姚宇宏 劉 彬 曹逸榮

1上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125 2上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海 200314

0 引言

世界范圍內(nèi)各大船東對(duì)于集裝箱碼頭的效率提高有著強(qiáng)烈訴求，為此各大碼頭為爭(zhēng)取更多的船舶?？浚瑥母鱾€(gè)方向著手提高自身的集裝箱裝卸效率。以當(dāng)前的集裝箱發(fā)展趨勢(shì)上看，提高集裝箱裝卸效率最為有效的方式為集裝箱碼頭的自動(dòng)化，這也是未來(lái)碼頭的發(fā)展趨勢(shì)。為了適應(yīng)自動(dòng)化碼頭的發(fā)展需要，碼頭方需要采購(gòu)對(duì)應(yīng)的雙起升岸邊集裝箱起重機(jī)或雙小車(chē)岸邊集裝箱起重機(jī)以便達(dá)到自動(dòng)裝卸集裝箱效率的最優(yōu)解。對(duì)于新碼頭來(lái)說(shuō)，可以在碼頭的設(shè)計(jì)初期予以設(shè)計(jì)、規(guī)劃，問(wèn)題相對(duì)容易解決。對(duì)于老碼頭來(lái)說(shuō)，其基建建造已結(jié)束，設(shè)定的泊位數(shù)的限制導(dǎo)致無(wú)法采購(gòu)新岸橋?qū)ζ浯a頭裝卸進(jìn)行擴(kuò)容并優(yōu)化，故轉(zhuǎn)型為自動(dòng)化碼頭十分困難。然而，分離式上架的出現(xiàn)從一定意義上為老碼頭轉(zhuǎn)型為自動(dòng)化碼頭，提升裝卸效率提供了一個(gè)可行的實(shí)施方案。

1 分離式上架系統(tǒng)工況簡(jiǎn)述

目前，全球分離式上架的主要設(shè)計(jì)生產(chǎn)商有3家，分別為Stinis、Ram 及 ZPMC。以上三家的分離式上架，在機(jī)械構(gòu)成上都包含起升滑輪、吊具連接旋鎖、滑移、上架連接等裝置。裝置在細(xì)節(jié)上又依據(jù)各自的設(shè)計(jì)理念有所不同，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。這方面的內(nèi)容國(guó)內(nèi)有相當(dāng)多的論著對(duì)其詳細(xì)描述。在電氣系統(tǒng)架構(gòu)上，分離上架上的各種信號(hào)基于CAN bus通訊方式，以吊具電纜作為傳輸媒介，將信號(hào)傳輸至主控系統(tǒng)，之后由主控分析信號(hào)，確定上架運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)而達(dá)到對(duì)上架各裝置的控制滿(mǎn)足所需工況要求。分離式上架最為重要的運(yùn)行工況有兩種，分別為單上架模式切換為雙上架模式、雙上架模式切換為單上架模式。具體的形態(tài)形式變化見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 上架初始狀態(tài)

圖2 雙上架模式

1.1 單上架模式切換為雙上架模式

上架初始狀態(tài)如圖1所示，為切換至如圖2所示的雙上架模式。首先由司機(jī)操作起升上升，并運(yùn)行小車(chē)機(jī)構(gòu)至吊具擱架上方，之后起升慢速下降直至吊具完全進(jìn)入擱架，觸發(fā)吊具入框檢測(cè)限位（見(jiàn)圖3）。此時(shí)副上架的主副鎖定液壓缸開(kāi)鎖，脫開(kāi)副上架與吊具之間的機(jī)械連接。主副上架之間的分離液壓缸在確認(rèn)副上架脫開(kāi)的前提下同時(shí)伸出，推動(dòng)副上架向副過(guò)渡架移動(dòng)直至副過(guò)渡架的中間位置，觸發(fā)副上架定位限位。副上架主副鎖定液壓缸執(zhí)行閉鎖指令，機(jī)械上剛性連接副上架與副吊具。另一方面，主上架在確認(rèn)副上架與副吊具連接之后，主上架鎖定液壓缸開(kāi)鎖，伸縮液壓缸執(zhí)行收縮動(dòng)作使主上架移動(dòng)至主過(guò)渡架的中間位置，并再次觸發(fā)鎖定液壓缸執(zhí)行鎖定動(dòng)作，主上架與主吊具達(dá)到剛性連接。最后副上架上的插拔液壓缸執(zhí)行上架插頭自動(dòng)對(duì)接，確保副吊具的正常供電。完成單上架切換至雙上架。其序列指令圖如圖4所示。

