CN113184724B - 船用起重机及其安全作业与节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用起重机，包括机械结构及其功能控制系统，将船用起重机的提升和变幅动作限制转换成滑块与各个限位微动开关之间的间距，并通过丝杠传动的方式，使得钢丝绳的旋转收放变成滑块在丝杠上的平移，无需实时监控船用起重机的吊臂与吊钩位置，限位开关盒中微动开关将自动动作，确保提升与变幅作业的正常运行，且能够有效避免两种作业同时动作时因相互干涉造成的安全事故；功能控制系统可以对起重机进行能源供给和回收。本发明还公开了该船用起重机的安全作业方法，包括变幅限开关位置定义操作、提升极限开关位置定义操作、以及多级变扭起吊操作。本发明还公开了该船用起重机的节能控制方法。

Description

船用起重机及其安全作业与节能控制方法

技术领域

本发明涉及起重装备领域，具体来说涉及一种船用起重机。

背景技术

船用起重机作为重要的船舶核心起重设备，广泛运用于船舶运输业，具有起重量大、运输效率高、性能稳定等特点。如今单台船用起重机的起重吨位可达400吨以上，因此船用起重机的安全作业便成了重中之重。目前针对克林吊的安全起吊作业，主要方法有，如专利CN112110351A和CN204310714U所采用的针对起吊钢丝绳的使用安全进行改进，防止其在吊装作业过程中发生滑丝现象。但此类方式仅仅考虑了船用起重机的起吊作业安全，对于船用起重机的变幅作业、回转作业等安全性均未考虑。又如专利CN111392628A和CN111490560A，主要通过电机输出扭矩与滑轮组效率分析，使工作人员可获知起吊货物重量，防止船用起重机因起吊的超载对电机造成损伤，但是仅知道起重货物重量，未对起吊过程中的速度、扭矩等参数进行控制，不仅会造成功率的浪费还会影响起吊的平稳性。专利CN203794520U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，可以一定程度上防止吊臂因过度变幅与船用起重机自身产生干涉，但是对于船用起重机的起吊与变幅作业之间的干涉现象无法解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够安全作业的船用起重机。

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，包括机械结构及其功能控制系统，其中机械结构包括与甲板固定连接的底座，底座上通过回转轴承设有塔身，塔身底部设有机械室，机械室内设有提升机构、变幅机构、和回转机构，塔身上设有驾驶室，吊臂下端通过销轴与塔身底部转动连接，其特征在于：所述吊臂上端设有吊臂提升定滑轮组和吊臂变幅定滑轮，塔身上设有塔身提升定滑轮组和塔身变幅定滑轮；

提升机构包括连接在一起的提升电机和减速机，减速机的出力轴与提升卷筒相连接，提升卷筒上绕设有提升钢丝绳，提升卷筒的输出端设有提升卷筒输出轴，提升卷筒输出轴通过提升传动装置驱动提升丝杠转动；

变幅机构包括连接在一起的变幅电机和减速机，减速机的出力轴与变幅卷筒相连接，变幅卷筒上绕设有变幅钢丝绳，变幅卷筒的输出端设有变幅卷筒输出轴，变幅卷筒输出轴通过变幅传动装置驱动变幅丝杠转动；

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；

提升丝杠设置在变幅丝杠下方，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；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；

变幅钢丝绳依次穿过塔顶变幅定滑轮、吊臂变幅定滑轮后端部与塔身相固定；

提升钢丝绳穿过塔顶提升定滑轮组、吊钩上的动滑轮、吊臂提升定滑轮组后与吊臂相固定；

作为一种优选的方案，所述提升传动装置包括套设在所述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所述提升丝杠上的提升从动链轮相连接。

作为一种优选的方案，所述变幅传动装置包括套设在所述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所述变幅丝杠上的变幅从动链轮相连接。

作为一种优选的方案，所述吊臂提升定滑轮组包括并列设置的吊臂提升定滑轮一和吊臂提升定滑轮二；所述塔身提升定滑轮组包括并列设置的塔顶提升定滑轮一和塔顶提升定滑轮二。

作为一种优选的方案，所述提升钢丝绳依次穿过塔顶提升定滑轮一、吊臂提升定滑轮一、吊钩上的动滑轮、吊臂提升定滑轮二、塔顶提升定滑轮二后固定在吊臂上。

作为一种优选的方案，所述提升电机上设有制动装置。

作为一种优选的方案，所述制动装置和提升电机输出轴连接处设有扭矩传感器和转速传感器。

作为一种优选的方案，所述功能控制系统包括连通船舶所有设备的电网，所述电网通过电缆与调节型接口模块、调节型电源模块依次连接，调节型电源模块直接连接直流母线，调节型接口模块包含具有基本干扰抑制的清洁输入滤波器、用于调节型电源模块的预充电回路、电源电压监测装置和监控传感器，调节型电源模块的作为升压器工作的受控整流与反馈单元用于产生一个受控的直流母线电压；

直流母线的负载端连接有应急单元、稳压单元和日用单元，其中应急单元包含带有整流和逆变综合变频模块的第一电机模块，第一电机模块同时连通所述提升电机和第一电源管理器，第一电源管理器同时连通第一电池模块、直流母线和应急开关；

