一種新型集裝箱吊具結構的研究

陳俊 蘇永彬 張藝明 連厚泉

摘 ?要：該文通過介紹一種新型的港口岸橋吊臂結構以及與之配套的集裝箱結構，解決了當下集裝箱吊運過程中的對位環節難度高的問題，并且提出了一種轉換結構，在提高對位環節容錯率的基礎上，降低了海風對岸橋整體的影響。并且對該結構的尺寸關系和受力情況作了簡要的說明，最后利用3D打印技術制作出該結構的模型，完成實驗。該結構可以降低吊臂與集裝箱對位環節自動化的門檻，為港口作業實現全面自動化提供了另一種解決辦法。

關鍵詞：港口;岸橋;集裝箱;吊臂;自動化

中圖分類號：TH21 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

隨著物流和交通運輸業的發展，加之以經濟全球化背景下各國間商品的流通越來越頻繁，各大港口的吞吐量均在不斷創新高。據統計，2018年沿海港口吞吐量已達到94.4億噸， 同比增長4.2%，預計2019年也將呈現增長的趨勢。港口作為海運和路運的中轉站，在全球資源配置中發揮著重要作用，港口建設也成為各沿海國家的重點工程項目之一。

集裝箱作為貨物運輸的重要載體，已成了國際通用的運輸方式，港口的作業方式也在向高度自動化發展。包括廈門港、青島港和上海港在內的眾多國內港口都在致力于“無人碼頭”的建設，并取得了一系列的成果。自動化碼頭建設是實現港口轉型升級、提高核心競爭力和提升港口形象的重要途徑。象2017年12月10日投入運營的上海洋山深水港四期自動化碼頭，是全球規模最大，自動化程度最高的集裝箱碼頭，成為業界標桿。自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統主要由碼頭裝卸、堆場裝卸和水平運輸3個作業環節組成。其中，關于水平運輸自動化，目前許多港口已經能利用AGV技術以及無人駕駛技術實現。但是對于碼頭裝卸環節，目前仍無法實現完全的自動化，主要原因在于岸橋與集裝箱的對位環節控制難度很大。

集裝箱的裝卸速度是評估集裝箱碼頭裝卸作業效率的重要因素。在作業設備有限的情況下只有提高作業效率才能滿足日益增長的港口吞吐量要求。當下雖然自動化集裝箱碼頭岸橋作業的大部分環節可以由設備自動完成， 但是對位環節仍需要作業人員手動控制。一方面，由于海上作業受海風影響大，且岸橋底部吊具與岸橋主體采用柔性的鋼絲繩連接，當海風較大時，容易產生晃動，不利于對準。另一方面，由于吊具與集裝箱的連接處尺寸較小，導致容錯率不高，同樣不利于對集裝箱的抓取。因此即使是對于經驗豐富的岸橋司機，往往也需要幾次嘗試才能成功“捕獲”到集裝箱，雖然當下許多港口開發了岸橋吊裝的遠程操作方式，但是實用性不高，重點是仍未擺脫人類的干涉，仍未實現完全自動化。

1 系統結構組成

該文提出的吊具結構由2個部分組成，包括捕獲固定集裝箱的吊臂結構以及吊繩“軟”和“硬”切換的轉換結構。相應地，為了適應這種結構，該文也提出了一種集裝箱結構來與之配套。

1.1 集裝箱結構

為了適應該文提出的吊具結構，首先提出一種集裝箱結構，如圖1所示。箱體為正方體或長方體，在箱體頂部中心處有一圓柱狀的凹槽，凹槽頂部有一圈“鑲邊”，可理解為在箱體頂端挖了2個圓柱形的洞，先挖一個直徑較小的圓柱形的洞，再在此基礎上繼續向下挖一個直徑略大一點的圓柱形的洞。這個凹槽主要用于吊具與集裝箱的固定，吊具插入凹槽中，經過相關操作后，可使集裝箱固定在吊具上，進而將集裝箱吊起。

通過剖面圖可以看出，集裝箱結構在為吊臂提供“捕獲點”的前提下雖然犧牲了一個圓柱形的空間，但是由于空間較小，因此對集裝箱的容積影響在可接受范圍。此外由于“捕獲點”是內凹的，不會影響箱體外表面的平整性，因此不會影響集裝箱的堆疊。

