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船用起重機(jī)是在海上環(huán)境中執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)的一 種特殊起重機(jī),主要用于艦船間貨物的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、 海上補(bǔ)給、水下作業(yè)設(shè)備的投放與回收等重要任務(wù)。海上特殊的應(yīng)用環(huán)境給船用起重機(jī)的控制帶來了很大的挑戰(zhàn)性。一方面,類似陸上各種欠驅(qū)動(dòng)吊車設(shè)備,需要控制負(fù)載運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的擺動(dòng),保證其定位精度與運(yùn)輸效率;另一方面,由于這種起重機(jī)固定于船舶等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,平臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)負(fù) 載運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響,且很多情況下,負(fù)載起吊 與降落點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)情況與吊車本身的運(yùn)動(dòng)不一致。 具體而言,在工作過程中,吊車船與接收船會(huì)隨海浪縱搖、橫搖與升沉,這些運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致負(fù)載發(fā)生擺 動(dòng);特別是在升降過程中,船舶的此類運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致已吊起的負(fù)載再次與甲板相撞,或使已放下但尚未 脫離吊鉤的負(fù)載再次懸空,這些都會(huì)威脅作業(yè)的安全。尤其在進(jìn)行艦船間彈藥補(bǔ)給時(shí),這種耦合運(yùn)動(dòng)可能造成非常嚴(yán)重的后果。

近年來,船用起重機(jī)的 控制得到各國軍用、民用海洋工程的普遍關(guān)注,而研究此類非線性、強(qiáng)耦合的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在特殊擾動(dòng)下的控制亦有重要的理論價(jià)值與普遍意義。

船用起重機(jī)的控制主要分為降低船體運(yùn)動(dòng)影響的垂向控制與抑制負(fù)載擺動(dòng)的橫向防擺兩個(gè)方面。 對(duì)垂向控制而言,常用的方法是通過吊車船上的機(jī) 械結(jié)構(gòu)連接接收船,并感知其相對(duì)運(yùn)動(dòng),使吊繩長(zhǎng) 度變化與接收船升沉運(yùn)動(dòng)同步,從而對(duì)兩船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,在此基礎(chǔ)上完成負(fù)載的起降運(yùn)輸。 這種方法對(duì)起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有特殊要求,對(duì)起吊 質(zhì)量也有較大限制。Kuchler等學(xué)者對(duì)水下設(shè) 備升降過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模,他們考慮了吊繩彈 性與水動(dòng)力等因素,并基于反饋線性化方法分別設(shè)計(jì)了軌跡跟蹤與擾動(dòng)抑制控制器。Johansen等人 采用基于前饋的波浪同步技術(shù)來補(bǔ)償升沉運(yùn)動(dòng)的影響,最終對(duì)負(fù)載的入水過程實(shí)現(xiàn)精確控制。近年來,橫向防擺控制也得到了很多關(guān)注。為了加強(qiáng)對(duì) 吊繩和負(fù)載的擺動(dòng)控制,部分起重機(jī)上加裝了馬里 蘭索具機(jī)構(gòu)( Maryland Rigging System),即在吊繩中段加入繩索進(jìn)行牽引,以減小負(fù)載的擺動(dòng)。針對(duì) 這種帶有特殊機(jī)構(gòu)的船用起重機(jī),近年來連續(xù)提出 了多種建模與控制方法。但是,此類機(jī)構(gòu)對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)的工作空間限制較大,降低了原系統(tǒng)的靈 活性�；�于這個(gè)原因,很多研究在不改變起重機(jī)機(jī) 械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用各種傳感器獲得船體、起重 機(jī)、負(fù)載的運(yùn)動(dòng)信息,然后通過設(shè)計(jì)合理的旋臂運(yùn)動(dòng)控制器來抑制運(yùn)輸過程中負(fù)載的擺動(dòng)。其中, Parker等人采用指令整形技術(shù),對(duì)吊車旋臂的俯仰回轉(zhuǎn)進(jìn)行控制,并在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。McKenna等人對(duì)旋臂的俯仰與船身運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 建模,并通過將前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)與反饋控制策略相結(jié) 合來抑制單方向上的負(fù)載擺動(dòng)。Masoud 等人采 用時(shí)間滯后位置反饋控制方法,通過操縱旋臂的俯 仰與回轉(zhuǎn)來減小負(fù)載的兩維擺角。Sandia 國家 實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器信息融合的控制方 案,它通過控制吊車的運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償船體運(yùn)動(dòng),較好地抑制了負(fù)載的擺動(dòng)。這種方法在美國海軍 T­ACS系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到了較好的控制效果。隨后, Schaub 等人對(duì)這種控制方案做了進(jìn)一步改進(jìn)。

吊桿裝置

由吊桿、起重柱(或起重桅)、索具和絞車(或起貨機(jī))等組成(見圖吊桿裝置圖)。吊桿裝置是船上傳統(tǒng)的起貨設(shè)備,雖然繩索繁多,操作麻煩,但因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造容易,成本低廉,至今仍被廣泛采用。