稳压单元包括与直流母线直接连通的带有整流和逆变综合变频模块的第二电机模块，第二电机模块同时连通所述变幅电机和超级电容，超级电容的输出端经过稳压模块连通直流母线；

日用单元包括与直流母线连通的带有整流和逆变综合变频模块的第三电机模块，第三电机模块连接所述回转电机和第二电源管理器，第二电源管理器同时连接逆变模块和第二电池模块，逆变模块的输出端直接连通船只日用电源；

还包括控制电网、调节型接口模块、调节型电源模块、应急单元、稳压单元和日用单元的控制单元，应急开关使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量。

本船用起重机的有益效果是：

1、采用纯机械被动安全措施，将船用起重机的提升和变幅动作限制转换成滑块与各个限位微动开关之间的间距，并通过丝杠传动的方式，使得钢丝绳的旋转收放变成滑块在丝杠上的平移，无需实时监控船用起重机的吊臂与吊钩位置，限位开关盒中微动开关将自动动作，确保提升与变幅作业的正常运行，且能够有效避免两种作业同时动作时因相互干涉造成的安全事故。

2、采用结构简单的丝杠滑块限位措施，不仅能够极大提高船用起重机限位安全系统的稳定性和可靠性，还能够根据实际使用需求，快速、便捷的调整船用起重机在不同应用场景下各个极限开关的位置，实现船用起重机在不同应用环境下的安全使用。

3、采用直式驱动结构，无需复杂齿轮结构，提高了驱动装置的传动效率，节省了船用起重机的内部空间，方便了船用起重机的布置。

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供用以保证上述任一项所述的船用起重机的安全作业方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：船用起重机的安全作业方法，包括变幅限开关位置定义操作、提升极限开关位置定义操作、以及多级变扭起吊操作；

其中，变幅限开关位置定义操作，具体步骤如下：

步骤1，变幅停止限位开关定义

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R_max和最大起吊半径R_min；

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L_d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：

N_b为变幅定滑轮对数；L_d为吊臂的固有长度；L_f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L_f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i_b，变幅丝杠的螺距为p_b，螺纹线数为m_b，D_b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，x_b1)，变幅上限开关的坐标为(0，x_b2)；

作为一种优选的方案，所述提升极限开关位置定义操作，具体步骤如下：

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y_t；

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H_f；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H_min；

步骤2-1，最小提升高度判定：依据实际使用情况确定H_min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，L_d为吊臂的固有长度；i_t为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，D_t为提升卷筒直径；p_t为提升丝杠的螺距，m_t为螺纹线数；即可得出此时提升下限开关的横坐标x_t1＝x_b1-△x_t1，提升下限的坐标为：(x_t1，y_t)；

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β_t角带入前述分析，可得提升下限的横坐标为：

式中，N_b为变幅定滑轮对数；D_b为变幅卷筒直径；L_d为吊臂的固有长度；L_f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L_f与水平位置的夹角；i_t为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，p_t为提升丝杠的螺距，m_t为螺纹线数；

此时提升机构的下限开关坐标为：(x_t1，y_t)；

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：S_ty＝πD_tn_t，式中n_t为保证使用安全卷筒上的钢丝绳需预留圈数，D_t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，N_t为提升定滑轮对数；L_d为吊臂的固有长度；L_f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L_f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，S_tg＝(L_d+R_min)^1/2(L_d-R_min)^1/2+H_f-H_d，式中H_d为吊钩自身的高度；

得提升卷筒上缠绕的钢丝绳总长度为S_t＝S_ty+△S_tc+S_tg；

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H_r＝S_tg-S_g；S_g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：

△H＝(L_d+R_min)^1/2(L_d-R_min)^1/2-(H_min-H_f-H_d)-H_r＝2H_d+S_g-H_min；

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x_t2＝x_t1+△x_t2，提升上限坐标为(x_t2，y_t)。

作为一种优选的方案，所述多级变扭起吊操作具体步骤如下：

步骤1，额定档位设置：将货物重量G分为三个等级：

(a)轻载：货物总体重量小于m₁吨，设为1级；

(b)重载：货物总体重量大于m₁吨且小于m₂吨，设为2级；

(c)超载：货物总体重量大于m₂吨，设为3级；

级轻载时设定提升电机输出转速为n₁；2级重载时设定提升电机输出转速为n₂，n₂＜n₁；3级负载时提升电机停止运转，并报警；

步骤2，起吊判断：在每次起吊货物时，预先默认为1级负载，即提升电机采用n₁转速对货物进行起吊；若经过设定的判定时间t后，转速传感器检测到提升电机输出轴能够正常输出转速n₁时，则说明货物满足起吊要求，正常起吊即可；

若经过设定的判定时间t后，转速传感器检测到提升电机输出轴不能够正常输出转速时，则说明货物不满足起吊要求，继续进行步骤3；

步骤3，提升电机档位切换：经步骤2发现无法提升当前货物后，控制系统直接将提升电机档位切换为2级，将转速降低至n₂以提高提升电机的驱动力矩；若此时货物依旧不能被按转速n₂提升，则控制系统发出过载报警，提升电机停止工作，防止提升电机以及船用起重机其他部件的损坏。

本多级变扭起吊法的有益之处在于，采用多级变扭矩的船用起重机提升方法，不仅使得船用起重机的起吊机构可以根据货物不同的质量等级控制起吊速度提高起吊作业平稳性，还设有防止过载机制预防过载起吊对提升电机造成损伤。

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供用以保证上述船用起重机的节能控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为基于上述最后一项船用起重机的节能控制方法，包括以下步骤：