1.2 吊臂結構

為了加大對集裝箱裝卸的對位環節的容錯率，降低對位操作自動化的門檻，該文提供了一種新型的可橫向伸縮的吊臂結構，吊臂主體結構3D模型如圖2所示，整體形狀為下小上大的筒狀結構。下端直徑較小，有利于結構插入集裝箱頂端的圓柱形凹槽中，上端直徑較大，有利于對集裝箱的固定，減小其橫向晃動。適用于圖1所示的集裝箱。

拆解后的視圖如圖3所示。整個吊臂分4個部分，從圖3的左上到右下分別是底部封閉頭，滑塊、滑桿以及主體構件。其中滑塊中心有一直徑與滑桿相同的小孔，滑塊可套入滑桿中，并且在滑桿上滑動。滑塊邊緣有6根金屬小桿，用于支撐集裝箱上的凹槽的內壁，固定集裝箱。主體末端的設計直徑較小，有利于與底部封閉蓋契合，并且有6個縫，便于滑塊的放入以及對金屬小桿進行一定的限位。

滑塊上用柔性繩綁住6根金屬小桿，如圖4（右）所示，使其能夠在垂直視圖方向沿固定點轉動。滑塊中心圓孔邊緣分布有6個小孔，用于固定金屬小桿以及滑塊的牽引繩。主體構件頂部視圖如圖5所示，牽引繩分上下兩頭，上頭穿過主體構件頂部的小孔引出，下頭繞過底部一滑輪，使其轉向180°，又穿過滑塊上的其中一個小孔，從主體構件的另一小孔引出，如此一來，引出的2條繩一收一拉，即可使滑塊在滑桿上進行上下滑動。底部封閉蓋底端中心有一小孔，其直徑與滑桿相同，用于固定金屬滑桿。小孔旁有一滑輪，用于滑塊牽引繩的“掉頭”，如圖4（右）所示。

由于主體構件上的6個細長的限位縫限制了滑塊在滑桿上的滑動路程，使6根金屬小桿在主體構件上呈現“張開”或“收起”的狀態。當主體構件頂部與滑塊下頭相連的牽引繩向外拉，另一根牽引繩向里收時，滑塊向底部封閉蓋方向滑動，由于限位縫的限制，金屬小桿與滑桿的夾角將減小，導致6根金屬小桿外端相連構成的圓直徑變小，方便吊臂進入集裝箱凹槽固定口。相反地，當主體構件頂部與滑塊上頭相連的牽引繩向外拉，另一根牽引繩向里收時，滑塊向主體構件頂部方向滑動，金屬小桿與滑桿的夾角將增大，導致6根金屬小桿外端相連構成的圓直徑變大，6根金屬小桿就卡住了集裝箱凹槽固定口。因此只需將2根牽引繩繞在一滾輪上并將其固定在大扭力的電動機上，電動機轉動時就可以實現一頭收，一頭拉的效果，實現金屬小桿的橫向伸縮，進而固定或者松開集裝箱。

1.3 轉換結構

岸橋主體與吊具之間是采用柔性的吊繩連接的，所以吊具會在海風的影響下擺動，從而給對位環節帶來很大的困難。然而吊具的連接線不能采用硬性的結構，象采用硬性結構，海風對集裝箱的影響會波及整個岸橋，甚至是駕駛艙。如果能設計一種控制吊繩實現“軟”和“硬”的切換的裝置，那么上述的2個問題將得到解決。如此一來，在下吊具時，切換到硬性結構，此時吊具上還沒有加上集裝箱的重量，受海風干擾不大，其晃動范圍和受力在可以接受的范圍，但是對位的準確率大大提高。在捕獲到集裝箱后切換到軟性結構，這樣便可減少海風對整體岸橋的影響。

該文提出的這種轉換結構如圖6所示，主要包括下端凸起結構、上端凹槽結構、鋼繩和電動機。其中凸起的直徑比凹槽的直徑略小，提高容錯率，在電動機轉動時，下端凸起上升，與上端凹槽契合，實現吊繩由“軟”轉“硬”，電動機反轉時，凸起下降，與上端凹槽分離，實現由“硬”轉“軟”。

