船用起重机的起吊限位装置及其设置方法与流程

本发明涉及起重装备领域，具体来说涉及一种船用起重机限位装置及其设置方法。

背景技术：

船用起重机作为重要的船舶配套设备，是船上的一种大甲板机械，用于船舶货物的装卸，广泛运用于船舶运输业。船用起重机的主要作业动作包括吊钩的起吊、吊臂的变幅以及塔身的回转，由于各个船舶的实际使用情况的不同，船用起重机在不同船上作业时船用起重机的主要机构所需的限位情况也有所区别。

目前船用起重机在实际使用过程中，主要依靠操作人员人工观察货物位置，使其在吊装过程中不与船上其他装置以及船用起重机自身结构发生干涉碰撞，该方法的效率较低，且大型货物在起吊时往往会遮住操作人员的视线，需要多人配合才能完成起吊作业，极大的增加了成本。专利cn203794520u提出了一种通过蜗轮蜗杆机构控制吊臂起升幅度，并设置固定触点限制吊臂起升上限位置的装置，其可以防止吊臂因过度变幅与塔身干涉，但是对于船用起重机的吊钩与吊臂，货物与船舶之间的碰撞难以解决。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够有效防止船用起重机作业过程中发生碰撞的船用起重机的起吊限位装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：船用起重机的起吊限位装置，包括水平设置在塔身上机械室内的提升丝杠设置及变幅丝杠，提升丝杠设置在变幅丝杠下方，提升卷筒输出轴通过提升传动机构驱动提升丝杠转动，变幅卷筒输出轴通过变幅传动机构驱动变幅丝杠转动；

机械室内在变幅丝杠上方设有变幅刻度轴，变幅刻度轴上自左向右布置有位置可调的变幅停止限位开关、变幅下限开关和变幅上限开关；

在变幅丝杠上活动套设有变幅限位滑块，变幅限位滑块跟随船用起重机的变幅作业在变幅丝杠上来回移动，且在移动过程中变幅限位滑块的顶部可与变幅停止限位开关、变幅下限开关以及变幅下限开关底部的触点接触；提升丝杠上活动套设有提升限位滑块，在提升滑块的顶部安装有碰撞限位开关，碰撞限位开关可与变幅滑块的底部接触；机械室内在提升丝杠的下方位置设有提升刻度轴，提升刻度轴上自左向右依次设置有提升下限开关和提升上限开关。

作为一种优选的方案，所述提升传动机构包括套设在提升卷筒输出轴上的提升驱动链轮，提升驱动链轮通过提升链条与套设在提升丝杠上的提升从动链轮相连接。

作为一种优选的方案，所述变幅传动机构包括套设在变幅卷筒输出轴上的变幅驱动链轮，变幅驱动链轮通过变幅链条与套设在变幅丝杠上的变幅从动链轮相连接。

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种能够有效防止船用起重机作业过程中发生碰撞的上述船用起重机的起吊限位装置的设置方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：船用起重机的起吊限位装置的设置方法，包括变幅极限开关位置定义方法以及提升极限开关位置定义方法；

其中，变幅极限开关位置定义方法，包括以下步骤：

步骤1，变幅停止限位开关位置定义，具体如下：

吊臂处于水平位置时即吊臂与水平面的夹角β为零时，设定为吊臂的停止位置；将限位开关盒中的变幅停止限位开关放置在变幅刻度轴的起始刻度处，并以其此时所在位置为原点，建立坐标系，令变幅停止限位开关的坐标为(0,0)；

步骤2，吊臂变幅上限与下限开关位置定义

步骤2-1，最大工作半径定义：根据实际情况设定货物的最大起吊半径rmax和最大起吊半径rmin；

步骤2-2，变幅极限角计算：此时船用起重机的吊臂下限与水平方向的夹角为：吊臂上限与水平方向的夹角为：式中ld为吊臂的固有长度；

步骤2-3，变幅钢丝绳变化长度分析：处于变幅变动状态的钢丝绳的长度为：式中：

nb为变幅定滑轮对数；ld为吊臂的固有长度；lf为吊臂在塔身上的转轴中心到塔身定滑轮组中心的间距；α为lf与水平位置的夹角；j＝{1,2,3}，j＝1表示变幅停止极限，此时β＝0°；j＝2表示变幅下限；j＝3表示变幅上限；

