分離式上架在岸邊集裝箱起重機上的應用

姚宇宏 劉 彬 曹逸榮

1上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125 2上海交通職業技術學院 上海 200314

0 引言

世界范圍內各大船東對于集裝箱碼頭的效率提高有著強烈訴求，為此各大碼頭為爭取更多的船舶停靠，從各個方向著手提高自身的集裝箱裝卸效率。以當前的集裝箱發展趨勢上看，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化，這也是未來碼頭的發展趨勢。為了適應自動化碼頭的發展需要，碼頭方需要采購對應的雙起升岸邊集裝箱起重機或雙小車岸邊集裝箱起重機以便達到自動裝卸集裝箱效率的最優解。對于新碼頭來說，可以在碼頭的設計初期予以設計、規劃，問題相對容易解決。對于老碼頭來說，其基建建造已結束，設定的泊位數的限制導致無法采購新岸橋對其碼頭裝卸進行擴容并優化，故轉型為自動化碼頭十分困難。然而，分離式上架的出現從一定意義上為老碼頭轉型為自動化碼頭，提升裝卸效率提供了一個可行的實施方案。

1 分離式上架系統工況簡述

目前，全球分離式上架的主要設計生產商有3家，分別為Stinis、Ram 及 ZPMC。以上三家的分離式上架，在機械構成上都包含起升滑輪、吊具連接旋鎖、滑移、上架連接等裝置。裝置在細節上又依據各自的設計理念有所不同，各有其優缺點。這方面的內容國內有相當多的論著對其詳細描述。在電氣系統架構上，分離上架上的各種信號基于CAN bus通訊方式，以吊具電纜作為傳輸媒介，將信號傳輸至主控系統，之后由主控分析信號，確定上架運行狀態進而達到對上架各裝置的控制滿足所需工況要求。分離式上架最為重要的運行工況有兩種，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。具體的形態形式變化見圖1、圖2。

圖1 上架初始狀態

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。首先由司機操作起升上升，并運行小車機構至吊具擱架上方，之后起升慢速下降直至吊具完全進入擱架，觸發吊具入框檢測限位（見圖3）。此時副上架的主副鎖定液壓缸開鎖，脫開副上架與吊具之間的機械連接。主副上架之間的分離液壓缸在確認副上架脫開的前提下同時伸出，推動副上架向副過渡架移動直至副過渡架的中間位置，觸發副上架定位限位。副上架主副鎖定液壓缸執行閉鎖指令，機械上剛性連接副上架與副吊具。另一方面，主上架在確認副上架與副吊具連接之后，主上架鎖定液壓缸開鎖，伸縮液壓缸執行收縮動作使主上架移動至主過渡架的中間位置，并再次觸發鎖定液壓缸執行鎖定動作，主上架與主吊具達到剛性連接。最后副上架上的插拔液壓缸執行上架插頭自動對接，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在司機室內按下入框位按鈕，吊具上架在接收到指令后伸縮液壓缸開始動作，并確保主副上架之間的標準間隙為200 mm（不同項目其設定值略有不同）；之后由司機操作起升機構及小車機構將吊具放入至擱架內，觸發吊具入框檢測限位。自動插拔液壓缸將副吊具電纜插頭拔出，此時副上架與副過渡架之間的電源斷開。主上架的鎖定液壓缸脫開，伸縮液壓缸開始伸出使得主上架向遠離主過渡架中心位置的方向移動直至單吊具鎖定位置，執行閉鎖動作。另一方面，當主上架移動至單吊具鎖定位置后，副上架鎖定液壓缸開鎖，伸縮液壓缸執行縮回動作，拖動副上架向主過渡架移動直至分離液壓缸收縮至最小位，副上架鎖定液壓缸執行閉鎖動作。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工況

為應對集裝箱所放位置的多變性，各大廠家為用戶提供更適應現場情況的各種雙上架工況，除上述過程中所提到的主副上架之間伸縮工況外，雙上架仍可適應由于集裝箱高度偏差導致的高低差工況、由于集裝箱擺放偏差導致的八字工況、由于集裝箱左右擺放偏差導致的特殊工況。以上均為非標工況，是否存在需求應基于用戶現場作業情況而決定添加與否。圖6為雙上架模式的幾種非標工況圖示。

圖6 雙上架模式的幾種非標工況

2 分離式上架的應用案例分析

青島港自動化岸邊集裝箱起重機所采購的是RAM分離式上架系統，而中遠阿布扎比岸邊集裝箱起重機所采用的是ZPMC分離式上架系統。相對而言，以上兩種分離式上架無論在技術成熟度上，還是市場占有率上都較高。因此，以這兩個項目作為分析對象，對其共性問題進行剖析具有一定的典型意義。從實際應用效果看，當前兩種產品的共性問題在于：

