雙吊具單臂架門座起重機(jī)研發(fā)

張少杰 雷昌明 郭記倉 胡吉全

1 珠海港控股集團(tuán)有限公司 2 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

1 引言

門座起重機(jī)(以下簡稱門機(jī))是一種典型的港口裝卸機(jī)械，配有集裝箱自動(dòng)吊具的單臂架門座起重機(jī)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(jī)普遍采用手動(dòng)或半自動(dòng)吊具作業(yè)，每次操作1個(gè)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(yùn)量的發(fā)展和服務(wù)質(zhì)量的提高，對(duì)裝卸設(shè)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(jī)的基礎(chǔ)上展開了雙箱吊具作業(yè)門機(jī)的研發(fā)。通過對(duì)雙吊具門機(jī)總體構(gòu)造、起升機(jī)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(guān)，突破了相關(guān)的技術(shù)瓶頸，開發(fā)出了可以進(jìn)行雙箱吊具作業(yè)的新機(jī)型。通過新產(chǎn)品實(shí)際作業(yè)效果檢驗(yàn)，表明集裝箱雙吊具單臂架門機(jī)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(jī)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(bǔ)償，齒輪齒條變幅。起升、變幅補(bǔ)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(jī)的臂架及平衡系統(tǒng)采用了綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。在確定系統(tǒng)的幾何尺寸時(shí)，將起重機(jī)的總體布置和系統(tǒng)各構(gòu)件、傳動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)計(jì)算過程中重點(diǎn)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(dòng)力在不同起重載荷、不同幅度工況下的基本均衡，使起重機(jī)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(jī)外形圖。

圖1 雙吊具單臂架門機(jī)

3 起升機(jī)構(gòu)

雙吊具單臂架門機(jī)的起升機(jī)構(gòu)要求驅(qū)動(dòng)大起重量吊鉤、雙20 ft集裝箱吊具和大型抓斗進(jìn)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(zhǔn)，利用變頻調(diào)速電機(jī)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(duì)應(yīng)的工作速度。在保證電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)減速器的經(jīng)濟(jì)性選型。表1為按8級(jí)電機(jī)配置的起升機(jī)構(gòu)參數(shù)。

表1 起升機(jī)構(gòu)參數(shù)配置表

4 吊具系統(tǒng)

雙吊具單臂架門機(jī)的吊具系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是能否實(shí)現(xiàn)門機(jī)雙吊具作業(yè)構(gòu)想的關(guān)鍵。在充分調(diào)研和分析了岸橋雙箱吊具和單臂架門機(jī)單箱吊具功能和構(gòu)造的基礎(chǔ)上，根據(jù)門機(jī)集裝箱裝卸船作業(yè)的要求，提出了門機(jī)雙箱吊具的設(shè)計(jì)方案：采用單吊點(diǎn)上下吊架支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)獨(dú)立單箱吊具的雙吊具組合,以及雙20 ft吊具的相對(duì)移動(dòng)、20 ft與40 ft吊具伸縮運(yùn)動(dòng)之間的靈活裝換。采用力矩自檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙吊具偏載、傾斜、回轉(zhuǎn)的有效調(diào)平和補(bǔ)償。

4.1 吊具上下吊架結(jié)構(gòu)

門機(jī)使用的全自動(dòng)吊具均為單吊點(diǎn)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(yùn)動(dòng)僅為20 ft與40 ft之間的裝換，只有一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故不需上架支撐；雙箱吊具由2個(gè)獨(dú)立的20 ft單箱吊具組合而成，除了20 ft與40 ft吊具伸縮運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換外，吊具各自還可相對(duì)移動(dòng)，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(bǔ)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(dòng)系統(tǒng)

雙箱自動(dòng)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(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)上下架回轉(zhuǎn)。若采用全自動(dòng)跟隨的閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)選用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，并加裝絕對(duì)值編碼器。

4.3 信號(hào)通訊與保護(hù)

吊具與主機(jī)的通訊采用PLC主從分站方式采集、控制自動(dòng)吊具所有動(dòng)作信號(hào)，實(shí)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(hào)穩(wěn)定可靠，效果超過預(yù)期使用要求。