变幅时变动的钢丝的最大长度为式中，a＝{1,2,3}；z＝{1,2,3}；

步骤2-4，变幅极限位置钢丝绳伸缩量：以变幅停止极限位置为基准，则变幅的下限与上限位置，变幅机构需收缩的钢丝绳长度分别为：

步骤2-5，变幅螺距计算：计变幅机构驱动链轮与从动链轮的减速比为ib，变幅丝杠的螺距为pb，螺纹线数为mb，db为变幅卷筒直径；则变幅下限开关距变幅停止极限开关的距离为：变幅上限开关距变幅停止极限开关的距离为：即变幅下限开关的坐标为(0，xb1)，变幅上限开关的坐标为(0，xb2)；

其中，提升极限开关位置定义方法，包括以下步骤：

步骤1，提升极限开关y轴定义：

提升极限开关的y轴坐标是由极限开关尺寸、滑块尺寸以及丝杠尺寸共同决定的，相关组件选好型号后，提升极限开关的y轴坐标为一个固定值，记为yt；

步骤2，提升下限开关位置计算：

吊臂处于变幅停止限位处即当船用起重机不工作提升机构将吊钩下放至船舶甲板上进行固定时，将此时吊臂与舱底的高度差记为hf；而船用起重机提升的下极限即提升时确保船用起重机在回转作业时货物不会与船体之间发生碰撞的最小高度记为hmin；

步骤2-1，最小提升高度判定：依据实际使用情况确定hmin后，判断其与吊臂变幅下极限的关系；若则转至步骤2-2；若则转至步骤2-3；

步骤2-2，提升下限坐标计算1：此时由于提升下限小于变幅下限，提升机构相较于变幅下极限位置还需提升的高度，提升下限开关与变幅下限开关的横坐标差值为：

式中，ld为吊臂的固有长度；it为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，dt为提升卷筒直径；pt为提升丝杠的螺距，mt为螺纹线数；即可得出此时提升下限开关的横坐标xt1＝xb1-δxt1，提升下限的坐标为：(xt1，yt)；

步骤2-3，提升下限坐标计算2：此时由于提升下限大于变幅下限，且吊钩与吊臂之间设置有防碰撞限位开关两者相互不能碰撞，因此提升下限开关坐标的位置为吊臂变幅后所在位置。

变幅后吊臂与水平面的夹角：

将所得βt角带入前述分析，可得提升下限的横坐标为：

式中，nb为变幅定滑轮对数；db为变幅卷筒直径；ld为吊臂的固有长度；lf为吊臂在塔身上的转轴中心到塔身定滑轮组中心的间距；α为lf与水平位置的夹角；it为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，pt为提升丝杠的螺距，mt为螺纹线数；

此时提升机构的下限开关坐标为：(xt1，yt)；

步骤3，提升上限开关位置计算

步骤3-1，钢丝绳提升总收缩量计算：提升钢丝绳在船用起重机的整个提升过程中，需要缠绕在提升卷筒上的钢丝绳长度包含三部分，一是提升卷筒预留长度，二是塔身提升定滑轮组与吊臂提升定滑轮组之间随吊臂变幅的长度，三是吊钩从舱底至变幅上限的长度，其中：

(a)变幅卷筒预留钢丝绳长度为：sty＝πdtnt，式中nt为保证使用安全卷筒上的钢丝绳需预留圈数，dt为提升卷筒的直径；

(b)定滑轮间钢丝绳变化长度为：在塔顶提升定滑轮组和吊臂提升定滑轮组之间一直处于变动状态的钢丝绳的长度为式中，nt为提升定滑轮对数；ld为吊臂的固有长度；lf为吊臂在塔身上的转轴中心到塔身定滑轮组中心的间距；α为lf与水平位置的夹角；j＝{1,2,3}，j＝1表示变幅停止极限，此时β＝0°；j＝2表示变幅下限；j＝3表示变幅上限；

