上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

世界貿(mào)易約90%的航運(yùn)業(yè)務(wù)通過(guò)水運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，港口在國(guó)際貿(mào)易和國(guó)際物流中發(fā)揮著重要作用[1]。隨著世界全自動(dòng)化碼頭的發(fā)展浪潮越來(lái)越高，全自動(dòng)化軌道吊的發(fā)展也越來(lái)越快。全自動(dòng)化軌道吊作為堆場(chǎng)裝卸集裝箱的重要設(shè)備，對(duì)碼頭的高效生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，而作為軌道吊三大機(jī)構(gòu)之一的小車機(jī)構(gòu)，更是對(duì)碼頭堆場(chǎng)堆箱精度有著直接影響。如何改進(jìn)傳統(tǒng)的四繩及八繩小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使小車機(jī)構(gòu)更加高效、穩(wěn)定、環(huán)保，順應(yīng)自動(dòng)化碼頭的發(fā)展潮流，成為世界各大碼頭及重工企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

在分析傳統(tǒng)軌道吊小車機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前技術(shù)發(fā)展程度和港口行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，提出一種新型軌道吊全功能小車機(jī)構(gòu)，分析了全功能小車的機(jī)構(gòu)組成和關(guān)鍵技術(shù)，并與傳統(tǒng)軌道吊小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，為自動(dòng)化軌道吊的技術(shù)提升和未來(lái)行業(yè)的發(fā)展提供了參考。

2 傳統(tǒng)軌道吊小車機(jī)構(gòu)分析

對(duì)于碼頭的實(shí)際生產(chǎn)而言，軌道吊小車機(jī)構(gòu)的安全穩(wěn)定性、高效節(jié)能性、維保易簡(jiǎn)性是碼頭最為關(guān)注的3個(gè)方面。傳統(tǒng)軌道吊小車機(jī)構(gòu)主要為八繩小車機(jī)構(gòu)，雖然其在起升下降吊箱過(guò)程中的防搖性能和雙向平移微動(dòng)功能表現(xiàn)優(yōu)異，但隨著時(shí)間的推移，八繩系統(tǒng)也逐漸表現(xiàn)出了許多難以解決的問(wèn)題。

八繩小車機(jī)構(gòu)最突出的缺點(diǎn)是小車自重較大和由此引發(fā)的設(shè)備運(yùn)行能耗高、整機(jī)輪壓大的問(wèn)題，不利于碼頭經(jīng)營(yíng)成本的降低以及環(huán)保節(jié)能。此外，維護(hù)保養(yǎng)空間狹小、鋼絲繩壽命短也是八繩小車機(jī)構(gòu)的重要問(wèn)題。任何做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的器械在工作的過(guò)程中都會(huì)受到一定損傷[2]，需要維保人員定期保養(yǎng)。由于八繩小車自身結(jié)構(gòu)的限制，港口工作人員對(duì)其的維護(hù)保養(yǎng)需要在狹小的小車空間中進(jìn)行，其耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)也易引發(fā)安全事故，碼頭實(shí)際使用過(guò)程中用戶體驗(yàn)感差。此外，該機(jī)型在吊具傾轉(zhuǎn)方面尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)，令該機(jī)型的應(yīng)用存在諸多限制。

3 自動(dòng)化軌道吊全功能小車的改進(jìn)及關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 全功能小車防搖的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化軌道吊全功能小車必須具有優(yōu)異的防搖性能：要求小車方向停車后測(cè)試，2.5個(gè)循環(huán)后小于±50 mm擺幅。為了減輕小車的重量，原有的八繩起升機(jī)構(gòu)被拆解成2套，分別位于小車的左右，并且去除了為數(shù)眾多的起升滑輪。

為了實(shí)現(xiàn)防搖，在小車前后共布置了4套輔助卷筒裝置，采用三合一機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)，在起升高度發(fā)生變化時(shí)對(duì)輔助繩的長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償，并提供防搖力矩。在小車帶載運(yùn)行加速和減速段都對(duì)前后防搖繩的力矩進(jìn)行給定，小車停車前對(duì)吊載進(jìn)行干預(yù)，減小吊載初始晃動(dòng)量，并在小車停止運(yùn)行后以最短時(shí)間完成對(duì)吊載晃動(dòng)的消除。具體防搖力矩的給定是根據(jù)起重量和起升高度計(jì)算得出，并在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況的不同進(jìn)行PID調(diào)節(jié)來(lái)確定的，通過(guò)多次微調(diào)后，達(dá)到最佳防搖效果。

3.2 全功能小車吊具姿態(tài)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)

考慮到起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)起著承受各種載荷的作用[3]，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各工況進(jìn)行空間解析，力求準(zhǔn)確計(jì)算和模擬輔助鋼絲繩在吊具姿態(tài)調(diào)整時(shí)的各種載荷和最大載荷。這些載荷通過(guò)輔助機(jī)構(gòu)卷筒的運(yùn)動(dòng)傳遞到吊具上架滑輪上，使吊具產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)吊具姿態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

3.3 全功能小車小車機(jī)構(gòu)糾偏的實(shí)現(xiàn)

在全自動(dòng)小車設(shè)計(jì)中采用了2套起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，較好地平衡了輪壓，減少了小車驅(qū)動(dòng)瞬間的不平衡力矩輸出，消除小車初始跑偏，解決傳統(tǒng)軌道吊單套起升機(jī)構(gòu)造成小車重心不平衡，引起小車走偏的狀況。小車的位置測(cè)定同時(shí)采用絕對(duì)值編碼器與機(jī)械限位，確保小車的位置準(zhǔn)確、安全。

3.4 全功能小車鋼絲繩壽命延長(zhǎng)的實(shí)現(xiàn)

