一種單起升全自動可分離上架的設計及應用

徐 坤

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 201314

0 引言

隨著世界經濟和全球化貿易的發展，全球集運網絡不斷發展和完善，各航運公司更加全力地推進集裝箱船舶的大型化，以求降低單位運輸成本，提升整體運力和市場競爭力，世界最大集裝箱船的裝載記錄不斷被打破，10 000 TEU、18 000 TEU、20 568 TEU、23 964 TEU。伴隨著集裝箱船運載能力的不斷提升，港口作業效率的適應性成為了各港口能否為船運公司節約成本，吸引到大型集裝箱船靠泊的關鍵因素之一。

岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）的作業效率一直以來都是港口運行效率的核心要素，其效率高低直接影響著整個港口的裝卸能力，通過提高岸橋起升速度和小車運行速度來提升作業效率的方式已經到達了瓶頸，未來可提升空間已相對有限。集裝箱吊具上架（以下簡稱上架）作為岸橋的最關鍵執行部件之一，一直以來是有望大幅提升岸橋整體作業效率非常關鍵的突破口。

在傳統四滑輪上架的基礎上先后演變出了平移上架、雙40 英尺上架等多種類型產品，旨在提升岸橋的整體作業效率。這些產品尚存在亟待解決的難題：1）岸橋大車移動效率低、能耗高；2）集裝箱擺放不整齊、集裝箱運輸車輛停車位置變化時如何快速對位；3）船舶傾斜的情況下如何快速著箱；4）集裝箱不等高時如何快速著箱；5）自動化作業場所全程無人工干預的需求如何實現。

傳統四滑輪上架是應用最普遍的上架產品，其結構簡單，目前依舊是各港口使用和采購的主力，市場占比在80%以上，但不具備任何主動調整功能。

帶平移功能的上架是在傳統四滑輪上架基礎上增加了大車方向的移動功能，旨在解決岸橋大車移動效率低、能耗高的問題。

雙40 英尺上架由2 個完全獨立的上架組成，2 個上架之間通過特殊連接裝置進行連接或脫離，可解決本文列出的前4 個問題，可實現掛載單個吊具獨立作業或2 臺吊具協同作業模式的切換，具備主動平移、八字、回轉、高低差等功能適應各種工況變化。但因機構形式限制，其需要岸橋具備完全獨立的2 套起升機構，使得岸橋整體采購和維護成本大幅升高，且質量大、能耗高，其特殊的連接方式對操作人員的技能水平也有較高要求。

單起升全自動可分離上架（以下簡稱分離上架）的成功研制，解決了本文列出的既有型上架存在的5 個問題，其具備單吊具模式和雙吊具模式的作業方式，相對于其他類型上架產品具有高效、高適應性、全自動化、易操作、能耗低、成本低等優勢，對岸橋的起升機構配置需求低，僅需要1 套起升機構即可實現連接，特別是全自動化的作業模式，對自動化碼頭有著重要意義，此分離上架也因此備受用戶的關注。

1 分離上架的主要部件構成

分離上架的組成如圖1 所示，主要包括陸側上架、海側上架、鎖定機構（4 組）、陸側過渡架、海側過渡架、伸縮驅動機構(2 組）、電氣插頭對接系統和切換框架等。

圖1 分離上架示意圖

2 分離上架功能及既有型產品問題的解決方案

2.1 分離上架具備的主要功能

分離上架通過自身機構的動作組合，實現單/雙吊具模式、分離動作、高低差動作（與起升機構配合共同實現）、傾轉動作、錯位動作、回轉動作，從而解決文中列出的5 個問題，分離上架具備的主要功能示意圖如圖2 所示。

圖2 分離上架動作示意圖

2.2 分離上架的錯位功能

分離上架具有大車方向±200 mm 的錯位功能，動作時間0 ～4 s，能夠快速進行大車方向的對位，以此代替岸橋大車移動進行對位作業。

此功能通過與伸縮驅動機構連接的水平方向液壓缸推拉動作實現，分別連接于2 套伸縮驅動機構的4 根水平液壓缸互相配合，使得伸縮驅動機構相對于陸側上架和海側上架進行轉動，從而實現大車方向的相對錯位功能，通過監測元件自動控制機構的同步性，也能監測過程所需的行程。

