储能式集装箱起重机装置的简单实现

肖璐   ,齐强通讯作者

延边大学   吉林省延边朝鲜族自治州   133000

储能式岸边集装箱起重机是一种能够利用集装箱下放过程中转化的能量的起重机。该起重机的工作原理是在集装箱下放到地面时，一部分能量可以通过机械传动或液压传动等方式，被转化为旋转轴上的动能，这时储能装置会将这部分能量进行储存。当需要起重的时候，储能装置便会将储存的能量释放出来，驱动起重机进行起重工作。

1 优势

相对于传统的岸边集装箱起重机，储能式岸边集装箱起重机的优势为：

节省能源：利用集装箱下放过程中转化出的能量，实现对能源的重复利用，达到节能效果。

节省成本：储能式岸边集装箱起重机的采购成本可能较高，但在长期运行中，由于能源的节约，成本较传统起重机更为低廉。

环保：通过减少能源的需要和排放的减少，能够减少对环境的影响，达到环保的目的。

但是，这种起重机也存在一些不足之处，储能装置可能存在一定的损耗，影响能量转化的效率，并且储能装置的设计和制造可能比较复杂，需要进行科学和技术上的优化。

2 设计思路及过程

完成储能式岸边集装箱起重机设计装置的设计与制作，实现对重物的提升及下放，设计制作电机控制电路，实现电机的正反转与停机和下放过程中重力势能转化装置的设计制作。装置支架的设计指标：可以承载1kg的重物及上部电机和电路重量。

电机电路的设计指标：电路输入电压为12V，直流电源，电路能够实现电机的三态变化，即正转，反转和停机。

电机选择：用12V直流电机，其产生的扭矩应大于等于5N*M,以满足对重物的提升。

根据以上的设计要求，可以进行如下的设计方案：

2.1 设计方案：

集装箱起重机的下方设置储能装置，通过弹簧装置将下降的重物转化为弹性势能，将其存储在储能装置中。

储能装置下方连接选用的12V直流电机，通过电机驱动装置将储存的势能转化为机械能，将重物上升至高处，其中电机的控制器直接连接在电源上，能够实现电机的正转、反转和停机。

在下放过程中，重物下降产生的重力势能被机械转换为储能装置的势能，同时，电机应加入反向电流，产生反扭矩，减缓重物下落的速度，从而实现能量的再次回收。

重物及电机的重量较小，可以通过框架和固定支架固定在起重机的底座上，也可以将电机和控制器放置在另外的支架上，与起重机进行连接。

最终，根据上述方案，可以制作出满足储能式岸边集装箱起重机设计装置的设计要求的实验装置，用于实现对重物的提升和下放，并验证重力势能与电能之间的转化和节能效果。

2.2 实施过程

这个项目分为四个部分来完成，包括支架机械结构设计、电机控制电路设计、单向传动机构和发电实验机构。具体描述如下：

2.2.1. 支架机械部分：

支架机械结构设计是项目中的一个重要组成部分，该部分通过建模和装配的方式设计支架机械结构，以满足项目的载荷要求。为了确保系统的稳定性，采用了四根支柱来支撑上下地板和上底板上的电机及其他电子元器件。