在全自動(dòng)小車設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)主起升鋼絲繩壽命較短和小車上維護(hù)空間較小的問(wèn)題進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)思考。傳統(tǒng)的八繩小車由于繞繩系統(tǒng)復(fù)雜，需要在小車上共布置12個(gè)主起升滑輪來(lái)導(dǎo)向，降低了鋼絲繩的使用壽命，且復(fù)雜的布置方式占據(jù)了小車中部大量的空間，使得換繩等日常操作很難進(jìn)行。本小車起升鋼絲繩繞出卷筒后直接穿至上架經(jīng)一個(gè)滑輪后返回小車固定，將鋼絲繩更換步驟大大簡(jiǎn)化，同時(shí)可延長(zhǎng)起升鋼絲繩的使用壽命大約1.5倍。

4 自動(dòng)化軌道吊全功能小車的機(jī)構(gòu)組成

本次軌道吊全功能小車的設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)的軌道吊八繩小車機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，從實(shí)際生產(chǎn)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題出發(fā)，針對(duì)八繩小車的缺點(diǎn)及關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)，得出新型全功能小車的機(jī)構(gòu)組成。

軌道吊全功能小車主要由3部分組成，分別為起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和輔助控制機(jī)構(gòu)。其中，起升機(jī)構(gòu)包含2套獨(dú)立的起升機(jī)構(gòu)，每套均含1臺(tái)電機(jī)、1臺(tái)減速箱、2臺(tái)高速制動(dòng)器、1臺(tái)鋼絲繩卷筒、1只卷筒軸承座；小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)包含4套立式安裝的三合一減速電機(jī)，其中1臺(tái)電機(jī)尾部帶增量編碼器；輔助控制機(jī)構(gòu)包含4套輔助控制機(jī)構(gòu)，每套含1臺(tái)三合一減速電機(jī)和1只輔助卷筒。全功能小車見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)化軌道吊全功能小車

5 全功能小車與傳統(tǒng)小車的對(duì)比分析

5.1 全功能小車的優(yōu)點(diǎn)

全功能小車的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為八繩小車，其在設(shè)計(jì)過(guò)程中吸取了八繩小車防搖性能和雙向平移微動(dòng)功能表現(xiàn)優(yōu)異的長(zhǎng)處，并針對(duì)八繩小車的不足之處進(jìn)行了改造，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)小車運(yùn)行不易走偏。因整體對(duì)稱布置，小車輪壓均衡，可降低車輪磨損，改善小車走偏和啃軌。

(2)整機(jī)、大車自重輕，能耗低。整機(jī)重量減輕至約136 t，大車輪壓相比八繩輪壓降低約15%，減輕碼頭軌道負(fù)荷。

(3)維護(hù)保養(yǎng)方便。小車上部空間寬大，便于維保工作在小車架上表面進(jìn)行。

(4)構(gòu)造簡(jiǎn)潔緊湊，減少了備件種類。

5.2 全功能小車與其與傳統(tǒng)小車的對(duì)比分析

全功能小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的四繩、八繩小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，更多地考慮到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，因此其使用體驗(yàn)性更好。同時(shí)，全功能小車接口全面，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)化，與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)型小車接口一致，采用模塊化設(shè)計(jì)，參數(shù)配置齊全，電控配置可適應(yīng)各主要電控系統(tǒng)。

5.2.1 防搖對(duì)比

全功能小車在減輕自重的前提下，防搖性能與八繩小車一致，優(yōu)于四繩小車，見(jiàn)表1。

表1 防搖性能對(duì)比

5.2.2 能耗對(duì)比

單個(gè)起升大功率電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性遠(yuǎn)超過(guò)2個(gè)起升小電機(jī)功率之和，因此回轉(zhuǎn)加速功率浪費(fèi)較多。全功能小車能耗表現(xiàn)優(yōu)異，相比八繩小車能耗降低12%以上，見(jiàn)表2。

表2 防搖性能對(duì)比

5.2.3 自重對(duì)比

全功能小車自重最多可降低32.5%，可降低對(duì)碼頭堆場(chǎng)設(shè)計(jì)承載能力的要求，進(jìn)一步節(jié)省堆場(chǎng)建設(shè)費(fèi)用，見(jiàn)表3。

表3 自重對(duì)比

5.2.4 使用成本對(duì)比

全功能小車可大大減少鋼絲繩長(zhǎng)度，相比八繩小車使用成本降低55%以上，見(jiàn)表4。

表4 使用成本對(duì)比

5.2.5 鋼絲繩壽命對(duì)比

機(jī)械八繩防搖系統(tǒng)由于鋼絲繩纏繞方式原因，鋼絲繩夾角引起扭矩大造成鋼絲繩壽命短。全功能小車鋼絲繩壽命表現(xiàn)優(yōu)異，維護(hù)良好情況下，操作箱量達(dá)13.5萬(wàn)TEU，見(jiàn)表5。

表5 鋼絲繩壽命對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化碼頭的發(fā)展，傳統(tǒng)軌道吊四繩小車、八繩小車存在的運(yùn)行能耗高、整機(jī)輪壓大、維保工作量大、吊具無(wú)法傾轉(zhuǎn)等問(wèn)題愈加明顯。結(jié)合小車機(jī)構(gòu)優(yōu)化的迫切需求，在改良原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種新型全功能小車，實(shí)現(xiàn)了防搖、吊具姿態(tài)調(diào)整、小車機(jī)構(gòu)糾偏等關(guān)鍵功能，并在防搖、能耗、自重、成本、鋼絲繩壽命等方面與傳統(tǒng)小車進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，全功能小車在各方面均表現(xiàn)更為優(yōu)異。本文所設(shè)計(jì)的全功能小車，已應(yīng)用于上海港洋山深水港四期自動(dòng)化軌道吊中，運(yùn)行效果良好。