的挂接点的负荷的位移的方法，可以实时获取原始驾驶设定值，并基于状态矢量的虚拟模型过滤设定值，据此有效控制吊具摇摆。

相比于机械防摇方式，电子式防摇附加设备少，防摇时间短，基本不增加额外重量，它能将减摇和小车的运行控制结合起来考虑，具有显著的优势。但电子防摇所需技术含量高，成本高，如何提供一种智能化、高效化、低成本的电子防摇系统是今后电子式防摇的主要发展方向。

3、结语

集装箱起重机防摇装置的设计是提高集装箱起重机装卸效率的重要途径之一，通过对机械式防摇和电子式防摇技术的专利发展过程及国内外专利研究状况的分析探讨，可以预见集装箱起重机防摇技术正逐步向着智能化、高效化、电子化的方向发展，电子式防摇成为集装箱起重机防摇的主要研究方向。

参考文献

[1] 李维越. 起重机常用防摇系统分析[J]. 起重运输机械. 2007（09）.

[2] 谭鹏. 桥式起重机智能防摆控制技术研究[D]. 南京航空航天大学 2016.

[3] 胡艳丽. 基于模糊PID的桥式起重机防摆控制研究[D]. 河南理工大学 2010.