步骤1，能量回馈：当船用电动起重机的提升电机进行制动或货物处于下降状态时，船用电动起重机的提升电机开始进入发电状态，电能由提升电机输出进入第一电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上；

步骤2，能量传输：直流母线电压升高且电压值超过设定的阈值后，控制单元根据目前电网情况选择能量传输方向：

若此时整个电网的供电量不足，船上其余用电设备亟需电能供应，则控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网电压频率相同，避免浪涌冲击；

若此时整个电网供能状态良好，无需电能补充，则控制单元操控电机模块将回馈的电能存储至控制系统中应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块中；

步骤3，能量存储：应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块的充电顺序为：首先为应急单元的第一电池模块充电，其次为稳压单元超级电容充电，最后为日用单元的第二电池模块充电；充电方式有两类，包括单元内部充电和直流母线充电：

单元内部充电：如果控制单元经步骤1-2后，判断电网无需补充，则开始向直流母线负载端应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块按序充电；

若此时提升电机、变幅电机、回转电机三个中发电的电机恰好为需优先充电单元内的电机，则电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块转换成直流电，为该单元内的相对应的能量存储模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块充电；

直流母线充电：若此时提升电机、变幅电机、回转电机三个中发电的电机并非需优先充电单元内的电机，或发电的电机所在单元的能量存储模块已经充满，则发电的电机产生的电能经过所在单元相应的电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电；

步骤4，能量释放：三组储能模块分别适用于不同工况条件，由控制单元根据实际工况选择某一储能模块进行放能，具体如下：

(1)应急供电：第一电池模块中存储的电能用于紧急情况下的使用，包括船用电动起重机自身应急使用以及电网中其他用电设备的应急使用：

供电的电网出现故障或者直流母线输入端线路发生故障，控制单元直接将起重机提升电机的输出轴与减速机之间的连接刹车刹死，并切断起重机提升电机的供电，以防止船用电动起重机吊装货物时发生意外；然后由操作人员根据现场实际情况，决定维持刹车现状或者继续工作，若继续作业，则通过操作使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量，经由直流母线传输至所需用电设备，供其临时工作需要；

当整个电网中其他用船用电动起重机处于重载或其他设备用电量增大，电网电压难以维持设定阈值时，控制系统操控第一电源管理器，释放第一电池模块中的能量，经由直流母线，并由控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网电压频率相同，以在短时间内维持电网电压的稳定，避免浪涌冲击；

(2)系统稳压：当船用电动起重机系统中用能增加时，控制单元操控稳压模块，将超级电容中存储的大量电能瞬间释放补充至直流母线，维持直流母线电压的稳定，以避免骤增的用电单元使直流母线的电压突然下降而使得各个用电单元受到电压波动的影响；

(3)日用供电：当相应的设备开启后，控制单元操控第二电源管理器，调用第二电池模块中的电能，经过第二电源管理器，再通过逆变模块将直流电转换成日用电源所需交流电，为日用电源进行供能。

本节能控制方法的有益效果是：

1、采用三种能量回馈控制方法，分别针对船用起重机的应急使用、系统稳压和日用电源耗电，不仅能够将因制动或货物下降产生的电能进行存储不使其冲击电网，还可根据实际情况释放存储的电能，有效的节省了能量的损耗。

2、设置三种能量存储单元的充电与放电优先级，使得船用起重机在实际使用过程中面对的各类突发状况时能够有序应对，也防止了各个储能单元之间的相互影响，提高了船用起重机的使用安全性。

附图说明

图1是本发明的船用起重机结构简图。

图2是本发明的船用起重机提升驱动装置图。

图3是本发明的船用起重机限位开关盒组成图。

图4是本发明的船用起重机起吊机构示意图。

图5是本发明的船用起重机能量回收系统图。

图中：1-塔身，2-机械室，21-提升机构，22-变幅机构，23-回转机构，3-驾驶室，4-回转轴承，5-底座，6-吊臂，7-塔顶提升定滑轮，8-塔顶变幅定滑轮，9-提升钢丝绳，10-变幅钢丝绳，11-吊臂提升定滑轮，12-吊臂变幅定滑轮，13-吊钩，14-吊臂支撑座，15-货物；

211-提升电机，212-制动装置，213-扭矩传感器，214-转速传感器，215-减速器，216-提升卷筒，217-卷筒输出轴，218-驱动链轮，219-链条，220-从动链轮，221-变幅电机，226-变幅卷筒；231-回转电机，

241-变幅停止限位开关，242-变幅下限开关，243-变幅上限开关，244-提升下限开关，245-提升上限开关，246-碰撞限位开关，247-变幅丝杠，248-提升丝杠，249-变幅滑块，2410-提升滑块；

31-电网，32-调节型接口模块，33-调节型电源模块，34-直流母线，35-第一电机模块，36-第一电源管理器，37-第一电池模块，38-应急开关，39-第二电机模块，40-稳压模块，41-超级电容，42-第三电机模块，43-第二电源管理器，44-第二电池模块，45-逆变模块，46-日用电源，47-控制单元。

