船用起重機

海上特殊的應用環境給船用起重機的控制帶來了很大的挑戰性。一方面，類似陸上各種欠驅動吊車設備，需要控制負載運輸過程中產生的擺動，保證其定位精度與運輸效率；另一方面，由於這種起重機固定於船舶等運動平台上，平台本身的運動會對負 載運動產生強烈的影響，且很多情況下，負載起吊 與降落點處的運動情況與吊車本身的運動不一致。具體而言，在工作過程中，吊車船與接收船會隨海浪縱搖、橫搖與升沉，這些運動將導致負載發生擺 動；特別是在升降過程中，船舶的此類運動易導致已吊起的負載再次與甲板相撞，或使已放下但尚未 脫離吊鉤的負載再次懸空，這些都會威脅作業的安全。尤其在進行艦船間彈藥補給時，這種耦合運動可能造成非常嚴重的後果。

近年來，船用起重機的 控制得到各國軍用、民用海洋工程的普遍關注，而研究此類非線性、強耦合的欠驅動系統在特殊擾動下的控制亦有重要的理論價值與普遍意義。

Kuchler等學者對水下設 備升降過程進行了動力學建模，他們考慮了吊繩彈 性與水動力等因素，並基於反饋線性化方法分別設計了軌跡跟蹤與擾動抑制控制器。Johansen等人 採用基於前饋的波浪同步技術來補償升沉運動的影響，最終對負載的入水過程實現精確控制。近年來，橫向防擺控制也得到了很多關注。為了加強對 吊繩和負載的擺動控制，部分起重機上加裝了馬力 蘭索具機構（ Maryland Rigging System），即在吊繩中段加入繩索進行牽引，以減小負載的擺動。針對 這種帶有特殊機構的船用起重機，近年來連續提出 了多種建模與控制方法。但是，此類機構對起重機系統的工作空間限制較大，降低了原系統的靈 活性。基於這個原因，很多研究在不改變起重機機 械結構的基礎上，利用各種感測器獲得船體、起重 機、負載的運動信息，然後通過設計合理的旋臂運動控制器來抑制運輸過程中負載的擺動。其中， Parker等人採用指令整形技術，對吊車旋臂的俯仰迴轉進行控制，並在小規模實驗平台上進行了驗證。McKenna等人對旋臂的俯仰與船身運動進行 建模，並通過將前饋補償環節與反饋控制策略相結 合來抑制單方向上的負載擺動。Masoud 等人采 用時間滯后位置反饋控制方法，通過操縱旋臂的俯 仰與迴轉來減小負載的兩維擺角。Sandia 國家 實驗室設計了一種基於多感測器信息融合的控制方 案，它通過控制吊車的運動來補償船體運動，較好地抑制了負載的擺動。這種方法在美國海軍 T­ACS系統上進行了實驗，得到了較好的控制效果。隨後， Schaub 等人對這種控制方案做了進一步改進。

由吊杆、起重柱（或起重桅）、索具和絞車（或起貨機）等組成（見圖吊杆裝置圖）。吊杆裝置是船上傳統的起貨設備，雖然繩索繁多，操作麻煩，但因結構簡單，製造容易，成本低廉，至今仍被廣泛採用。

用吊杆裝置裝卸貨物，有單桿操作和雙桿操作兩種方式。單桿操作是用一根吊杆進行貨物的裝卸，吊杆吊起貨物后，拉動牽索使貨物隨吊杆一起擺向舷外或貨艙口，然後放下貨物，再把吊杆轉回至原位，如此往返作業。裝卸時每次都要用牽索擺動吊杆，所以效率低，勞動強度大。雙桿操作用兩根吊杆，一根置於貨艙口上空，另一根伸出舷外，兩吊杆用牽索固定在某一工作位置上。兩吊杆的起貨索則同連在一個吊鉤上。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，勞動強度也較輕。

改良型吊杆裝置是後來出現的。雙千斤索吊杆裝置是由單桿操作的吊杆裝置改進而成的，裝置中只有起貨索和兩組左右分開的千斤索。吊杆由一台起貨絞車和兩台千斤索絞車操縱，操作方便，裝卸效率也高。埃貝爾吊杆裝置是由雙桿操作的吊杆裝置改進而成的，裝置中有起貨絞車、千斤索和牽索絞車。可以藉助絞車很快地把吊杆放在任何位置。同時還可以在吊杆的工作半徑範圍內定點起吊和落放貨物，以提高裝卸效率。這是向貨物裝卸全自動化前進的重要一步。

吊杆裝置可分為輕型和重型兩類。起重量在10噸以下的為輕型吊杆裝置，超過10噸的為重型吊杆裝置。吊杆的起重量根據船舶的用途決定。一般乾貨船的輕型吊杆單桿操作起重量為3～5噸，雙桿操作為1.5～3噸；萬噸級乾貨船的單桿操作起重量可至10噸，雙桿操作可至5噸。現代多用途船要裝卸集裝箱，吊杆的起重量至少應能吊得起20英尺的集裝箱（20噸）。重型吊杆是用來裝卸大型機械、機車車輛等重件大件貨物的，一般貨船上僅設置1～2根，起重量大多為10～60噸，也有60～150噸的，少數達300噸。一般乾貨船每個貨艙都有兩根輕型吊杆；巨型乾貨船每個貨艙往往設置四根輕型吊杆。

設置在船舶上甲板上的機械。這種起重機結構緊湊，使船舶有較多的甲板面積可利用，對橋樓上視線的影響較小。甲板起重機操作簡便，裝卸效率高，機動靈活，作業前沒有繁瑣的準備工作，應用日益廣泛。

甲板起重機常用的有固定旋轉起重機、移動旋轉起重機和龍門起重機。傳動方式有電力傳動和電力-液壓傳動兩種。

這種起重機應用最廣，可以單獨或成對地在左右舷作業。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25～30噸。

在裝卸貨物要求起重機跨距較大，而又希望起重機吊臂不太長的情況下，往往採用移動旋轉起重機。移動旋轉起重機有沿船舶橫向移動和縱向移動兩種。

這種起重機為全集裝箱船（見集裝箱船）和載駁船所廣泛採用，通常為四足型或C型。有一根可伸出的吊臂、吊重橫檔和一個可移動的橋架及駕駛室。橋架的水平主梁高出堆裝在甲板上的集裝箱，並有自動定位裝置，裝船時可以把集裝箱準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數量比集裝箱船上的多，起重量可達幾百噸。

主要有升降機、提升機和輸送機。升降機是船上沿導軌垂直移動的機械，供各層甲板間提升和下降貨物用。如滾裝船上多採用升降機連接各層甲板以運送貨物。滾裝船上的升降機有剪式、鏈式等數種，其長度為9～18.5米，寬度為3～5米。有些載駁船上也安裝升降機裝卸貨駁，不過起重能力比滾裝船上的大得多。提升機是在垂直方向或較大的傾斜方向連續輸送貨物。輸送機是在水平方向或坡度不大的方向連續輸送貨物。這兩種機械多用在自卸船上或通過舷門進行裝卸的船上。