变幅时变动的提升钢丝的最大长度为

(c)吊钩钢丝绳变化长度为：吊钩钢丝绳变化的最大值为从舱底至吊臂变幅上限时定滑轮的间距，stg＝(ld+rmin)^1/2(ld-rmin)^1/2+hf-hd，式中hd为吊钩自身的高度；

得提升卷筒上缠绕的钢丝绳总长度为st＝sty+δstc+stg；

步骤3-2，提升上限开关坐标计算：提升机构未能缠绕的钢丝绳最短长度为hr＝stg-sg；sg为船用起重机提升卷筒的容绳量上限；提升机构的提升上限相较于下限增加了：

δh＝(ld+rmin)^1/2(ld-rmin)^1/2-(hmin-hf-hd)-hr＝2hd+sg-hmin；

提升上限横坐标相较于下限横坐标增加了此时提升上限横坐标xt2＝xt1+δxt2，提升上限坐标为(xt2，yt)。

本发明的有益效果是：

1、本装置采用限位开关的方式，定义船用起重机作业过程中的各个极限位置，充分考虑船用起重机的起吊、变幅与回转作业情况，使其在协同作业过程中相互之间不会发生碰撞现象。

2、本装置采用坐标定量定义各个限位开关的位置，使其可根据各类船舶的实际使用情况，快速得出各个极限位置的坐标，同时限位开关套装在刻度轴上，其位置的更改十分简单，使得配备本装置的船用起重机可以快速应用在不同船舶上。

3、本装置采用浮动限位装置，确保不论船用起重机的吊臂如何变幅，其吊钩在提升过程中均不会与吊臂发生碰撞，使得配备本装置的船用起重机的吊装作业更加安全。

附图说明

图1是本发明的船用起重机作业极限位置示意图。

图2是本发明的克令吊提升与变幅驱动机构组成图。

图3是本发明的克令吊限位开关装置组成图。

图1-图3中：1-塔身，2-塔顶提升定滑轮，3-塔顶变幅定滑轮，4-提升钢丝绳，5-变幅钢丝绳，6-吊臂提升定滑轮，7-吊臂变幅定滑轮，8-吊钩，9-吊臂，10-变幅电机，11-变幅卷筒，12-变幅驱动链轮，13-变幅从动链轮，14变幅丝杠，15-提升电机，16-提升卷筒，17-提升驱动链轮，18-提升从动链轮，19-提升丝杠，20-变幅停止限位开关，21-变幅下限开关，22-变幅上限开关，23-提升下限开关，24-提升上限开关，25-碰撞限位开关，26-变幅滑块，27-提升滑块，28-变幅刻度轴，29-提升刻度轴；

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

如图1-3所示，本发明的船用起重机的塔身1的底部通过销轴连接有吊臂9，在吊臂9上分别设有吊臂提升定滑轮组6与吊臂变幅定滑轮组7，均安设在吊臂的最前端，所述滑轮组与位于塔身1顶部的塔顶提升定滑轮组2以及塔顶变幅定滑轮组3共同组成了船用起重机的传动机构；变幅钢丝绳5拉住吊臂9，使其可根据变幅卷筒11收放钢丝绳5沿塔身1上的固定销轴转动；吊钩8通过提升钢丝绳4悬挂在吊臂9的前端部位置。在塔身1的内部设置有提升机构和变幅机构，提升机构驱动装置主要包括提升电机15，电机输出轴与提升卷筒16连接，所述卷筒另一端固定有提升驱动链轮17，其通过链条带动提升从动链轮18，而提升丝杠19则直接与从动链轮18连接，使得提升丝杠18可随船用起重机提升机构的提升、下降同步运转。

变幅机构包括连接在一起的变幅电机10和减速机，减速机的出力轴与变幅卷筒11相连接，变幅卷筒11上绕设有变幅钢丝绳5，变幅卷筒11的输出端设有变幅卷筒输出轴，变幅卷筒输出轴上套设有变幅驱动链轮12，变幅驱动链轮12通过变幅链条与套设在变幅丝杠14上的变幅从动链轮13相连接。