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1-4所示，本发明的船用起重机，包括机械结构及其功能控制系统，其中机械结构包括与船舶甲板固定连接的底座5，回转轴承4连接底座5和船用起重机塔身1，在塔身1的底部位置设有机械室2，其内部布置有船用起重机的主要驱动机构，包括有提升机构21、变幅机构22和回转机构23；在所述塔身1的前部位置还安设有驾驶室3，同时船用起重机的吊臂6通过销轴与塔身1的底部连接；在吊臂6上分别设有吊臂提升定滑轮组11与吊臂变幅定滑轮组12，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7以及塔顶变幅定滑轮组8共同组成了船用起重机的传动机构；吊钩13通过提升钢丝绳9悬挂在吊臂6的端部位置。

船用起重机作业主要包含货物提升、吊臂变幅和塔身回转，其中货物的提升和吊臂的变幅这两种作业的动作处于同一个平面中，因此需要对其极限位置进行设定，防止提升与变幅作业两者间的相互干渉。

本发明的船用起重机提升与变幅驱动装置结构布置一致，以提升机构驱动装置为例，如图2和图3所示，船用起重机的提升机构21驱动装置主要包括提升电机211、制动装置212、减速机215和提升卷筒216，其中制动装置212分别连接电机211的输出轴和减速机215的输入轴，并且在制动装置212和电机211输出轴连接处设有扭矩传感器213和转速传感器214，可实时测量电机的扭矩与转速。此外，制动装置212采用外置式的盘式制动结构，可实时查看刹车片的磨损程度，便于及时更换刹车片，确保使用的安全。减速机215通过螺钉固定在提升卷筒216的内部，与电机211、制动器212共同形成直式传动结构，使得电机211输出的扭矩可通过制动装置212直接传输给卷筒216，无需传统“L型”传输机构的冗杂齿轮组，不仅提高了传输效率还能够有效的利用塔身1内部的空间，减少驱动机构的布置难度。提升卷筒216的同步输出轴217上固定有驱动链轮218，其通过链条219带动从动链轮220，而提升丝杠248则直接与从动链轮248连接，使得提升丝杠248可随船用起重机提升机构的提升、下降同步运转。

本发明的船用起重机变幅机构22与变幅丝杠247的连接方式与所述提升机构21与提升丝杠248的连接方式一致。变幅机构包括连接在一起的变幅电机和减速机，减速机的出力轴与变幅卷筒226相连接，变幅卷筒226上绕设有变幅钢丝绳，变幅卷筒226的输出端设有变幅卷筒输出轴，变幅卷筒226输出轴上套设有驱动链轮，变幅驱动链轮通过变幅链条与套设在变幅丝杠247上的变幅从动链轮相连接。

图3所示，本发明控制限制提升与变幅作业的限位开关盒24安设在机械室2内，在限位开关盒的最上方空间，自左向右布置有变幅停止限位开关241、变幅下限开关242和变幅上限开关243，以变幅停止限位开关241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247；在变幅丝杠247上装套有变幅限位滑块249，其可跟随船用起重机的变幅作业在变幅丝杠247上沿x轴方向来回移动，且变幅限位滑块249的顶部恰好可以与变幅停止限位开关241、变幅下限开关242以及变幅下限开关243底部的触点接触。在所述变幅丝杠247的平行下方位置，即y轴正方向上，设置有提升丝杠248。提升丝杠248上安设有提升限位滑块2410，在提升滑块2410的顶部安装有碰撞限位开关246，其可与变幅滑块249底部的接触；在提升丝杠248的下方位置，沿x轴正方向依次设置有提升下限开关244和提升上限开关245。

如图5所示，本发明的船用起重机的功能控制系统，包括有连通船舶所有设备的电网31，调节型接口模块32负责连通电网31和调节型电源模块33，调节型电源模块33直接连接直流母线34，所述调节型接口模块32包含具有基本干扰抑制的清洁输入滤波器、用于调节型电源模块的预充电回路、电源电压监测装置和监控传感器，所述调节型电源模块33作为升压器工作的受控整流与反馈单元可产生一个受控的直流母线电压；直流母线34的负载端包括三个单元，有应急单元、稳压单元和日用单元，其中应急单元包含第一电机模块35，所述电机模块同时连通和提升电机211和第一电源管理器36，电源管理器36同时连通第一电池模块37、直流母线34和应急开关38；所述稳压单元包括与直流母线34直接连通的第二电机模块39，所述电机模块同时连通变幅电机221和超级电容41，超级电容41的输出端经过稳压模块40连通直流母线34；所述日用单元的第三电机模块42连接回转电机231和第二电源管理器43，所述电源管理器同时连接逆变模块45和第二电池模块44，逆变模块45的输出端直接连通船用起重机的日用电源46；控制单元47同时连通直流母线34的输入端和输出端的所有管理、控制与调节模块，其具有控制整流和反馈、电机转速与转矩、电源中断启动等功能。

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盒24内的各个限位开关的具体位置进行实时更改。

故而，上述船用起重机的安全作业方法，包括变幅限开关位置定义操作、提升极限开关位置定义操作、以及多级变扭起吊操作；

其中，变幅限开关位置定义操作，具体步骤如下：

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。此时的吊臂前端由船舶甲板上的固定座支撑，变幅钢丝绳以及船用起重机的变幅机构不再承受拉力。将限位开关盒中的变幅停止限位开关放置在最左侧位置，并以其此时所在位置为原点，建立如图3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R_min与R_max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R_max和最大起吊半径R_min。