基本的设计流程如下：

1）. 确定需求：首先明确支架机械的功能和用途。考虑到项目的载荷要求和稳定性需求，确保设计满足实际应用的要求。

2）. CAD建模：使用计算机辅助设计（CAD）软件进行支架机械结构的建模。根据需求，绘制出支撑上下地板和载载物（如电机等）的支架框架。

3）. 装配分析：将各个零部件进行装配，并进行装配分析，确保组件之间的匹配和稳定性。通过模拟装配和调整，保证装配的合理性和稳定性。

4）. 强度分析：对支架机械结构的关键部位进行强度分析，以确保其能够承受载荷并保持稳定。可以使用有限元分析（FEA）等方法进行强度分析。

5）. 优化设计：根据分析结果进行结构的优化设计，以提高支架机械的强度和稳定性，并减少材料的使用。

6）. 材料选择：根据设计要求和优化设计结果，选择适当的材料，如钢材、铝材等，以满足支架机械结构的强度和稳定性要求。

7）. 制造和组装：根据设计图纸进行支架机械结构的制造和组装。确保每个部件的准确性和质量，并进行组装调试，确保支架机械结构的完整性和稳定性。

8）. 测试和验证：对支架机械结构进行测试和验证，确保其满足设计要求和实际应用需求。例如，进行载荷测试、稳定性测试等。

在设计过程中，还需要注意工艺性、可维护性和可操作性等因素。

2.2.2. 电机控制电路设计：

电机控制电路设计是项目中的一个重要组成部分，电机控制电路包括电机供电电路和控制电路。使用各种电子元器件进行电路板的焊接，以满足电机正反转和停车等要求。

1）. 确定电机类型和规格：首先确定使用的电机类型和技术规格，包括电压、功率、转速等参数，以确保电机控制电路的设计满足实际需求。

2）. 确定控制方式：根据项目需求和电机特性，确定电机的控制方式，如正反转、调速等。根据控制方式，选择适当的控制器，如直流电机控制器、步进电机驱动器等。

3）. 组成电路：根据电机控制需求，根据控制器的输入和输出接口，设计电机控制电路。常见的电路包括电源电路、驱动电路和控制信号电路等。

4）. 电源电路设计：设计电源电路以提供适当的电压和电流给电机和控制器。根据电机和控制器的电源要求，选择合适的电源模块或设计自己的电源电路。

另外还有驱动电路设计、控制信号电路设计、稳定性和保护、 PCB设计和布线、仿真和验证、制造和组装、测试和调试等步骤。

在设计过程中，还需要注意电路的稳定性、响应速度和可靠性等因素。

2.2.3. 单向传动机构：

单向传动机构是指一种能够实现单向运动或传动的机构，也称为单向离合器或单向轴承。它在传递动力时只允许一个方向的旋转或运动，而在另一个方向上则会产生阻力或停止。单向传动机构在该项目中起着关键作用，它由齿轮、单向轴承、轴等机械元件组成。该机构需要具备一定的机械强度和稳定性，以避免在转动过程中出现过大的震动，影响传动效率。

单向传动机构通常由齿轮、单向离合器或轴承、轴、支撑结构等主要部件组成：。

设计单向传动机构时需要考虑到传递的力和扭矩、转速、稳定性、耐久性等方面的要求，并确保选用合适的材料和加工工艺来提供所需的功能和性能。

2.2.4. 发电实验机构：

发电实验机构是用于进行发电实验的装置，通常用于研究发电原理、能量转换和能源利用等相关实验。为了更好地展现实验结果，需要通过明显的实验现象来体现。在稳压电路的控制下，将发电装置与实验灯泡相连接，并连接功率表读取实际功率，以进行校核和比较。

发电实验机构的设计和搭建需要根据具体的发电装置和实验要求进行。在设计过程中，需要考虑电路安全性、设备的稳定性和实验的准确性。同时，还需要遵守相关的安全规范和操作规程，注意人身安全和设备保护。

发电实验机构包括发电装置、稳压电路、实验灯泡、功率测量设备、校核比较设备等。

通过完成这四个部分的设计和搭建，该项目将实现一个能够进行发电实验的装置，并通过相应的控制电路来控制电机的运转和传动机构的传动。

3.结论及意义

能够有效地利用集装箱的下放过程中的能量，减少能源的浪费和排放的减少。在实际应用中，还可以考虑使用能量转化装置，将集装箱下放过程中转化出的能量转化为可存储、可使用的电能或其他形式的能量，从而实现能量的重复利用。同时，还可以考虑与当地的电力公司合作，将储存的能量出售，获得经济和环保的双重效益。

值得注意的是，实际应用中还需要考虑装置的安全可靠性以及与集装箱的完美结合，以确保储存的能源不会影响到集装箱的正常使用和安全。