本发明控制船用起重机作业的限位开关装置安设在塔身1内，在限位开关装置的最上方空间，自左向右布置有变幅停止限位开关20、变幅下限开关21和变幅上限开关22，其均套装在变幅刻度轴28上，可根据需求调节各个限位开关的位置；以变幅停止限位开关20所在位置中心为原点建立坐标系，沿y轴正方向上安设有变幅丝杠14，在变幅丝杠14上安设有变幅限位滑块26，其可跟随船用起重机的变幅作业在变幅丝杠14上沿x轴方向来回移动，且变幅限位滑块26的顶部恰好可以与变幅停止限位开关20、变幅下限开关21以及变幅下限开关22底部的触点接触。在所述变幅丝杠14的平行下方位置，即y轴正方向上，设置有提升丝杠19。提升丝杠19上安设有提升限位滑块27，在提升滑块27的顶部安装有碰撞限位开关25，其可与变幅滑块26的底部接触；在提升丝杠19的下方位置，沿x轴正方向依次设置有提升下限开关23和提升上限开关24，所述限位开关均安设在提升刻度轴29上。

由于船用起重机在不同船舶或应用场景下，其变幅与提升的上、下限位是变化的，应此需要根据实际应用情况对船用起重机中限位开关装置内的各个限位开关的具体位置进行实时更改。下面详细说明本发明船用起重机限位开关盒中各个限位开关的位置定义步骤：

(1)船用起重机变幅极限开关位置定义

步骤1，变幅停止限位开关定义。

如图1所示，将吊臂处于水平位置时，即β角为零度时的位置，设定为吊臂的停止位置。将限位开关盒中的变幅停止限位开关放置在变幅刻度轴的起始刻度处，并以其此时所在位置为原点，建立如图2所示的坐标系，即变幅停止限位开关的坐标为(0,0)。

步骤2，吊臂变幅上限与下限开关定义。

吊臂变幅的上限与下限均需要依据船用起重机所使用的实际场景进行定义，其必须满足：船用起重机吊臂在上限与下限时能够满足货物起吊的吊装区域最小与最大半径，即吊臂在水平面上的投影，需在rmin与rmax之间。

步骤2-1，最大工作半径定义。根据船用起重机的实际工况，设定货物的最大起吊半径rmax和最大起吊半径rmin。

步骤2-2，变幅极限角计算。此时船用起重机的吊臂下限与水平方向的夹角为：吊臂上限与水平方向的夹角为：式中ld为吊臂的固有长度。

步骤2-3，变幅钢丝绳变化长度分析。吊臂的变幅钢丝绳，其长度发生改变的部分仅为塔顶定滑轮组与吊臂前端定滑轮组之间的钢丝绳部分，其余部分的钢丝绳，均随着船用起重机结构的固定而不发生变化，因而不对其进行考虑。处于变幅变动状态的钢丝绳的长度为式中：

nb为变幅定滑轮对数；

lf为吊臂在塔身上的转轴中心到塔身定滑轮组中心的间距；

α为lf与水平位置的夹角；

j＝{1,2,3}，j＝1表示变幅停止极限，此时β＝0°；j＝2表示变幅下限；j＝3表示变幅上限。

所以，变幅时变动的钢丝的最大长度为式中，a＝{1,2,3}；z＝{1,2,3}。

步骤2-4，变幅极限位置钢丝绳伸缩量。根据步骤2-3的分析结果，以变幅停止极限位置为基准，则变幅的下限与上限位置，变幅机构需收缩的钢丝绳长度分别为：

步骤2-5，变幅螺距计算。根据步骤2-4的结果，将变幅机构收缩的钢丝绳长度转换为限位开关盒中各个变幅极限开关之间的距离差。计变幅机构驱动链轮与从动链轮的减速比为ib，变幅丝杠的螺距为pb，螺纹线数为mb，则变幅下限开关距变幅停止极限开关的距离为：变幅上限开关距变幅停止极限开关的距离为：即变幅下限开关的坐标为(0，xb1)，变幅上限开关的坐标为(0，xb2)。

