自動化碼頭輪胎吊電纜卷筒換電技術

袁 靜 吳紀林 杜 元

上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

輪胎式集裝箱龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)是國內集裝箱碼頭堆場的主要配備機型,以機上柴油機組發電驅動的方式進行堆場作業。為適應環保要求，各集裝箱碼頭開始嘗試把以柴油為主要動力的輪胎吊改造為以市電為主要動力的電動式輪胎吊，其改造的方案主要有：電纜卷盤供電、低架滑觸線供電、中架滑觸線供電、高架滑觸線供電等[1]。因各碼頭實際的輪胎吊數量、碼頭布局、貨物吞吐量、安全性等方面的不同，制定出的改造方案也不同。一些碼頭改造為油電混合動力式輪胎吊進行堆場作業，其中包括300 kW柴油發動機組+DC-AC整流器組成的混合動力輪胎吊、120 kW柴油發動機組+鋰電池組組成的混合動力輪胎吊等[2]，但無法實現自主轉場。轉場時需要輪胎吊司機先到操作室平臺側手動拉下滑觸線集電桿并放到對應位置，再通過樓梯到輪胎吊發動機平臺啟動柴油發動機，才能完成轉場。轉場完成后，需要人工再次切換模式。

隨著港口設備自動化發展需要，輪胎吊自動化改造已成為迫切需要解決的問題。自動化碼頭通常采用新型鋰電池技術和市電技術對輪胎吊進行純電供能，在此方案下，需要電纜卷筒自動換電裝置進行鋰電池和市電的無縫切換，從而實現自動化轉場作業。通過對電纜卷筒自動取電裝置的結構、功能進行研究分析，提出可行優化方案。

2 輪胎吊電纜卷盤光電自動換電裝置

2.1 裝置結構

輪胎吊電纜卷盤光電自動換電裝置主要由以下部分構成。

(1)激光糾偏總成。包括激光發射器、激光反射板等裝置，功能在于輪胎吊到取電位置后進行大車方向位置糾偏，減少大車位置不準對自動換電裝置對位精準度的影響，增加成功率，減少人工干預次數。

(2)本地電控箱。由于機械裝置在長時間的使用下，限位、機械會有一定程度的誤感應、磨損等情況發生，造成自動操作失敗。為保證發生故障時能應急解決或進行故障復位，設置本地電控箱讓工作人員人工介入替代自動程序，從而短時間內完成人工換電操作。

(3)防護結構總成。在自動取電過程中，需運用通訊光纖，為避免光纖頭遭受外界環境污染和意外碰撞，增設防護放置,去除錯誤操作帶來的風險。

(4)機械手總成。在自動換電過程中，機械手的內側端部鉸接在輪胎吊上，取代人工插電、拔電的流程，同時實現開閉防護罩的功能，避免人與10 kV高壓電接觸的風險[3]。

(5)三軸驅動總成。三軸驅動總成為電纜卷筒自動換電裝置提供了X軸、Y軸和Z軸3個方向的機動性，確保取電裝置精準對位。

(6)插座總成。插座總成設置在輪胎吊上,集成光纖頭、限位、彈簧等設備，實現全自動取電。

(7)電纜網罩固定裝置。輪胎吊轉場過程中會有無市電而依靠鋰電池供電的情況，需采用電纜網罩固定裝置對電纜進行固定，避免拖地行車或碾壓電纜等情況。

(8)插座箱總成。插座箱固定在地面。第一箱體內的頂部安裝有第一提升裝置，底部設置有提升板，提升裝置設置有光纖插座和抱指式插座。第二箱體內的上部安裝有光纖插頭，插頭下方設置有觸頭，箱體底部設置有第二提升裝置。插座箱連通市電和光纖等，為輪胎吊鋰電池進行供電和遠程通訊。

除上述總成外還有鋼絲繩等輔助設備。

2.2 光纖通信

將光電自動對接集中安裝在抱指式插頭插座箱內，改變了原來輪胎吊取電與通信需要兩套裝置的設計，能夠實現電連接和光纖自動對接同步進行，從而滿足光纖頭的防護要求，提高使用壽命。光纖通信的使用，提高了傳輸效率，降低了延遲，節約了時間。在光纖對接上使用了導向塊與底座壓簧，使得連接過程具有自導向性及防護性，光纖對接均在插座箱內進行，達到防塵、防水要求，避免了因光纖裸露對接產生光纖頭污染而影響通訊能力。光纖通信的自動對接技術，解決了目前遠程通訊的自動化對接難題，提高了作業效率，對接精度及防護性能滿足了光纖頻繁對接的需求，實現了輪胎吊遠程自動化操作。

3 輪胎吊自動換電流程

3.1 輪胎吊進出場流程

為增加場地、設備利用率，自動化碼頭輪胎吊作業采用可轉場輪胎吊方案。根據具體的堆場作業要求，可將輪胎吊轉場作業分為進場流程和出場流程。

3.1.1 出場流程

輪胎吊司機在鋰電池與市電雙供電的情況下，進行大車行走操作，將輪胎吊移動至插座箱附近。司機利用地面油漆作為參照線，在激光限位反饋到位并且司機操作臺指示燈亮時，對大車換電裝置進行對位。對位結束后打斷市電轉換開關進入自動斷電流程，自動從插座箱取出電纜插頭并斷市電。約3 min斷電完成指示燈亮后移動至待作業箱區口準備進場流程。此時僅靠鋰電池作業，轉場時需滿足鋰電池80%以上的要求，否則先進行市電充電。

3.1.2 進場流程

進場對位過程與出場相同。對位結束后司機斷控制電打取市電轉換開關進入自動取電流程，過程中裝置運行指示燈閃爍并自動將電纜插頭插進插座箱取得市電，約3 min取電完成指示燈亮和市電供電指示燈亮后，移動大車進場地開始作業。

3.2 自動換電流程

(1)在電控箱的控制下，輪胎吊行到換電位置開始自動換電，機械總成上的白色防護罩打開，露出插頭箱(見圖1)。

圖1 插頭箱

(2)通過三軸驅動總成將插頭箱初步對準地面插座箱(見圖2)。

圖2 插座箱

(3)通過三軸驅動總成將插頭箱垂直插入插座箱，插頭箱下方的金屬球機械限位碰到插座箱下面的銀色表面并感應，此時插頭已插入插座箱。

(4)到位后控制齒輪使機械手里的夾鉗夾緊，閉鎖限位感應并固定插頭箱。

(5)三軸驅動總成縮回原位抬高45°并換電完成，輪胎吊可以開始作業。

4 結語

自動化碼頭輪胎吊電纜卷筒換電裝置符合綠色、環保及自動化的特點，具有減少人工操作、消除環境污染、高效靈活轉場作業的優點。