單桿操作和雙桿操作

用吊桿裝置裝卸貨物,有單桿操作和雙桿操作兩種方式。單桿操作是用一根吊桿進(jìn)行貨物的裝卸,吊桿吊起貨物后,拉動(dòng)牽索使貨物隨吊桿一起擺向舷外或貨艙口,然后放下貨物,再把吊桿轉(zhuǎn)回至原位,如此往返作業(yè)。裝卸時(shí)每次都要用牽索擺動(dòng)吊桿,所以效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大。雙桿操作用兩根吊桿,一根置于貨艙口上空,另一根伸出舷外,兩吊桿用牽索固定在某一工作位置上。兩吊桿的起貨索則同連在一個(gè)吊鉤上。只要分別收、放兩起貨索,就可把貨物從船上卸至碼頭,或者把貨物從碼頭裝到船上。雙桿操作的裝卸效率比單桿操作高,勞動(dòng)強(qiáng)度也較輕。

雙千斤索吊桿裝置和埃貝爾吊桿裝置

改良型吊桿裝置是后來出現(xiàn)的。雙千斤索吊桿裝置是由單桿操作的吊桿裝置改進(jìn)而成的,裝置中只有起貨索和兩組左右分開的千斤索。吊桿由一臺(tái)起貨絞車和兩臺(tái)千斤索絞車操縱,操作方便,裝卸效率也高。埃貝爾吊桿裝置是由雙桿操作的吊桿裝置改進(jìn)而成的,裝置中有起貨絞車、千斤索和牽索絞車�？梢越柚�絞車很快地把吊桿放在任何位置。同時(shí)還可以在吊桿的工作半徑范圍內(nèi)定點(diǎn)起吊和落放貨物,以提高裝卸效率。這是向貨物裝卸全自動(dòng)化前進(jìn)的重要一步。

分類

吊桿裝置可分為輕型和重型兩類。起重量在10噸以下的為輕型吊桿裝置,超過10噸的為重型吊桿裝置。吊桿的起重量根據(jù)船舶的用途決定。一般干貨船的輕型吊桿單桿操作起重量為3~5噸,雙桿操作為1.5~3噸;萬噸級(jí)干貨船的單桿操作起重量可至10噸,雙桿操作可至5噸。現(xiàn)代多用途船要裝卸集裝箱,吊桿的起重量至少應(yīng)能吊得起20英尺的集裝箱(20噸)。重型吊桿是用來裝卸大型機(jī)械、機(jī)車車輛等重件大件貨物的,一般貨船上僅設(shè)置1~2根,起重量大多為10~60噸,也有60~150噸的,少數(shù)達(dá)300噸。一般干貨船每個(gè)貨艙都有兩根輕型吊桿;巨型干貨船每個(gè)貨艙往往設(shè)置四根輕型吊桿。

甲板起重機(jī)

設(shè)置在船舶上甲板上的機(jī)械。這種起重機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,使船舶有較多的甲板面積可利用,對(duì)橋樓上視線的影響較小。甲板起重機(jī)操作簡(jiǎn)便,裝卸效率高,機(jī)動(dòng)靈活,作業(yè)前沒有繁瑣的準(zhǔn)備工作,應(yīng)用日益廣泛。

甲板起重機(jī)常用的有固定旋轉(zhuǎn)起重機(jī)、移動(dòng)旋轉(zhuǎn)起重機(jī)和龍門起重機(jī)。傳動(dòng)方式有電力傳動(dòng)和電力-液壓傳動(dòng)兩種。

固定旋轉(zhuǎn)起重機(jī)

這種起重機(jī)應(yīng)用最廣,可以單獨(dú)或成對(duì)地在左右舷作業(yè)。起重量一般為3~5噸。在多用途船上,要求單吊能吊起20英尺集裝箱,雙吊能吊起40英尺集裝箱(30噸),其起重量可達(dá)25~30噸。

移動(dòng)旋轉(zhuǎn)起重機(jī)

在裝卸貨物要求起重機(jī)跨距較大,而又希望起重機(jī)吊臂不太長(zhǎng)的情況下,往往采用移動(dòng)旋轉(zhuǎn)起重機(jī)。移動(dòng)旋轉(zhuǎn)起重機(jī)有沿船舶橫向移動(dòng)和縱向移動(dòng)兩種。

龍門起重機(jī)

這種起重機(jī)為全集裝箱船(見集裝箱船)和載駁船所廣泛采用,通常為四足型或C型。有一根可伸出的吊臂、吊重橫檔和一個(gè)可移動(dòng)的橋架及駕駛室。橋架的水平主梁高出堆裝在甲板上的集裝箱,并有自動(dòng)定位裝置,裝船時(shí)可以把集裝箱準(zhǔn)確地落放在集裝箱分格中或堆放在甲板上。載駁船上的龍門起重機(jī)數(shù)量比集裝箱船上的多,起重量可達(dá)幾百噸。

其他裝卸機(jī)械

主要有升降機(jī)、提升機(jī)和輸送機(jī)。升降機(jī)是船上沿導(dǎo)軌垂直移動(dòng)的機(jī)械,供各層甲板間提升和下降貨物用。如滾裝船上多采用升降機(jī)連接各層甲板以運(yùn)送貨物。滾裝船上的升降機(jī)有剪式、鏈?zhǔn)降葦?shù)種,其長(zhǎng)度為9~18.5米,寬度為3~5米。有些載駁船上也安裝升降機(jī)裝卸貨駁,不過起重能力比滾裝船上的大得多。提升機(jī)是在垂直方向或較大的傾斜方向連續(xù)輸送貨物。輸送機(jī)是在水平方向或坡度不大的方向連續(xù)輸送貨物。這兩種機(jī)械多用在自卸船上或通過舷門進(jìn)行裝卸的船上。