張少杰 雷昌明 郭記倉 胡吉全

1 珠海港控股集團有限公司 2 武漢理工大學物流工程學院

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)是一種典型的港口裝卸機械，配有集裝箱自動吊具的單臂架門座起重機廣泛使用于我國各港口碼頭。目前，由于集裝箱作業(yè)的門機普遍采用手動或半自動吊具作業(yè)，每次操作1個20 ft或40 ft集裝箱，吊裝作業(yè)效率約為20箱/h。近年來，隨著港口企業(yè)集裝箱運量的發(fā)展和服務質(zhì)量的提高，對裝卸設備的要求也越來越高[1-2]。為了提高集裝箱作業(yè)效率，減少人工成本，在原單箱吊具作業(yè)門機的基礎上展開了雙箱吊具作業(yè)門機的研發(fā)。通過對雙吊具門機總體構(gòu)造、起升機構(gòu)、吊具系統(tǒng)、跟隨系統(tǒng)、吊具減搖系統(tǒng)等方面的系統(tǒng)研究和攻關，突破了相關的技術瓶頸，開發(fā)出了可以進行雙箱吊具作業(yè)的新機型。通過新產(chǎn)品實際作業(yè)效果檢驗，表明集裝箱雙吊具單臂架門機方案可行、綜合性能良好，可大幅提高生產(chǎn)效率。

2 總體構(gòu)造

集裝箱雙吊具單臂架門機采用具有高立柱和臂架自重平衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式，鋼絲繩滑輪組水平位移補償，齒輪齒條變幅。起升、變幅補償鋼絲繩倍率比為1∶3，無反向繞繩。四繩承載條件下兼顧吊鉤最大起重量和雙吊具、重載抓斗不同作業(yè)工況要求。

雙吊具單臂架門機的臂架及平衡系統(tǒng)采用了綜合優(yōu)化設計。在確定系統(tǒng)的幾何尺寸時，將起重機的總體布置和系統(tǒng)各構(gòu)件、傳動機構(gòu)的受力作為重要考慮因素，將控制由物品自重所產(chǎn)生的不平衡力矩和由臂架系統(tǒng)自重產(chǎn)生的不平衡力矩所形成的綜合不平衡力矩定為設計目標。設計計算過程中重點考慮了較小工作幅度最大起重量、全幅度吊鉤起重量、雙箱吊具起重量和抓斗起重量等載荷性能的最優(yōu)匹配，保證齒條驅(qū)動力在不同起重載荷、不同幅度工況下的基本均衡，使起重機在各種工況條件下變幅平穩(wěn)、能耗低、工作可靠。圖1為雙吊具單臂架門機外形圖。

圖1 雙吊具單臂架門機

3 起升機構(gòu)

雙吊具單臂架門機的起升機構(gòu)要求驅(qū)動大起重量吊鉤、雙20 ft集裝箱吊具和大型抓斗進行多用途作業(yè)。根據(jù)不同工況起升載荷相差較大的特殊情況，以集裝箱雙箱吊具作業(yè)的起重量和工作速度為基準，利用變頻調(diào)速電機的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩特性，優(yōu)化配置大起重量吊鉤作業(yè)和抓斗作業(yè)的吊重量下所對應的工作速度。在保證電機高低頻覆蓋范圍內(nèi)的輸出能力和效率的條件下，兼顧傳動系統(tǒng)減速器的經(jīng)濟性選型。表1為按8級電機配置的起升機構(gòu)參數(shù)。

表1 起升機構(gòu)參數(shù)配置表

4 吊具系統(tǒng)

雙吊具單臂架門機的吊具系統(tǒng)設計，是能否實現(xiàn)門機雙吊具作業(yè)構(gòu)想的關鍵。在充分調(diào)研和分析了岸橋雙箱吊具和單臂架門機單箱吊具功能和構(gòu)造的基礎上，根據(jù)門機集裝箱裝卸船作業(yè)的要求，提出了門機雙箱吊具的設計方案：采用單吊點上下吊架支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)2個獨立單箱吊具的雙吊具組合,以及雙20 ft吊具的相對移動、20 ft與40 ft吊具伸縮運動之間的靈活裝換。采用力矩自檢測技術，實現(xiàn)雙吊具偏載、傾斜、回轉(zhuǎn)的有效調(diào)平和補償。

4.1 吊具上下吊架結(jié)構(gòu)

門機使用的全自動吊具均為單吊點懸掛方式。單箱吊具與雙箱吊具構(gòu)造的最大不同為吊具的支撐方式：單箱吊具伸縮運動僅為20 ft與40 ft之間的裝換，只有一個相對運動，故不需上架支撐；雙箱吊具由2個獨立的20 ft單箱吊具組合而成，除了20 ft與40 ft吊具伸縮運動之間的轉(zhuǎn)換外，吊具各自還可相對移動，加之雙20 ft吊具同樣有偏載、傾斜、回轉(zhuǎn)等需要調(diào)平和補償，因此采用了上下架結(jié)構(gòu)支撐。

4.2 吊具的回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)