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L_d为吊臂的固有长度。

步骤2-3，变幅钢丝绳长度计算。吊臂的变幅钢丝绳长度主要包括三部分：卷筒预留部分、固定传动部分、变幅部分。本发明船用起重机变幅机构与定滑轮缠绕方式如图4所示，变幅钢丝绳由变幅卷筒226发出，经由塔身变幅滑轮组8，然后在变幅定滑轮组8和12之间往复缠绕，最终固定在塔身顶部。设定钢丝绳在所有滑轮上均缠绕半圈。

(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，计变幅卷筒上钢丝绳预留n_b圈，则变幅钢丝绳预留长度S_by＝πD_bn_b，式中D_b为变幅卷筒的直径。

(b)固定传动钢丝绳长度。固定传动部分钢丝绳主要包括变幅卷筒到位于塔身顶部变幅定滑轮组的固定间距，以及塔身顶部定滑轮组与吊臂端部定滑轮组之间缠绕在定滑轮上的钢丝绳长度，其为固定值不随船用起重机的变幅产生变化，因此分析时不将其长度纳入考虑。

(c)变幅钢丝绳长度。依据前述分析，在塔顶变幅定滑轮组和吊臂变幅定滑轮组之间一直处于变动状态的钢丝绳的长度为式中：

N_b为变幅定滑轮对数；

L_f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L_f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；i＝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}。

(d)极限位置钢丝绳总长。当β角取不同值时，变幅机构所释放的钢丝绳长度也有所不同，其总长度为

(e)卷筒直径复核。按照船用甲板机械国标GB/T4446-1995中的相关要求，对卷筒的容绳量层数与卷筒长度有所限制。根据前述设定的卷筒直径以及分析所得的钢丝绳总长进行校核，确保变幅卷筒满足国标相关要求且满足船用起重机实际使用空间的布置，否则修改卷筒直径并重复步骤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i_b，变幅丝杠的螺距为p_b，螺纹线数为m_b，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，x_b1)，变幅上限开关的坐标为(0，x_b2)。

其中，提升限开关位置定义操作，具体步骤如下：

步骤1，提升极限开关y轴定义。

根据前述关于限位开关盒结构组成描述，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y_t。

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船舱底面的高度差记为H_f。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H_min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时，货物不会与船体发生碰撞。

步骤2-1，最小提升高度判定。依据实际使用情况确定H_min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，并且根据图4及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，i_t为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，p_t为提升丝杠的螺距，m_t为螺纹线数。即可得出此时提升下限开关的横坐标x_t1＝x_b1-△x_t1，提升下限的坐标为：(x_t1，y_t)。

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β_t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：(x_t1，y_t)。

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中的相关于要求，将船用起重机提升卷筒的容绳量上限记为S_g。

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n_t圈，则变幅钢丝绳预留长度S_ty＝πD_tn_t，式中D_t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，N_t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至吊臂变幅上限时定滑轮的间距，S_tg＝(L_d+R_min)^1/2(L_d-R_min)^1/2+H_f-H_d，式中H_d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S_t＝S_ty+△S_tc+S_tg。

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H_r＝S_tg-S_g。即可得出提升机构的提升上限相较于下限增加了:△H＝(L_d+R_min)^1/2(L_d-R_min)^1/2-(H_min-H_f-H_d)-H_r＝2H_d+S_g-H_min。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x_t2＝x_t1+△x_t2，提升上限坐标为(x_t2，y_t)。

由于船用起重机在船舶上使用时，经常需要吊装大型货物，多数货物的实际重量难以预先估计。为了维持船用起重机在提升货物时的稳定性，不因货物实际重量的变化，使得提升转速变化过大，造成安全事故。故而本发明采用多级变扭起吊操作，其提升机构组成如图4所示，所述吊臂提升定滑轮11组包括并列设置的吊臂提升定滑轮一和吊臂提升定滑轮二；所述塔身提升定滑轮组7包括并列设置的塔顶提升定滑轮一和塔顶提升定滑轮二。所述提升钢丝绳9首先从提升卷筒216伸出，然后提升钢丝绳9依次穿过塔顶提升定滑轮一、吊臂提升定滑轮一、吊钩13上的动滑轮、吊臂提升定滑轮二、塔顶提升定滑轮二后固定在吊臂6上。通过多组定滑轮组，增加提升钢丝绳9在塔顶和吊臂端部之间的存绳量，使得吊臂在变幅过程中，吊钩所提升的货物高度不会产生显著的波动。

本发明所采用的多级变扭起吊操作的具体实施步骤如下：

步骤1，额定档位设置。根据船用起重机的长期使用经验，将货物重量G分为三个等级，具体划分标准如下：

(a)轻载：货物总体重量小于m₁吨，设为1级；

(b)重载：货物总体重量大于m₁吨且小于m₂吨，设为2级；

(c)超载：货物总体重量大于m₂吨，设为3级；

根据货物实际载荷的不同，设定船用起重机在提升货物时的不同转速，其中1级轻载时设定电机输出转速为n₁，提升速度较快；2级重载时设定电机输出转速为n₂，提升速度较慢；3级负载时电机报警，停止运转。

步骤2，起吊判断。根据步骤1中设定的参数，在每次起吊货物时，都预先默认为1级负载，即电机采用n₁转速对货物进行起吊。若经过设定的判定时间t后，转速传感器214检测到电机输出轴能够正常输出转速n₁时，则说明货物满足起吊要求；若经过设定的判定时间t后，转速传感器214检测到电机输出轴不能够正常输出转速时，则说明货物不满足起吊要求，继续进行步骤3；

