硬開頂箱高效卸貨裝備設計

周紅軍

（湖北力帝機床股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

據預測，2021年國際市場干散貨需求達53億噸，其中鐵礦石約15億噸、小宗干散貨約20億噸[1]，發達國家散貨集裝箱化率已經到達70%～80%，而中國內貿集裝箱化率僅有20%左右[2]，散貨集裝箱化運輸有著非常大的發展空間。各類散貨運輸中礦石具有數量龐大、價值較高、物流環節多、環境污染大、貨損大等顯著特點，如能采用高效便捷的集裝箱化運輸，將能產生較好的社會效益和經濟效益。礦業發達的澳大利亞從環境保護角度已經開始著手立法逐步推行礦石集裝箱化運輸。從裝卸效率、箱體強度、箱體壽命等技術層面分析，硬開頂箱單箱額定載荷可達30t，是當前最適宜礦石集裝箱化運輸的載具，見圖1；頂裝頂卸是最高效的裝卸箱方式。

圖1 硬開頂集裝箱

1 現有硬開頂箱裝貨卸貨設備

現有適用于礦石的裝貨裝備大體可歸納為皮帶輸送、裝載機鏟送、抓斗或漏斗抓送三大類[3]，都能非常便利的完成硬開頂箱裝箱作業；國內現有的卸貨裝備都是以ISO標箱為對象，采取端向傾斜卸貨的方式[4-5]，加上取箱過程總體效率很低，且不能用于硬開頂箱卸料。現階段硬開頂箱基本采用人工或借助叉車、抓斗等機具輔助的方式卸貨，效率低下，尚無可靠的裝備能實現高效卸貨作業。對硬開頂箱卸貨技術進行探討，旨在提高卸貨效率，解決硬開頂箱物流工藝最后“一公里”環節；針對卸貨作業的不同工況需求設計了自動翻轉機和自動翻轉吊具兩種裝備。

2 自動翻轉機設計

2.1 總體方案

自動翻轉機為固定式裝備，通常與集裝箱起重機、皮帶輸送系統等配合使用，主要由皮帶輸送系統、料斗、翻轉機主體、開蓋小車、PLC控制系統等五大部分組成，見圖2。工作時，由起重機吊載集裝箱放置在翻轉架上，翻轉機自動完成稱重、開蓋、360°旋轉等動作，實現側翻卸貨，經過料斗由皮帶機輸送進行堆垛作業。

圖2 自動翻轉機

2.2 主要部件設計

翻轉架是承載硬開頂箱的主要受力構件，采用箱形梁框架結構，通過兩端的軸承座固定在支撐平臺上；設置有導向框架，既能用于集裝箱落位導向，又能在側向翻轉時起到支撐作用，能有效減小頂側梁的撓曲變形。此外，在翻轉機底平面四角布置了四組鎖固機構，中間部位布置了四組柔性激振裝置。

柔性激振裝置可施加高頻振動，使粘附在箱壁上的物料剝離，適用于含水礦物如銅精礦、鎳精礦等卸貨作業；

旋轉驅動機構由回轉支承、小齒輪、減速電機等組成；回轉支承與翻轉架連接，減速電機固定在軸承座上；

電機功率P=Mmax×n/9550，其中轉矩Mmax與貨物密度、裝貨高度、旋轉中心高等因素相關。取最不利工況，如含水量大的銅精礦ρ=2.5×103Kg/m3時，經運輸震實后翻轉90°時不能自重流淌；初選箱高為2m旋轉中心取距底面0.9m；通過分步距遞增計算可知，箱、貨的合成重心及合成力矩呈曲線變化狀態，見圖3。

圖3 合成重心及力矩曲線

當裝貨高度0.75m時，最大轉矩Mmax≈71KN·m，n=1.5r/min時，計算可得P=11.15KW；最終選擇2臺7.5KW4級電機，采用閉環變頻調速；立式行星+直交軸組合減速器，總傳動比i=960；配備彈簧上閘常閉制動器，額定制動力矩75N·m，制動器安全系數大于2，能保持翻轉機在滿載時任意角度懸停。

鎖固機構見圖4。頂桿下端和驅動連桿中部均設有發訊開關。通過電動推桿伸縮推動拐臂旋轉，繼而帶動旋鎖轉動，實現鎖頭與集裝箱角件的鎖固與解鎖。用于箱頂蓋固定的鎖固機構結構相同。