雙箱自動吊具要求具有360°回轉(zhuǎn)功能。借鑒傳統(tǒng)單箱吊具的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，吊具轉(zhuǎn)子通過回轉(zhuǎn)支撐與上下架連接，由電動機或液壓馬達驅(qū)動上下架回轉(zhuǎn)。若采用全自動跟隨的閉環(huán)控制，驅(qū)動單元應選用變頻調(diào)速電動機，并加裝絕對值編碼器。

4.3 信號通訊與保護

吊具與主機的通訊采用PLC主從分站方式采集、控制自動吊具所有動作信號，實現(xiàn)吊具的閉環(huán)控制，吊具使用CAN總線再轉(zhuǎn)profibus總線，有效避免了吊具電纜通訊干擾和斷線等故障，傳輸信號穩(wěn)定可靠，效果超過預期使用要求。

5 跟隨系統(tǒng)

吊具“全自動跟隨”是通過門機回轉(zhuǎn)機構(gòu)和吊具回轉(zhuǎn)機構(gòu)的閉環(huán)控制實現(xiàn)的。在門機回轉(zhuǎn)機構(gòu)和吊具回轉(zhuǎn)機構(gòu)上分別設置2個絕對值編碼器，實時檢測記錄門機及吊具的當前角度，根據(jù)門機回轉(zhuǎn)的任一角度與吊具回轉(zhuǎn)角度的對比，控制吊具自動實時跟隨門機反向回轉(zhuǎn)。由于受電機功率大小及加減速時間等因素的影響，實際工作過程中存在門機和吊具同步回轉(zhuǎn)的小角度誤差(一般在2°左右)。當誤差超過一定值時，通過系統(tǒng)角度補償功能，自動調(diào)整回轉(zhuǎn)跟隨誤差。

門機角度誤差在對箱過程中自動調(diào)整，使之始終保持集裝箱長度方向與碼頭平行方向的偏差小于1.5°，系統(tǒng)調(diào)整時間不大于2 s。圖2為吊具回轉(zhuǎn)自動跟隨效果示意圖。

圖2 吊具回轉(zhuǎn)自動跟隨效果圖

6 減搖系統(tǒng)

集裝箱單臂架門機吊具的搖擺與其本身的構(gòu)造形式密切相關。當門機變幅時，所吊物體始終變速運行，同時懸吊貨物的懸垂鋼絲繩的長度在變幅過程中也在不斷變化，造成貨物在運移過程中始終存在搖擺。單臂架門機工作過程中吊具受多個慣性力的作用，變擺長的搖擺運動規(guī)律復雜，由于受起重機構(gòu)造的限制，采用機械方法難以實現(xiàn)減搖目的。本機采用電子式減搖方案，即通過對回轉(zhuǎn)、變幅機構(gòu)工作過程的追鉤分析，建立吊具的減搖控制模型，吊具鋼絲繩長度采用位置編碼器檢測，吊具回轉(zhuǎn)和變幅的速度、加速度分別通過對機構(gòu)運動狀態(tài)檢測輸入計算模型中而獲得，在此基礎上制定了減搖控制的優(yōu)化方案。經(jīng)試驗驗證，可達到有效控制吊具搖擺的目的。

7 應用效果與經(jīng)濟效益

7.1 實際作業(yè)應用效果

集裝箱雙吊具單臂架門機已于2015年成功應用于珠海港控股集團高欄港區(qū)，經(jīng)過近2年的實際作業(yè)應用，各項技術指標完全達到了預期的要求。

采用雙箱吊具的門機，實現(xiàn)了1次對2個20 ft集裝箱同時裝卸作業(yè)，與傳統(tǒng)集裝箱單吊具門機相比，雙吊具門機的單機平均作業(yè)效率可達30 TEU/h以上，較單機效率同比提升40%～50%。該門機同時可兼顧件雜貨、散貨抓斗等多用途作業(yè)，優(yōu)化了碼頭資源配置，提高了設備利用率，為碼頭開拓多種貨源提供了保障。

7.2 經(jīng)濟效益

將雙箱吊具門機、單箱吊具門機和岸橋作業(yè)及采購情況進行對比，其經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)見表2。

表2 單箱吊具門機、雙箱吊具門機和岸橋的經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)

目前我國內(nèi)貿(mào)集裝箱80%以上都為20 ft箱，門機設備若配置雙箱吊具，綜合作業(yè)效率比單箱快40%～50%，而雙箱門機相對于單箱門機的成本增加僅為30%，效費比為1.12。

使用雙箱岸橋，雖單船作業(yè)效率高，但單次投入和對港池要求較高。而雙箱門機可以同時兼顧作業(yè)集裝箱、件雜貨、散雜貨以及100 t以下的大型構(gòu)件，采購投入性價比高，且門機通用性強，對中小型碼頭適應性更好。綜合來看，對于中小型碼頭，雙箱門機的實用性、性價比、效費比、經(jīng)濟性均優(yōu)于雙箱岸橋。

8 結(jié)語

從總體構(gòu)造、起升機構(gòu)、吊具系統(tǒng)、跟隨系統(tǒng)、吊具減搖系統(tǒng)等方面，介紹了集裝箱雙吊具單臂架門機的關鍵技術。實際作業(yè)應用效果表明，集裝箱雙吊具單臂架門機方案可行、綜合性能良好，可大幅提高生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟效益。