2 各構件尺寸關系

吊臂結構主要包括4個部分：底部封閉蓋，滑塊，滑桿以及主體構件，其主要參數定義見表1。

主體構件與底部封閉蓋不設計為一體，目的在于方便滑桿和滑塊的安裝。由于滑塊上有6根金屬小桿，因此在主體構件底部有6個對應的細長的縫隙。主體構件與底部封閉蓋最終應契合在一起，所以應滿足關系R1=R3。滑桿穿入滑塊中心小孔，使滑塊可以在滑桿中滑動，所以應滿足關系R2=r2。而滑桿由主體構件頂部圓孔和底部封閉蓋中心圓孔固定，所以應滿足關系r4=r1=R2。主體構件底部的六個細縫用于限制滑塊上的六根金屬小桿，所以應滿足關系r3<d。假設集裝凹槽半徑為R（凹槽頂部的“鑲邊”尺寸較小，可先忽略），則要求有R5>=R，R4<R并且R6比R小的多。在這些尺寸的約束下，吊臂才能順利安裝，并且與集裝箱良好地結合，提高容錯率。

對于轉換結構，下端凸起和上端凹槽的長度應相等，并且為了提高容錯率，上端凹槽的半徑應比下端凸起的半徑稍大。

3 簡要受力分析

此結構將集裝箱吊起后，集裝箱的重力以及其他阻力都將由吊臂上的六根金屬小桿承受。圖7是金屬小桿與集裝箱頂部凹槽接觸點的剖面圖，從圖中可以清晰地看到吊起集裝箱后金屬小桿的位置狀態。6根金屬小桿頂住凹槽的內壁，凹槽頂部的突出來的“鑲邊”限制了金屬小桿的滑出。金屬小桿將集裝箱的重力傳遞到了滑塊上，由于6根金屬小桿的對稱性，滑塊受到的橫向力相互抵消，只有受到豎直向下的力。滑塊上的牽引繩將承受這一豎直向下的力，而牽引繩是由電動機提供拉力的，因此電動機的扭矩要夠大，另外牽引繩也要足夠牢固。

對于轉換結構，它的受力則比較簡單，只受到了向下的拉力。但是集裝箱吊起后，轉換結構需要變“軟”，這時如果有海風造成集裝箱何吊臂的晃動或者擺動，那么轉換結構將需要為其提供擺動的向心力。因此轉換結構上的吊繩受力會比吊臂的牽引繩大一些，那么其電動機的扭矩也要相應大一些。

4 實際吊裝實驗

該次實驗將采用3D打印的吊臂結構進行實物測試，其中底部封閉蓋、滑塊以及主體構件均采用3D打印得到，而滑桿則是由鋁合金光軸代替，金屬小桿則用大號的繡花針代替，頂部電動機用一個小舵機代替，組裝完成后的效果如圖8（左）所示。集裝箱采用紙箱代替，在上方制作一個圓柱形凹槽，如圖8（右）所示。如此一來，控制舵機的轉動，即可改變滑塊在滑桿上的位置，控制金屬小桿的張開或收起，進而使吊臂與箱體固定或者分離，實現預期功能。

該次實驗采用STM32F103C8T6作為主控，輸出一路PWM控制舵機，周期為20 ms，占空比為1.36 ms和1.90 ms，其中占空比為1.36 ms時金屬小桿最大限度地收起，此時可以順利插入集裝箱，占空比為1.90 ms時，金屬小桿撐開到與集裝箱凹槽的直徑相同，此時可以順利地將集裝箱吊起。圖9為吊臂插入集裝箱凹槽后控制舵機撐開金屬小桿，將其吊起的效果圖。

5 結論

港口集裝箱吊運的對位環節在集裝箱吊運過程中非常容易受干擾，也是難度非常大的步驟，這也在很大程度上限制了集裝箱吊運自動化的發展。該文通過提出一種新型的岸橋吊臂結構以及與之配套的集裝箱結構，大大降低了對位環節的難度。并且通過實際的吊裝實驗，驗證了該方案的可行性。該文提出的吊臂結構和轉換結構結合能夠大大提高對位環節的容錯率，同時轉換結構的存在可以減小吊臂硬性結構帶來的受海風影響大的問題。如果此結構得到應用，將可以攻破港口作業全自動化的“最后一公里”，促進港口實現完全自動化。

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