2.3 分離上架的分離功能、回轉功能

分離上架可實現：小車方向0 ～1 800 mm 的分離功能，動作時間0 ～22 s；水平方向±5°回轉功能，動作時間0 ～3 s；水平方向±5°聯動同向回轉功能，動作時間0s ～3 s；水平方向±10°聯動反向回轉功能，動作時間0 ～13 s。以上分離和回轉動作組合，能夠適應集裝箱擺放不整齊、集裝箱運輸車輛停車位置變化，也能對跨運車轉運集裝箱的作業場所完成裝卸作業。

分離動作通過自動伸縮驅動機構實現，自動伸縮驅動機構共有兩組，通過監測元件自動控制機構的同步性、監測過程所需的行程差值，從而實現多功能模式下的自動切換。自動伸縮驅動機構位于分離上架左右兩側，主要由一級分離液壓缸、二級分離液壓缸、雙臂腔體、一級伸縮臂、二級伸縮臂、回轉軸和感應限位組成，是分離上架各動作實現的直接執行機構。每組伸縮驅動機構都具備四級伸縮功能，采用并列式箱體設計方案，有效提高了在有限空間范圍內的可分離距離，同時保證了伸縮臂橫向受力的穩定性。每組伸縮驅動機構的兩端分別與陸側上架和海側上架連接，其中2 個一級分離液壓缸同步驅動2 個一級伸縮臂伸縮動作，用于實現分離上架的單/雙吊具模式切換動作，2 個二級分離液壓缸同步驅動2 個二級伸縮臂伸縮動作，與另一側的伸縮驅動機構互相配合，以完成雙吊具作業模式所需要的分離動作。

回轉動作通過自動伸縮驅動機構、起升機構相互配合完成，聯動同向回轉動作通過起升鋼絲繩的收放動作實現，聯動反向回轉功能通過其中1 套自動伸縮驅動機構的分離動作實現。

2.4 分離上架的傾轉功能

分離上架具有豎直方向±5°的傾轉功能，動作時間0 ～4 s，船舶傾斜和車輛傾斜的情況下均能夠快速抓箱、放箱。

此功能通過與自動伸縮驅動機構相連接的4 根液壓缸推拉動作實現，分別連接于2 套伸縮驅動機構的4 根豎直液壓缸互相配合，使得伸縮驅動機構相對于陸側上架和海側上架進行傾轉，從而實現傾轉動作、聯動反向傾轉、聯動同向傾轉，通過監測元件自動控制機構的同步性、監測過程所需的行程。

2.5 分離上架的高低差功能

分離上架具有豎直方向標準設計±700 mm 或極限設計±1 400 mm 的高低差功能，動作時間0 ～22 s，此功能可實現對集裝箱不等高時的快速抓箱、放箱，即能適用于船舶端作業，也可用于集卡或地面端作業。

分別對海側上架、陸側上架相連接的起升鋼絲繩進行一收一放動作操作，高低差的數值通過主控自動監測鋼絲繩收放的長度來實現，分離上架上自身帶有極限安全限位，保證作業安全。

2.6 分離上架的自動對接功能

一直以來既有型上架電氣插頭的對接插拔必須人工干預，本文研發的全自動電氣對接系統整個切換過程不需要人工介入，自動適應、自動檢測，將單/雙吊具模式切換效率提升2 倍以上，單/雙吊具模式切換時間約60 s。

此自動電氣插頭對接系統屬國內同類產品首創專利技術，此機構主要由浮動插頭機構和浮動插座機構組成。浮動插頭機構安裝于海側上架，主要由減速電機、絲桿、導軌、導向軸、滑塊、壓縮彈簧和浮動插頭組成。浮動插座機構安裝于海側過渡架，主要由導軌、壓縮彈簧、防雨蓋和浮動插座組成。其主要由減速電機通過絲桿的旋轉驅動滑塊和安裝在滑塊上的浮動插頭機構上下移動，實現與位于其正下方的浮動插座機構的連接和分離。在連接狀態下，浮動插頭機構內部的壓縮彈簧處于擠壓狀態，壓縮距離為20 mm，可有效適應上架在作業過程中松繩距離變化的要求（松繩距離一般為8 mm）。其獨特的浮動式設計方案可有效適應海側上架和海側過渡架之間在全自動切換和雙吊具模式作業過程中的機械連接偏差、沖擊、振動、相對位移和鋼結構彈性變形，實現電氣插頭和插座的精準對接，保證連接的穩定性和可靠性。