步骤3，电机档位切换。经步骤2发现无法提升当前货物后，控制系统直接将电机档位切换为2级，将转速降低至n₂，提高电机的驱动力矩。若此时货物依旧不能被按转速n₂提升，则控制系统发出过载报警，电机停止工作，防止船用起重机以及电机的损坏。

上述船用起重机的节能控制方法，具体步骤如下：

步骤1，能量回馈。当船用起重机的电机进行制动或货物处于下降状态时，船用起重机的电机开始进入发电状态，电能由电机输出进入电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线34上。

步骤2，能量传输。此时直流母线34电压升高，当电压值超过设定的阈值后，控制单元47根据目前电网31情况选择能量传输方向。若此时整个电网31的供电量不足，船上其余用电设备亟需电能供应，则控制单元47将调节型电源模块33切换至逆变状态向电网31回馈电能，调节型接口模块32和控制单元47此时时刻控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网31电压频率相同，避免浪涌冲击；若此时整个电网31供能状态良好，无需电能补充，则控制单元47操控电机模块将回馈的电能存储至控制系统中的储能模块中。

步骤3，能量存储。本发明中的三类能量存储单元的充电顺序为：首先为应急单元电池充电，其次为稳压单元超级电容41充电，最后为日用单元电池充电。充电方式主要有两类，包括单元内部充电和直流母线34充电。

(1)模块内部充电。控制单元47经步骤1-2后，判断电网31无需补充，开始向直流母线34负载端三个模块按序充电。若此时发电的电机恰好为需优先充电单元内的电机，则该单元内电机产生的电能直接经由相应单元的电机模块转换成直流电，为该单元内的能量存储模块充电。

(2)直流母线34充电。若此时发电的电机并非需优先充电单元，或发电电机所在单元的能量存储单元已经充满，则电机发电产生的电能经过发电电机所在单元的电机模块，转换成直流电先传输至直流母线34上，同时控制单元47依据设定好的充电顺序，操控需优先充电单元的电机模块，为其能量存储模块进行充电。

步骤4，能量释放。本发明中的三组能量存储装置，分别适用于不同工况条件，由控制单元47根据实际工况选择某一能量存储装置进行放能。

(1)应急供电：第一电池模块37中存储的电能主要用于紧急情况下的使用，包括船用起重机自身应急使用以及电网31中其他用电设备的应急使用。当供电电网31出现故障或者直流母线34输入端线路发生故障，船用起重机的提升电机211与变幅电机221供电难以保证稳定时，为了防止船用起重机吊装货物时发生意外，控制单元47直接将电机的输出轴与减速机之间的连接刹车刹死，并切断电机的供电；此时由操作人员根据现场实际情况，决定维持刹车现状或者继续工作，若继续作业，则按下应急开关38，控制单元47操控第一电源管理器36释放第一电池模块37的能量，经由直流母线34传输至所需用电设备，供其临时工作需要。当整个电网31中其他用船用起重机处于重载或其他设备用电量增大，电网31电压难以维持设定阈值时，控制系统操控第一电源管理器36，释放第一电池模块37中的能量，经由直流母线34，按步骤1-2的方式向整个电网31供电，短时间内维持电网31电压的稳定。

(2)系统稳压：当船用起重机系统中用能增加时，例如当系统中仅有起吊电机在进行起吊工作时，此时船用起重机需要进行变幅和回转动作，变幅和回转电机231启动，骤增的用电单元会使得直流母线34的电压突然下降，各个用电单元会受到电压波动的影响。为避免所述状况，控制单元47操控稳压模块40，将超级电容41中存储的大量电能瞬间释放补充至直流母线34，能够迅速维持直流母线34电压的稳定。

(2)日用供电：船用起重机中的日用电主要供给照明、风扇等小型用电设备，当相应的设备开启后，控制单元47操控第二电源管理器43，调用第二电池模块44中的电能，经过第二电源管理器43，再通过逆变模块45将直流电转换成日用电源46所需交流电，为日用电源46进行供能。

(2)系统稳压：当船用起重机系统中用能增加时，例如当系统中仅有起吊电机在进行起吊工作时，此时船用起重机需要进行变幅和回转动作，变幅和回转电机启动，骤增的用电单元会使得直流母线的电压突然下降，各个用电单元会受到电压波动的影响。为避免所述状况，控制单元操控稳压模块，将超级电容中存储的大量电能瞬间释放补充至直流母线，能够迅速维持直流母线电压的稳定。

(2)日用供电：船用起重机中的日用电主要供给照明、风扇等小型用电设备，当相应的设备开启后，控制单元操控第二电源管理器，调用第二电池模块中的电能，经过第二电源管理器，再通过逆变模块将直流电转换成日用电源所需交流电，为日用电源进行供能。

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。

Claims (12)

1.船用起重机，包括机械结构及其功能控制系统，其中机械结构包括与甲板固定连接的底座，底座上通过回转轴承设有塔身，塔身底部设有机械室，机械室内设有提升机构、变幅机构、和回转机构，塔身上设有驾驶室，吊臂下端通过销轴与塔身底部转动连接，其特征在于：所述吊臂上端设有吊臂提升定滑轮组和吊臂变幅定滑轮，塔身上设有塔身提升定滑轮组和塔身变幅定滑轮；