圖3 吊具檢測(cè)限位示意圖

圖4 單上架切換為雙上架模式序列指令流程圖

1.2 雙上架模式切換為單上架模式

雙上架模式切換為單上架模式首先由司機(jī)在司機(jī)室內(nèi)按下入框位按鈕，吊具上架在接收到指令后伸縮液壓缸開(kāi)始動(dòng)作，并確保主副上架之間的標(biāo)準(zhǔn)間隙為200 mm（不同項(xiàng)目其設(shè)定值略有不同）；之后由司機(jī)操作起升機(jī)構(gòu)及小車(chē)機(jī)構(gòu)將吊具放入至擱架內(nèi)，觸發(fā)吊具入框檢測(cè)限位。自動(dòng)插拔液壓缸將副吊具電纜插頭拔出，此時(shí)副上架與副過(guò)渡架之間的電源斷開(kāi)。主上架的鎖定液壓缸脫開(kāi)，伸縮液壓缸開(kāi)始伸出使得主上架向遠(yuǎn)離主過(guò)渡架中心位置的方向移動(dòng)直至單吊具鎖定位置，執(zhí)行閉鎖動(dòng)作。另一方面，當(dāng)主上架移動(dòng)至單吊具鎖定位置后，副上架鎖定液壓缸開(kāi)鎖，伸縮液壓缸執(zhí)行縮回動(dòng)作，拖動(dòng)副上架向主過(guò)渡架移動(dòng)直至分離液壓缸收縮至最小位，副上架鎖定液壓缸執(zhí)行閉鎖動(dòng)作。由此，完成雙上架切換至單上架，其序列指令圖如圖5所示。

圖5 雙上架切換為單上架模式序列指令流程圖

1.3 雙上架模式下的其他非標(biāo)工況

為應(yīng)對(duì)集裝箱所放位置的多變性，各大廠家為用戶(hù)提供更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況的各種雙上架工況，除上述過(guò)程中所提到的主副上架之間伸縮工況外，雙上架仍可適應(yīng)由于集裝箱高度偏差導(dǎo)致的高低差工況、由于集裝箱擺放偏差導(dǎo)致的八字工況、由于集裝箱左右擺放偏差導(dǎo)致的特殊工況。以上均為非標(biāo)工況，是否存在需求應(yīng)基于用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況而決定添加與否。圖6為雙上架模式的幾種非標(biāo)工況圖示。

圖6 雙上架模式的幾種非標(biāo)工況

2 分離式上架的應(yīng)用案例分析

青島港自動(dòng)化岸邊集裝箱起重機(jī)所采購(gòu)的是RAM分離式上架系統(tǒng)，而中遠(yuǎn)阿布扎比岸邊集裝箱起重機(jī)所采用的是ZPMC分離式上架系統(tǒng)。相對(duì)而言，以上兩種分離式上架無(wú)論在技術(shù)成熟度上，還是市場(chǎng)占有率上都較高。因此，以這兩個(gè)項(xiàng)目作為分析對(duì)象，對(duì)其共性問(wèn)題進(jìn)行剖析具有一定的典型意義。從實(shí)際應(yīng)用效果看，當(dāng)前兩種產(chǎn)品的共性問(wèn)題在于：

1）由單上架切換至雙上架的自動(dòng)切換過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常切換的問(wèn)題，其影響因素主要是受到機(jī)械制造及環(huán)境變化造成的影響。雖然在機(jī)械設(shè)計(jì)階段，施工圖內(nèi)標(biāo)注有對(duì)應(yīng)的尺寸偏差，但由于受到機(jī)床進(jìn)度、刀具磨損及測(cè)量誤差等因素的影響，導(dǎo)致加工的準(zhǔn)確度無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，其累計(jì)誤差的疊加使單雙上架切換過(guò)程中，出現(xiàn)由于機(jī)械誤差導(dǎo)致切換失敗的問(wèn)題，而環(huán)境變化對(duì)于單雙上架切換的成功率影響更大。阿布扎比所處中東地中海，常年高溫，尤其在夏天其室外體感溫度可達(dá)50℃，地表溫度可達(dá)60℃。在這種高溫環(huán)境下，分離式上架所用潤(rùn)滑油油液的黏性隨著溫度的上升而黏度降低，使得副過(guò)渡架上的潤(rùn)滑油減少。另外，中東是一個(gè)多沙塵的地區(qū)，潤(rùn)滑油液內(nèi)必定混合眾多沙礫。所以，在過(guò)渡架金屬切換面上存有油沙混合物，使分離式上架在執(zhí)行單雙上架切換的過(guò)程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)機(jī)械卡死的情況。對(duì)于以上問(wèn)題，主要應(yīng)對(duì)措施有：

①定期清理軌道上的沙塵，并作潤(rùn)滑保養(yǎng)；

②重新優(yōu)化程序，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)卡死的情況時(shí)，可由司機(jī)在司機(jī)室內(nèi)采取故障復(fù)位的方式，重新進(jìn)行單雙上架切換的流程；