(2)船用起重机提升极限开关位置定义

步骤1，提升极限开关y轴定义。

根据前述关于限位开关装置结构组成描述，提升极限开关的y轴坐标是由极限开关尺寸、滑块尺寸以及丝杠尺寸共同决定的，当相关组件选好型号后，提升极限开关的y轴坐标便为一个固定值，记为yt。

步骤2，提升下限开关位置计算。

当船用起重机不工作，即吊臂处于变幅停止限位处时，提升机构需将吊钩下放至船舶甲板上进行固定，防止其晃动对船舶行驶安全及船员人身安全造成威胁，将吊臂停止工作时与舱底的高度差记为hf。而船用起重机提升的下极限是依据其具体使用情况来设置的，提升的最小高度hmin需大于具体使用船舶上货物堆放区最高的障碍物的高度，确保船用起重机在回转作业时，货物不会与船体之间发生碰撞。

步骤2-1，最小提升高度判定。依据实际使用情况确定hmin后，需首先判断其与吊臂变幅下极限的关系。若则转至步骤2-2；若则转至步骤2-3。

步骤2-2，提升下限坐标计算1。此时由于提升下限小于变幅下限，并且根据提升机构钢丝绳变动规律分析可知，此时的提升机构相较于变幅下极限位置还需提升的高度，因此提升下限开关与变幅下限开关的横坐标差值为：式中，it为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，pt为提升丝杠的螺距，mt为螺纹线数。即可得出此时提升下限开关的横坐标xt1＝xb1-δxt1，提升下限的坐标为：(xt1，yt)。

步骤2-3，提升下限坐标计算2。此时由于提升下限大于变幅下限，且吊钩与吊臂之间设置有防碰撞限位开关，两者相互不能碰撞，因此提升下限开关坐标的位置为吊臂变幅后所在位置。

变幅后吊臂与水平面的夹角：

将所得βt角带入前述分析，可得提升下限的横坐标为：

即此时提升机构的下限开关坐标为：(xt1，yt)。

步骤3，提升上限开关位置计算。

船用起重机的提升货物上限取决于船用起重机提升卷筒自身的容绳量，由于塔身内部的空间有限，且依据国标gb/t4446-1995中对卷筒的容绳量层数与卷筒长度的相关于要求，将船用起重机提升卷筒的容绳量上限记为sg。

步骤3-1，钢丝绳提升总收缩量计算。提升钢丝绳在船用起重机的整个提升过程中，其理论上需要缠绕在提升卷筒上的钢丝绳长度包含三部分，一是提升卷筒预留长度，二是塔身提升定滑轮组与吊臂提升定滑轮组之间随吊臂变幅的长度，三是吊钩从舱底至变幅上限的长度。

(a)卷筒预留钢丝绳长度。卷筒上的钢丝绳需预留一定圈数以保证其使用时安全，计提升卷筒上钢丝绳预留nt圈，则变幅钢丝绳预留长度sty＝πdtnt，式中dt为提升卷筒的直径。

(b)定滑轮间钢丝绳变化长度。在塔顶提升定滑轮组和吊臂提升定滑轮组之间一直处于变动状态的钢丝绳的长度为式中，nt为提升定滑轮对数。

变幅时变动的提升钢丝的最大长度为

(c)吊钩钢丝绳变化长度。理论上吊钩钢丝绳变化的最大值为从舱底至吊臂变幅上限时定滑轮的间距，stg＝(ld+rmin)^1/2(ld-rmin)^1/2+hf-hd，式中hd为吊钩自身的高度。

所以提升卷筒上缠绕的钢丝绳总长度为st＝sty+δstc+stg。

步骤3-2，提升上限开关坐标计算。由于提升卷筒实际无法将步骤3-1中所有的钢丝绳全部缠绕，因此提升机构未能缠绕的钢丝绳最短长度hr＝stg-sg。

即可得出提升机构的提升上限相较于下限增加了:

δh＝(ld+rmin)^1/2(ld-rmin)^1/2-(hmin-hf-hd)-hr＝2hd+sg-hmin。

因此提升上限横坐标相较于下限横坐标增加了此时提升上限横坐标xt2＝xt1+δxt2，提升上限坐标为(xt2，yt)。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。