提升机构包括连接在一起的提升电机和减速机，减速机的出力轴与提升卷筒相连接，提升卷筒上绕设有提升钢丝绳，提升卷筒的输出端设有提升卷筒输出轴，提升卷筒输出轴通过提升传动装置驱动提升丝杠转动；

变幅机构包括连接在一起的变幅电机和减速机，减速机的出力轴与变幅卷筒相连接，变幅卷筒上绕设有变幅钢丝绳，变幅卷筒的输出端设有变幅卷筒输出轴，变幅卷筒输出轴通过变幅传动装置驱动变幅丝杠转动；

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；

提升丝杠设置在变幅丝杠下方，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；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；

变幅钢丝绳依次穿过塔顶变幅定滑轮、吊臂变幅定滑轮后端部与塔身相固定；

提升钢丝绳穿过塔顶提升定滑轮组、吊钩上的动滑轮、吊臂提升定滑轮组后与吊臂相固定。

2.如权利要求1所述的船用起重机，其特征在于：所述提升传动装置包括套设在所述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所述提升丝杠上的提升从动链轮相连接。

3.如权利要求1所述的船用起重机，其特征在于：所述变幅传动装置包括套设在所述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所述变幅丝杠上的变幅从动链轮相连接。

4.如权利要求1所述的船用起重机，其特征在于：所述吊臂提升定滑轮组包括并列设置的吊臂提升定滑轮一和吊臂提升定滑轮二；所述塔身提升定滑轮组包括并列设置的塔顶提升定滑轮一和塔顶提升定滑轮二。

5.如权利要求4所述的船用起重机，其特征在于：所述提升钢丝绳依次穿过塔顶提升定滑轮一、吊臂提升定滑轮一、吊钩上的动滑轮、吊臂提升定滑轮二、塔顶提升定滑轮二后固定在吊臂上。

6.如权利要求1所述的船用起重机，其特征在于：所述提升电机上设有制动装置。

7.如权利要求6所述的船用起重机，其特征在于：所述制动装置和提升电机输出轴连接处设有扭矩传感器和转速传感器。

8.如权利要求1-7中任一项所述的船用起重机，其特征在于：所述功能控制系统包括连通船舶所有设备的电网，所述电网通过电缆与调节型接口模块、调节型电源模块依次连接，调节型电源模块直接连接直流母线，调节型接口模块包含具有基本干扰抑制的清洁输入滤波器、用于调节型电源模块的预充电回路、电源电压监测装置和监控传感器，调节型电源模块的作为升压器工作的受控整流与反馈单元用于产生一个受控的直流母线电压；

直流母线的负载端连接有应急单元、稳压单元和日用单元，其中应急单元包含带有整流和逆变综合变频模块的第一电机模块，第一电机模块同时连通所述提升电机和第一电源管理器，第一电源管理器同时连通第一电池模块、直流母线和应急开关；

稳压单元包括与直流母线直接连通的带有整流和逆变综合变频模块的第二电机模块，第二电机模块同时连通所述变幅电机和超级电容，超级电容的输出端经过稳压模块连通直流母线；

日用单元包括与直流母线连通的带有整流和逆变综合变频模块的第三电机模块，第三电机模块连接回转电机和第二电源管理器，第二电源管理器同时连接逆变模块和第二电池模块，逆变模块的输出端直接连通船只日用电源；

还包括控制电网、调节型接口模块、调节型电源模块、应急单元、稳压单元和日用单元的控制单元，应急开关使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量。

9.如权利要求1-8中任一项所述的船用起重机的安全作业方法，包括变幅限开关位置定义操作、提升极限开关位置定义操作、以及多级变扭起吊操作；

其中，变幅限开关位置定义操作，具体步骤如下：

步骤1，变幅停止限位开关定义

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R_max和最大起吊半径R_min；

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L_d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：

N_b为变幅定滑轮对数；L_d为吊臂的固有长度；L_f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L_f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i_b，变幅丝杠的螺距为p_b，螺纹线数为m_b，D_b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，x_b1)，变幅上限开关的坐标为(0，x_b2)。

10.如权利要求9所述的船用起重机的安全作业方法，所述提升极限开关位置定义操作，具体步骤如下：

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y_t；

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H_f；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H_min；

步骤2-1，最小提升高度判定：依据实际使用情况确定H_min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，L_d为吊臂的固有长度；i_t为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，D_t为提升卷筒直径；p_t为提升丝杠的螺距，m_t为螺纹线数；即可得出此时提升下限开关的横坐标x_t1＝x_b1-△x_t1，提升下限的坐标为：(x_t1，y_t)；

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β_t角带入前述分析，可得提升下限的横坐标为：

式中，N_b为变幅定滑轮对数；D_b为变幅卷筒直径；L_d为吊臂的固有长度；L_f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L_f与水平位置的夹角；i_t为提升机构驱动链轮与从动链轮的减速比，p_t为提升丝杠的螺距，m_t为螺纹线数；

此时提升机构的下限开关坐标为：(x_t1，y_t)；

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：S_ty＝πD_tn_t，式中n_t为保证使用安全卷筒上的钢丝绳需预留圈数，D_t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，N_t为提升定滑轮对数；L_d为吊臂的固有长度；L_f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L_f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，S_tg＝(L_d+R_min)^1/2(L_d-R_min)^1/2+H_f-H_d，式中H_d为吊钩自身的高度；

得提升卷筒上缠绕的钢丝绳总长度为S_t＝S_ty+△S_tc+S_tg；

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H_r＝S_tg-S_g；S_g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：