2.7 分離上架的自動單/雙吊具模式切換

單/雙吊具模式切換在專屬的切換框架內完成，當上架需要從雙吊具模式切換為單吊具模式時，岸橋司機只需操作小車將上架連同掛載的兩臺吊具放入切換平臺內，而后觸發切換指令，切換動作即開始。首先電氣插頭對接系統自動分離，在檢測到完全分離的信號后，陸側鎖定機構解鎖，伸縮驅動機構推動陸側上架沿陸側過渡架向一側移動直至單吊具模式時陸側上架的鎖定點，陸側鎖定機構閉鎖，海側鎖定機構開鎖，伸縮驅動機構收縮，拖動海側上架沿海側過渡架向陸側過渡架移動，直至移動到陸側過渡架上單吊具模式時海側上架的鎖定點,海側鎖定機構鎖定，雙吊具模式切換為單吊具模式完成，岸橋司機操作單吊具模式的上架繼續作業，海側過渡架和集裝箱吊具被留在切換框架內。

切換框架是一個鋼結構體，安裝于岸橋的陸側或海側下橫梁上，可容納雙吊具模式時掛載2 臺集裝箱吊具的分離上架，為全自動切換功能而設計。通過框架上精準導向點實現各部件精準對位，并通過信號反饋確認機構到位信息，從而程序自動識別完成動作切換。切換框架主要由框架體、平臺和8 根帶導向錐的支撐桿組成。其作用是為分離上架單/雙吊具模式的切換動作提供一個穩定可靠的平臺，位于切換平臺中的8 根支撐桿可精確保證陸側過渡架和海側過渡架的相對距離和位置滿足全自動切換動作的要求，同時為分離上架處于單吊具模式時切換下來的海側吊具和海側過渡架提供一個固定的存儲位置，以備進行下一次切換動作。設備整體放入切換框架后的示意如圖3 所示。

圖3 分離上架在切換框架內示意圖

陸側上架和海側上架是整個分離上架動力和控制系統的主要承載部件，陸側上架主要由上架結構、起升滑輪組、液壓控制系統、電氣系統和電纜緩沖器組成，海側上架主要由上架結構、起升滑輪組、液壓動力系統、液壓控制系統和電氣系統。海/陸側上架與海/陸側過渡架之間均通過卡槽方式連接，海/陸側上架可以沿海/陸側過渡架的滑軌左右滑動。

陸側過渡架和海側過渡架均由鋼結構體和鎖銷機構組成，鋼結構體兩端的平面滑軌插入在上架的卡槽中與上架連接，并在表面特定位置設置有凹槽，用于機構鎖定。鎖銷機構與集裝箱吊具連接，該連接方式與傳統上架連接方式相同，在集裝箱吊具出現故障或需要維修保養時可進行快速拆裝，上架和過渡架之間的有序滑動配合是實現分離上架單/雙吊具模式切換理念的關鍵。

分離上架共有4 組自動鎖定機構，實現全自動切換后的自動安全防護功能，保證單、雙箱模式下均能夠可靠錨定。4 組自動鎖定機構分別位于4 組滑輪的正下方，海/陸側上架和海/陸側過渡架之間，其主要由驅動液壓缸、滑軌、壓縮彈簧、鎖定塊、滑動擋塊和感應限位組成。鎖定機構的開閉鎖功能是由驅動液壓缸將滑動擋塊沿滑軌推動到鎖定塊的正上方，并將鎖定塊壓入過渡架的凹槽中來實現的，4 組鎖定機構的有序開鎖和閉鎖的相互配合是實現分離上架單/雙吊具模式切換的關鍵。該種鎖定方式與普通銷軸式鎖定方式相比具有安全可靠，適應性強，不易卡滯的優點，對上架結構制作、驅動控制、重載沖擊和結構彈性變形都有極強的適應性，即便在上架作業過程中發生意外撞擊，也不會造成鎖定機構的損壞或失效，自動鎖定機構示意如圖4 所示。

圖4 自動鎖定機構示意圖

3 結語

通過實踐和時間的驗證，該分離上架通過功能的組合應用，一舉解決了既有型產品的各類問題，已逐漸成為自動化碼頭主小車上架的主流產品。

分離上架令岸橋整體作業效率提升達1.5 倍，快速的智能全自動單/雙吊具模式切換為不同貨物的起吊需求提供了基礎條件，且降低了岸橋的采購成本和使用能耗，全程無需地面人員和設備進入現場配合操作極大的滿足了自動化港口的迫切需求。在成本不斷上漲，各港口對設備自動化建設加速的背景下，其在新設備自動化建設或既有設備自動化改造方向均可適用，對碼頭建設中的設備選型提供了解決方案。