③重新優(yōu)化程序，對(duì)于單雙上架切換性指令可將其脈沖信號(hào)變更為脈沖延時(shí)信號(hào)，延時(shí)1 s。

2）副上架吊具電纜的自動(dòng)插拔是當(dāng)前故障率較集中的區(qū)域。ZPMC分離式上架副上架電纜自動(dòng)插拔設(shè)計(jì)為垂直插拔式，該設(shè)計(jì)方式受到吊具初始狀態(tài)的位置影響。例如：按設(shè)計(jì)要求分離式上架進(jìn)入擱架前，要求主副上架之間的間隙為200 mm，但由于編碼器零位漂移等問(wèn)題使實(shí)際主副上架之間的間隙大于或小于200 mm，故進(jìn)入擱架后的吊具可能出現(xiàn)傾斜擺放的情況。如果繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)插拔，插頭及插座將受到側(cè)向力使插頭變形。在此情況下，如再多次操作電纜的自動(dòng)插拔，將破壞插頭及插座。對(duì)于以上問(wèn)題，當(dāng)前的應(yīng)對(duì)措施有：

①?gòu)脑O(shè)計(jì)源頭抓起，增加位置校對(duì)限位，避免數(shù)據(jù)的獲取唯一性，確保主副上架之間的間隙為200 mm；

②從程序上增加吊具位置自檢測(cè)，即進(jìn)入擱架之前吊具自動(dòng)回標(biāo)準(zhǔn)位置200 mm；

③吊具在非標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí)，禁止司機(jī)發(fā)出單雙上架切換的動(dòng)作指令。

RAM分離式上架的自動(dòng)插拔水平插拔設(shè)計(jì)為水平擺放式，故對(duì)于吊具的初始擺放狀態(tài)無(wú)需限制。

3 分離式上架系統(tǒng)在岸橋架構(gòu)中的技術(shù)要點(diǎn)

對(duì)于老碼頭而言，選擇分離式上架作為自動(dòng)化碼頭轉(zhuǎn)型的系統(tǒng)改造方案，需要注意的重要技術(shù)要點(diǎn)有：

1）配重能力的限制 通常的單起升岸邊集裝箱起重機(jī)，雙箱情況下的額定載重為65 t。額定載重的質(zhì)量限制主要兩方面因素的影響：一是鋼絲繩能承受的拉力，二是機(jī)房?jī)?nèi)起升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。將單起升上架變更為分離式上架前，必須計(jì)算電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩下鋼絲繩所能承受的最大載重，進(jìn)而計(jì)算采用分離式上架時(shí)吊具在單雙箱模式下所能承載的配重情況。結(jié)合碼頭運(yùn)營(yíng)情況，確定是否有必要進(jìn)行分離式上架的變更。由實(shí)際案例可知，分離式上架下單個(gè)吊具的載重在30 t左右，這就意味著分離式上架更適用于空箱較多的碼頭。

2）起升鋼絲繩形態(tài)變化 在單吊具作業(yè)模式時(shí)，小車(chē)架上的起升滑輪與上架滑輪之間形成倒八字形態(tài)，有利于吊具的防扭。將單起升吊具上架變更為分離式上架后，分離式上架在分離液壓缸作用下使滑輪組分離，小車(chē)架上的起升滑輪組與上架上的起升滑輪組間形成圖7所示正八字形態(tài)，該形態(tài)極其不利于吊具穩(wěn)定。

圖7 起升鋼絲繩正八字形態(tài)

為此，有必要增加一套輔助系統(tǒng)用于避免以上情況的發(fā)生。當(dāng)前普遍采用的有兩種解決方案：

①小車(chē)架上的起升滑輪組由固定模式變更為滑移模式，滑輪組的移動(dòng)由變頻電機(jī)控制。該套解決方案的初衷在于確保小車(chē)架滑輪組與分離式上架滑輪組之間形成倒八字。圖8為青島港項(xiàng)目采用的該解決方案。

圖8 青島港項(xiàng)目固定模式變更為滑移模式方案

②在前大梁頭部增加防扭裝置，每套裝置由電機(jī)、減速器、螺桿、傾轉(zhuǎn)動(dòng)作小車(chē)、限位等部件組成。這種裝置具有反應(yīng)時(shí)間短，定位精確的特點(diǎn)，可有效實(shí)現(xiàn)吊具防扭（見(jiàn)圖9）。這種設(shè)計(jì)相較于前者方案，減少了由于小車(chē)震動(dòng)對(duì)電機(jī)編碼器和絕對(duì)值編碼器造成的取值偏差及壽命影響。

圖9 吊具增設(shè)防扭裝置示意圖

3）擱架的配置 一般擱架配置于海側(cè)下橫梁的上方（見(jiàn)圖10），出于單雙上架切換的需求，司機(jī)可直接操作起升及小車(chē)機(jī)構(gòu)將上架放至擱架內(nèi)，進(jìn)行單雙上架切換。對(duì)于老碼頭而言，通常未考慮設(shè)計(jì)有該擱架，故各碼頭需要結(jié)合自身情況考慮是否有必要在海側(cè)下橫梁增加擱架。當(dāng)然，不排除利用拖車(chē)將吊具運(yùn)送至岸邊集裝箱起重機(jī)底下進(jìn)行單雙箱切換的模式。

圖10 擱架的配置于下橫梁的位置

4 結(jié)語(yǔ)

隨著碼頭自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，分離式上架具有價(jià)格便宜，裝卸效率高，改造方便的特點(diǎn)。其后必有廣闊的應(yīng)用前景。