1）由單上架切換至雙上架的自動切換過程中，有時會出現無法正常切換的問題，其影響因素主要是受到機械制造及環境變化造成的影響。雖然在機械設計階段，施工圖內標注有對應的尺寸偏差，但由于受到機床進度、刀具磨損及測量誤差等因素的影響，導致加工的準確度無法達到理想狀態，其累計誤差的疊加使單雙上架切換過程中，出現由于機械誤差導致切換失敗的問題，而環境變化對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50℃，地表溫度可達60℃。在這種高溫環境下，分離式上架所用潤滑油油液的黏性隨著溫度的上升而黏度降低，使得副過渡架上的潤滑油減少。另外，中東是一個多沙塵的地區，潤滑油液內必定混合眾多沙礫。所以，在過渡架金屬切換面上存有油沙混合物，使分離式上架在執行單雙上架切換的過程中時常會出現機械卡死的情況。對于以上問題，主要應對措施有：

①定期清理軌道上的沙塵，并作潤滑保養；

②重新優化程序，當機械出現卡死的情況時，可由司機在司機室內采取故障復位的方式，重新進行單雙上架切換的流程；

③重新優化程序，對于單雙上架切換性指令可將其脈沖信號變更為脈沖延時信號，延時1 s。

2）副上架吊具電纜的自動插拔是當前故障率較集中的區域。ZPMC分離式上架副上架電纜自動插拔設計為垂直插拔式，該設計方式受到吊具初始狀態的位置影響。例如：按設計要求分離式上架進入擱架前，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題使實際主副上架之間的間隙大于或小于200 mm，故進入擱架后的吊具可能出現傾斜擺放的情況。如果繼續進行自動插拔，插頭及插座將受到側向力使插頭變形。在此情況下，如再多次操作電纜的自動插拔，將破壞插頭及插座。對于以上問題，當前的應對措施有：

①從設計源頭抓起，增加位置校對限位，避免數據的獲取唯一性，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，即進入擱架之前吊具自動回標準位置200 mm；

③吊具在非標準位置時，禁止司機發出單雙上架切換的動作指令。

RAM分離式上架的自動插拔水平插拔設計為水平擺放式，故對于吊具的初始擺放狀態無需限制。

3 分離式上架系統在岸橋架構中的技術要點

對于老碼頭而言，選擇分離式上架作為自動化碼頭轉型的系統改造方案，需要注意的重要技術要點有：

1）配重能力的限制 通常的單起升岸邊集裝箱起重機，雙箱情況下的額定載重為65 t。額定載重的質量限制主要兩方面因素的影響：一是鋼絲繩能承受的拉力，二是機房內起升電機的轉矩。將單起升上架變更為分離式上架前，必須計算電機額定轉矩下鋼絲繩所能承受的最大載重，進而計算采用分離式上架時吊具在單雙箱模式下所能承載的配重情況。結合碼頭運營情況，確定是否有必要進行分離式上架的變更。由實際案例可知，分離式上架下單個吊具的載重在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）起升鋼絲繩形態變化 在單吊具作業模式時，小車架上的起升滑輪與上架滑輪之間形成倒八字形態，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，該形態極其不利于吊具穩定。

圖7 起升鋼絲繩正八字形態

為此，有必要增加一套輔助系統用于避免以上情況的發生。當前普遍采用的有兩種解決方案：

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

圖8 青島港項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、減速器、螺桿、傾轉動作小車、限位等部件組成。這種裝置具有反應時間短，定位精確的特點，可有效實現吊具防扭（見圖9）。這種設計相較于前者方案，減少了由于小車震動對電機編碼器和絕對值編碼器造成的取值偏差及壽命影響。

圖9 吊具增設防扭裝置示意圖

3）擱架的配置 一般擱架配置于海側下橫梁的上方（見圖10），出于單雙上架切換的需求，司機可直接操作起升及小車機構將上架放至擱架內，進行單雙上架切換。對于老碼頭而言，通常未考慮設計有該擱架，故各碼頭需要結合自身情況考慮是否有必要在海側下橫梁增加擱架。當然，不排除利用拖車將吊具運送至岸邊集裝箱起重機底下進行單雙箱切換的模式。

圖10 擱架的配置于下橫梁的位置

4 結語

隨著碼頭自動化的發展趨勢，分離式上架具有價格便宜，裝卸效率高，改造方便的特點。其后必有廣闊的應用前景。