单臂架齿条变幅门座起重机与四连杆门座起重机的比较与应用

宋 典 梁朝宽

1 单臂架齿条变幅门座起重机的产生背景及技术要点

随着现代科技的发展，全球化、地球村等概念的提出，世界交流也日益频繁，各种货物的流动也越来越多，港口的货物装卸也越来越繁忙，各种卸货要求的不同对应卸货机械的选用也不同，常规四连杆门座起重机作为一种传统型港口装卸门座起重机以其通用性强、灵活性好、工作范围大、可配上吊钩、抓斗、集装箱吊具等来装卸各类件杂货及散货的特点在各港口依然有着很大的需求，但随着现代工业的飞速发展与进步，对港口装卸效率要求变得越来越高，为了降低能耗与成本，在保证安全使用的前提下，尽量减轻机械重量和降低机械耗电量成为一个迫切需要解决的问题。在这种要求下，一种新的机型在近一二十年被越来越多地应用在港口货物的装卸中来，这就是单臂齿条门座起重机。

单臂架齿条变幅门座起重机具有重量轻，能耗少，操作灵活，适应性强的特点，并且同样可配上吊钩、抓斗、集装箱吊具等装卸各类件杂货及散货进行作业，适用于各种散货、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。通过多年的实际应用，单臂架齿条变幅门座起重机在港口的作业中取得了良好的运行效果，由于该机型性能优越、造价合理、能同时适应海港及内河码头的装卸作业的系列产品，从而逐步取代常规四连杆门座起重机，成为港口装卸作业中一种常用的机型而被越来越多的用户所认可及采用。两种门座起重机各有优缺点，用户在选择上应根据具体情况具体分析。

2 单臂架齿条变幅门座起重机与常规四连杆门座起重机的相同与不同点比较

常见的单臂架齿条变幅门座起重机和四连杆门座起重机一般以吊重50 吨以下为主，单臂架齿条变幅门座起重机与常规四连杆门座起重机相比较有以下相同及不同点。

2.1 相同之处

两种门座起重机下部结构均采用由圆筒体和箱形横梁及端梁组成的门框结构，圆筒体上方连接的回转支承采用三排圆柱滚子轴承，轴承上部转盘承载上转柱、机器电气房、起升机构、旋转机构和司机室，臂架布置在转盘前部，变幅机构布置在上转柱中部平台上，上转柱顶部布置有起升滑轮组以及平衡梁系统。变幅均采用齿轮齿条形式，变幅机构布置在上转柱或者人字架中部的变幅平台上，齿条头部通过铰点连接在臂架中部。如图1 所示。

2.2 不同之处

2.2.1 臂架结构

四连杆门座起重机的臂架系统大多采用箱形板梁结构，由主臂架、象鼻梁、大拉杆通过铰轴连接，与上转柱、转盘等支承构件组成一个四连杆平面机构的组合臂架系统，通过变幅驱动装置实现不同幅度范围内的作业要求，钢丝绳在上转柱顶部沿大拉杆和象鼻梁通过滑轮连接吊钩抓斗或吊具。

图1 门座起重机各主要部件组成

单臂架齿条门座起重机没有象鼻梁和大拉杆，只有一根主臂架，多采用高强度管材制成的三角形截面或矩形截面的大杆桁架结构。钢丝绳通过上转柱顶部滑轮与臂架头滑轮之间来回缠绕数次并接入吊钩抓斗或吊具。

这两种臂架结构相比较：由于臂架系统较四连杆门座起重机结构简单，臂架系统重量较四连杆门座起重机臂架系统要轻便许多，配重重量相应减小，整机重量较四连杆门座起重机大大减小。但是单臂架门座起重机采用桁架式结构，导致抗臂架的疲劳能力没有箱型结构的四连杆门座起重机强，焊接及工艺难度较高，在质量控制方面要求更高。

2.2.2 补偿的方式

滑轮组补偿工作原理为：在变幅过程中，利用起升钢丝绳的总长度不变，在货物变幅过程中引起的升降现象依靠起升绳的绕绳系统及时收放一定长度的起升钢丝绳的方法来进行补偿，从而使货物在变幅过程中沿着接近水平线的轨迹移动。