5 跟隨系統(tǒng)

吊具“全自動(dòng)跟隨”是通過門機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和吊具回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的。在門機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和吊具回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上分別設(shè)置2個(gè)絕對(duì)值編碼器，實(shí)時(shí)檢測記錄門機(jī)及吊具的當(dāng)前角度，根據(jù)門機(jī)回轉(zhuǎn)的任一角度與吊具回轉(zhuǎn)角度的對(duì)比，控制吊具自動(dòng)實(shí)時(shí)跟隨門機(jī)反向回轉(zhuǎn)。由于受電機(jī)功率大小及加減速時(shí)間等因素的影響，實(shí)際工作過程中存在門機(jī)和吊具同步回轉(zhuǎn)的小角度誤差(一般在2°左右)。當(dāng)誤差超過一定值時(shí)，通過系統(tǒng)角度補(bǔ)償功能，自動(dòng)調(diào)整回轉(zhuǎn)跟隨誤差。

門機(jī)角度誤差在對(duì)箱過程中自動(dòng)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(shí)間不大于2 s。圖2為吊具回轉(zhuǎn)自動(dòng)跟隨效果示意圖。

圖2 吊具回轉(zhuǎn)自動(dòng)跟隨效果圖

6 減搖系統(tǒng)

集裝箱單臂架門機(jī)吊具的搖擺與其本身的構(gòu)造形式密切相關(guān)。當(dāng)門機(jī)變幅時(shí)，所吊物體始終變速運(yùn)行，同時(shí)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(yùn)移過程中始終存在搖擺。單臂架門機(jī)工作過程中吊具受多個(gè)慣性力的作用，變擺長的搖擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，由于受起重機(jī)構(gòu)造的限制，采用機(jī)械方法難以實(shí)現(xiàn)減搖目的。本機(jī)采用電子式減搖方案，即通過對(duì)回轉(zhuǎn)、變幅機(jī)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(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測輸入計(jì)算模型中而獲得，在此基礎(chǔ)上制定了減搖控制的優(yōu)化方案。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可達(dá)到有效控制吊具搖擺的目的。

7 應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)效益

7.1 實(shí)際作業(yè)應(yīng)用效果

集裝箱雙吊具單臂架門機(jī)已于2015年成功應(yīng)用于珠海港控股集團(tuán)高欄港區(qū)，經(jīng)過近2年的實(shí)際作業(yè)應(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到了預(yù)期的要求。

采用雙箱吊具的門機(jī)，實(shí)現(xiàn)了1次對(duì)2個(gè)20 ft集裝箱同時(shí)裝卸作業(yè)，與傳統(tǒng)集裝箱單吊具門機(jī)相比，雙吊具門機(jī)的單機(jī)平均作業(yè)效率可達(dá)30 TEU/h以上，較單機(jī)效率同比提升40%～50%。該門機(jī)同時(shí)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(shè)備利用率，為碼頭開拓多種貨源提供了保障。

7.2 經(jīng)濟(jì)效益

將雙箱吊具門機(jī)、單箱吊具門機(jī)和岸橋作業(yè)及采購情況進(jìn)行對(duì)比，其經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)見表2。

表2 單箱吊具門機(jī)、雙箱吊具門機(jī)和岸橋的經(jīng)濟(jì)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(jī)設(shè)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(jī)相對(duì)于單箱門機(jī)的成本增加僅為30%，效費(fèi)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(duì)港池要求較高。而雙箱門機(jī)可以同時(shí)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?fù)度胄詢r(jià)比高，且門機(jī)通用性強(qiáng)，對(duì)中小型碼頭適應(yīng)性更好。綜合來看，對(duì)于中小型碼頭，雙箱門機(jī)的實(shí)用性、性價(jià)比、效費(fèi)比、經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于雙箱岸橋。

8 結(jié)語

從總體構(gòu)造、起升機(jī)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(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際作業(yè)應(yīng)用效果表明，集裝箱雙吊具單臂架門機(jī)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(jì)效益。