△H＝(L_d+R_min)^1/2(L_d-R_min)^1/2-(H_min-H_f-H_d)-H_r＝2H_d+S_g-H_min；

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x_t2＝x_t1+△x_t2，提升上限坐标为(x_t2，y_t)。

11.如权利要求10所述的船用起重机的安全作业方法，其特征在于：所述多级变扭起吊操作具体步骤如下：

步骤1，额定档位设置：将货物重量G分为三个等级：

(a)轻载：货物总体重量小于m₁吨，设为1级；

(b)重载：货物总体重量大于m₁吨且小于m₂吨，设为2级；

(c)超载：货物总体重量大于m₂吨，设为3级；

级轻载时设定提升电机输出转速为n₁；2级重载时设定提升电机输出转速为n₂，n₂＜n₁；3级负载时提升电机停止运转，并报警；

步骤2，起吊判断：在每次起吊货物时，预先默认为1级负载，即提升电机采用n₁转速对货物进行起吊；若经过设定的判定时间t后，转速传感器检测到提升电机输出轴能够正常输出转速n₁时，则说明货物满足起吊要求，正常起吊即可；

若经过设定的判定时间t后，转速传感器检测到提升电机输出轴不能够正常输出转速时，则说明货物不满足起吊要求，继续进行步骤3；

步骤3，提升电机档位切换：经步骤2发现无法提升当前货物后，控制系统直接将提升电机档位切换为2级，将转速降低至n2以提高提升电机的驱动力矩；若此时货物依旧不能被按转速n2提升，则控制系统发出过载报警，提升电机停止工作，防止提升电机以及船用起重机其他部件的损坏。

12.基于如权利要求8所述船用起重机的节能控制方法，包括以下步骤：

步骤1，能量回馈：当船用电动起重机的提升电机进行制动或货物处于下降状态时，船用电动起重机的提升电机开始进入发电状态，电能由提升电机输出进入第一电机模块进行整流成直流电，然后传输至直流母线上；

步骤2，能量传输：直流母线电压升高且电压值超过设定的阈值后，控制单元根据目前电网情况选择能量传输方向：

若此时整个电网的供电量不足，船上其余用电设备亟需电能供应，则控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网电压频率相同，避免浪涌冲击；

若此时整个电网供能状态良好，无需电能补充，则控制单元操控电机模块将回馈的电能存储至控制系统中应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块中；

步骤3，能量存储：应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块的充电顺序为：首先为应急单元的第一电池模块充电，其次为稳压单元超级电容充电，最后为日用单元的第二电池模块充电；充电方式有两类，包括单元内部充电和直流母线充电：

单元内部充电：如果控制单元经步骤1-2后，判断电网无需补充，则开始向直流母线负载端应急单元、稳压单元和日用单元的储能模块按序充电；

若此时提升电机、变幅电机、回转电机三个中发电的电机恰好为需优先充电单元内的电机，则电机产生的电能直接经由该需优先充电单元相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块转换成直流电，为该单元内的相对应的能量存储模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块充电；

直流母线充电：若此时提升电机、变幅电机、回转电机三个中发电的电机并非需优先充电单元内的电机，或发电的电机所在单元的能量存储模块已经充满，则发电的电机产生的电能经过所在单元相应的电机模块转换成直流电先传输至直流母线上，同时控制单元依据设定好的充电顺序，操控应急单元、稳压单元和日用单元三个中需优先充电单元的相对应的电机模块即第一电机模块或第二电机模块或第三电机模块为其储能模块即第一电池模块或超级电容或第二电池模块进行充电；

步骤4，能量释放：三组储能模块分别适用于不同工况条件，由控制单元根据实际工况选择某一储能模块进行放能，具体如下：

(1)应急供电：第一电池模块中存储的电能用于紧急情况下的使用，包括船用电动起重机自身应急使用以及电网中其他用电设备的应急使用：

供电的电网出现故障或者直流母线输入端线路发生故障，控制单元直接将起重机提升电机的输出轴与减速机之间的连接刹车刹死，并切断起重机提升电机的供电，以防止船用电动起重机吊装货物时发生意外；然后由操作人员根据现场实际情况，决定维持刹车现状或者继续工作，若继续作业，则通过操作使得控制单元操控第一电源管理器释放第一电池模块的能量，经由直流母线传输至所需用电设备，供其临时工作需要；

当整个电网中其他用船用电动起重机处于重载或其他设备用电量增大，电网电压难以维持设定阈值时，控制系统操控第一电源管理器，释放第一电池模块中的能量，经由直流母线，并由控制单元将调节型电源模块切换至逆变状态向电网回馈电能，调节型接口模块和控制单元此时控制回馈的电压与频率，使回馈电压与频率和电网电压频率相同，以在短时间内维持电网电压的稳定，避免浪涌冲击；

(2)系统稳压：当船用电动起重机系统中用能增加时，控制单元操控稳压模块，将超级电容中存储的大量电能瞬间释放补充至直流母线，维持直流母线电压的稳定，以避免骤增的用电单元使直流母线的电压突然下降而使得各个用电单元受到电压波动的影响；

(3)日用供电：当相应的设备开启后，控制单元操控第二电源管理器，调用第二电池模块中的电能，经过第二电源管理器，再通过逆变模块将直流电转换成日用电源所需交流电，为日用电源进行供能。