图2（a）为补偿滑轮组使货物水平变幅的工作原理图：当臂架从位置Ⅰ摆动到位置Ⅱ时，臂架头部滑轮组落差为H，臂架端点至补偿滑轮组的距离分别为l1和l2，假设起升滑轮组倍率为a1补偿滑轮组倍率为ak，则通过三角函计算调整各个点位来实现。水平变幅因满足的条式。

图2

滑轮组补偿优点是设计构造简单，臂架的受力情况比较有利，臂架只承受轴向力。缺点是起升绳长度较大，易磨损，小幅度时由于货物距离臂架头部滑轮增大，会导致摆动幅度较大。另外，在起重量较大的情况时补偿滑轮组倍率相应增大，增加了缠绕次数，会降低钢丝绳的使用寿命。

四连杆组合臂架补偿法是依靠组合臂架象鼻梁端点在变幅过程中沿接近水平线的轨距运动的几何特征来实现的。

一般采用解析法得出合适的组合，原理如图2（b）所示，简介如下。

象鼻梁头部端点的轨迹方程：

对方程组进行整理后，得

再利用计算机辅助编程等方法逐个通过试验来确定合适的数值。

四连杆补偿方案的主要优点是：货物的悬挂长度减小，货物的摆动现象减轻，起升绳的磨损及长度减小，其缺点是臂架系统结构复杂并且自重较大。

2.2.3 变幅速度

我们知道，这两种形式的门座起重机在变幅过程中，货物的水平线速度并非是恒定不变的，通常我们讲的变幅速度是用（变幅行程/变幅时间）求得的平均变幅速度来度量的，但是在变幅过程中，货物的水平线速度如果变化过大、过急，对装卸和安装工作都非常不利，对比这两种形式的门座起重机。

（1）单臂架门座起重机

利用图3（a）所示的各变量之间的三角函数关系，可求出臂架头部在水平方线的变幅速度的计算关系式如下。

（2）四连杆门座起重机

采用图解法确定象鼻梁头部变幅速度（象鼻梁头部速度在水平方向的投影，见图3（b）），按下式计算。

图3

我们利用上述方法分别对一台单臂架及四连杆门座起重机的变幅速度进行计算。这两台机工幅度相同均为12m-35m变幅速度25m/min。选择几个幅度计算得出计算结果，如表1 所示。为了更直观比较，我们利用Excel 作出两台门座起重机变幅速度变化曲线对比图，如图4 所示。

表1 各幅度变幅速度

由图4 中单臂架与四连杆门座起重机变幅速度对比可知，在变幅行程相同的情况下，四连杆门座起重机的变幅速度变化在小幅度时要明显大于单臂架门座起重机，幅度越大变化越平缓。而单臂架门座起重机变幅速度的变化在整个变幅过程中都相对比较平缓。

图4 速度变化曲线对比图

3 单臂架门座起重机与四连杆门座起重机的优劣势与实际应用意义

通过上文对单臂架及四连杆门座起重机的比较与分析，我们可以得出以下结论：由于单臂架齿条变幅门座起重机采用单根臂架，通过钢丝绳缠绕系统滑轮组补偿的方式来达到变幅中吊钩走水平的要求，具有安装简单，自重轻，变幅速度变化较小等优点，但是小幅度时物品摆动幅度较大，臂架下部空间较小，另外由于采用滑轮组补偿方式，增加了缠绕次数，会降低钢丝绳的使用寿命。

而四连杆门座起重机采用组合四连杆结构来达到变幅中吊钩走水平的要求，具有制造简单，臂架下部空间较大，臂架抗疲劳能力较强，货物摆动现象减轻，起升滑轮组对补偿系统没有影响等优点。其缺点是臂架结构复杂，小幅度时变幅速度变化较大，自重大，不太适用于较大起重量的门座起重机。

对于生产率要求较高，各个机构需求的工作速度较大，起重量不大，码头装卸以散料居多的港口，那么可能会更适合使用四连杆门座起重机。

而对于各个机构速度要求不高而更注重运行平稳的集装箱装卸用门座起重机或者起重量较大的造船安装用门座起重机，使用单臂架门座起重机能更好满足使用需求。