摘 要

随着港口大型化的发展趋势，港口起重设备也趋于大型化，自重大的港口设备对港口的基建设施要求高，引起多方面的经济消耗。本文提出一种新型的电差动四卷筒驱动小车运行机构，在结构布置方面最大限度的减轻起重小车自重，该系统采用四组相同的电机、变频器、齿轮箱、制动器和卷筒，取代了传统四卷筒机械差动中复杂笨重且昂贵的行星减速器，利用现代电气控制达到精确调控的目的。

本论文分析了电差动四卷筒机构的工作原理以及受力组合和不同工况下的功率问题，比较了自行式小车、机械差动四卷筒牵引小车和电差动四卷筒牵引机构的优缺点。以抓斗卸船机为例详细的解释了抓斗各种运动方式的组合。应用矢量力学方法建立小车运行机构动力学模型，在MATLAB/simulink环境下，建立小车驱动系统的仿真模型；在仿真模型的基础上，研究吊重运行过程中的摆动问题。分析了吊重的摆动特点，提出消摆控制解决方案——起重机防摇系统LQR最优控制器设计，通过MATLAB仿真的方法验证方案的可行性。

关键词：桥式起重机；电差动；动力学模型；消摆控制

Abstract

With the development trend of large-scale port, port lifting equipment has also become large-scale, since the major port equipment on the port infrastructure requirements, causing a wide range of economic consumption. This dissertation presents a new type of electric differential four-drum drive car operating mechanism, in the structure of the structure to minimize the lifting weight of the car, the system uses four groups of the same motor, inverter, gear box, brake and reel, Replacing the traditional four-drum mechanical differential in the complex cumbersome and expensive planetary reducer, the use of modern electrical control to achieve the purpose of precise regulation.

This dissertation analyzes the working principle of the electric four-drum mechanism and the power problem under the combined force and the different working conditions, compared the advantages and disadvantages of the self-propelled car, mechanical differential four-drum traction car and electric differential four-drum traction mechanism. Take the vessel as an example to explain the combination of the various movements of the grab. The dynamic model of the running mechanism of the small car is established by using the vector mechanics method. In the MATLAB / simulink environment, the simulation model of the vehicle driving system is established; On the basis of the simulation model, the swing problem in the process of hoisting is studied. The characteristics of the swing are analyzed, and the solution of the pendulum control is put forward---- Crane anti-shake system LQR optimal controller design, the feasibility of the scheme is verified by MATLAB simulation.

Key words: bridge crane; electrical differential; dynamic model; swing control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题提出的依据及研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 论文的主要研究内容 3

第2章 电差动四卷筒牵引小车系统受力组合与功率 5

2.1 差动四卷筒小车运动静力平衡 5

2.2 差动四卷筒的同步运行 7

2.3 电差动四卷筒功率组合 8

2.4 小结 11

第3章 桥式起重机小车运行机构模型建立及分析 12

3.1 起重机防摇系统力学模型建立 12

3.1.1模型建立方法 12

3.1.2受力模型建立 13

3.1.3模型参数 14

3.2 起重机防摇系统力学模型的建立 14

3.2.1基于牛顿力学方程的动力学建模 15

3.2.2系统的传递函数与状态方程 15

3.3 小结 17

第4章 防摇系统性能分析和状态反馈控制器设计 18

4.1 系统性能分析 18

4.1.1 系统稳定性分析 18

4.1.2 系统能控性和可观测型分析 19

4.2 建立系统仿真模型 21

4.3 LQR最优控制器设计 23

4.3.1 LQR最优调节器原理 23

4.3.2 起重机防摇系统LQR控制器设计与仿真 24

4.4 小结 27

第5章 环境影响及经济性分析 28

5.1 环境影响分析 28

5.2 经济性分析 28

第6章 总结与展望 29

6.1 总结 29

6.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 课题提出的依据及研究意义

起重机^[1]是国民经济发展中不可或缺的物料搬运设备和工业安装设备。目前我国的起重机的设计制造水平日益接近世界先进水平。但由于历史原因，我国起重机设计还沿用前苏联的设计观念，使得起重机安全系数过高，自重都较大、能耗较高。起重机的自重过大还将引起起重机轮压增大，因而对厂房、港口、货场等建筑物的承载能力要求更高。引起多个方面的经济消耗。在设计时，不仅要保证起重能力以外，还要设法降低其自重^[2]。起重装备轻量化是当前起重机行业的发展趋势，也是实现港口码头节能环保的具体措施。轻量化设计是将其质量、性能和经济消耗等多个方面的总体优化。既能达到绿色环保，可持续发展，又能保证起重机功率、安全等性能要求的条件是未来我国起重机行业发展的趋势，也是我们所面临的巨大挑战。起重机是各大港口重要且使用最多的装备，对其提出轻量化设计有这重要的意义。

目前，绝大多数起重机都是由操作人员凭借工作经验手动操控，有些起重机的司机室还需要随小车的运行作相应的运动，起重机是频繁作业的设备，桥式起重机的小车和抓斗或吊具之间采用钢丝绳连接，在其作业过程中，由于各种外载荷如风载荷和其加减速，起升下降过程都会造成吊重偏摆问题，这严重影响了起重机的工作效率。虽然有经验的工作人员可以根据吊重所处的大致位置和速度凭借工作经验来操控小车运行的速度来调节吊重摆幅，但也不能精准快速的完成吊重消摆，而且有经验的操作人员培养周期较长，尤其是当起重机处于比较恶劣的环境中工作时，工作人员也会受到很大影响，降低起重机工作效率和工作安全性。特别是在集装箱码头，吊重防摇和快速对位对港口整体作业效率起到关键作用，据统计，在使用传统起重装备的集装箱码头，平均每台起重机完成一次装卸任务就有10-20% 的时间用浪费在摇摆定位上^[4,5]。因此对实现起重机快速定位，快速消摆和自动控制是迫切需要的。有利于减轻工作人员的工作强度和培养周期，消除工作人员之间的经验差别，有利于提高起重机装卸效率和港口作业的整体水平。吊重防摇控制是起重机现代控制的关键技术之一，对吊重防摇技术的研究有重要价值。

1.2国内外研究现状