圖4 鎖固機構

開蓋小車類似于室內行車結構，可帶載做水平移位和上下升降運動，用于箱頂蓋的開蓋和合蓋操作；主要小車架、小車運行機構、提升梁、提升機構、鎖固機構、供電拖鏈等部件，相關機構上設有發訊開關。其工作原理是提升梁下降，旋鎖機構鎖定箱蓋后提升，再由小車運行機構驅動平移至開蓋工位，實現開蓋操作；合蓋反之操作。

2.3 自動控制流程

翻轉機采用通過PLC系統采用自動控制方式，既可遠程控制又可由起重機司機本地操作；各工作機構的位置和狀態信息均設有發訊開關，并實現電氣聯鎖，確保設備安全運行。硬開頂箱在翻轉架上落位后，觸發著箱信號，PLC控制鎖固機構鎖定箱角件，并控制開蓋小車完成開蓋動作并移開；稱重系統、箱號識別系統完成稱重計量和統計；旋轉機構驅動翻轉架帶著集裝箱繞軸線轉動，實現側向傾轉卸料；翻轉架旋轉360°后復位，再次稱重后開蓋小車合蓋，再由起重機將空箱取走，完成一個卸貨工作循環。

3 自動翻轉吊具改進設計

翻轉吊具是用于實現硬開頂箱空中側翻卸貨的機具。該裝備早期由澳大利亞與國內企業合作制造并申請專利[6]，見圖5，國內亦有類似產品。這類吊具采取插入集裝箱從兩端頂吊的固定方式，被抓取集裝箱四周都必須留出至少800mm的空間，增加了吊箱操作環節，極大限制了翻轉吊具的使用范圍，存在很大缺陷在此基礎上對翻轉吊具的結構進行了改進。

圖5 國外翻轉吊具

3.1 總體方案

新型翻轉吊具設計的重點在于解決硬開頂箱密集堆碼時的取箱問題，以適應任意堆放模式。總體設計參照現有吊具結構，增加了提升機構，使取箱的鎖固機構伸出吊具下平面，實現便利的對位取箱。工作機構中設置著箱、開/閉鎖、升降、旋轉、開/閉蓋等多重發訊開關，與起重機的起升或移位等機構進行聯鎖保護，防止誤動作發生灑料或意外事故。采用全液壓驅動，傳動系統內置在吊架箱梁內，為全封閉結構，能有效防止漏油污染事故。主要由吊架、旋轉架、鎖固機構、提升機構、開蓋機構、旋轉機構、液壓系統、電控系統、稱重系統等部件組成，見圖6。

3.2 改進設計

（1）提升機構主要包括提升架和提升油缸，參見圖6A放大。提升架布置在旋轉架內側，可沿布置在旋轉架內的導向柱上下移動，通過四件提升油缸驅動；提升油缸為多級液壓缸，提升速度可達3.5m/min，最大提升行程可達2m，設有可調限位開關，可適用于箱高2.2m以下不同箱型作業需要。此外，在提升架四角設有旋鎖機構，用于與硬開頂箱頂角件連接。

圖6 翻轉吊具

（2）旋轉機構由回轉支承、回轉減速馬達、小齒輪等組成，旋轉速度n=1.5r/min，驅動功率計算方法與翻轉機相同；經核算配置4套WKH2.5-2000減速馬達，結構緊湊、傳動平穩可靠。主要部件設計與現有產品類似或前述翻轉機類似，不再贅述。

3.3 自動控制流程

吊具通過滑輪組與起重機的起升機構和電控系統連接，對旋鎖、提升、開蓋、稱重等動作采用PLC自動控制，能有效減輕起重機司機的操作強度。起重機帶吊具運行到待卸貨集裝箱上方，對位、著箱后發訊，提升架內的旋鎖機構鎖定硬開頂箱頂角件，提升機構驅動提升架帶硬開頂箱上升至旋轉上限位；稱重后開蓋機構自動提起箱頂蓋至開蓋上限位；起重機司機操作吊具運行至卸貨工位上方，旋轉機構驅動旋轉架帶著硬開頂箱繞軸線旋轉，實現側向傾轉卸料；旋轉360°后，開蓋機構下降合蓋后再次稱重，提升架和空箱在重力作用下下降至下限位；起重機移動到落箱工位放下空箱，完成一個卸貨工作循環。

4 兩種卸貨裝備的應用探討

這兩種裝備都能滿足20英尺、單箱額定載荷30t、箱高不大于2.2m的硬開頂箱自動卸貨要求，功能特點上略有差異。

（1）自動翻轉機可與帶集裝箱吊具的起重機協同作業，如門座起重機、場橋、岸橋、行車等；出料端可以根據客戶裝備狀況，添置料斗和轉料皮帶機與堆場的堆料機連接完成卸料堆垛作業。作業流程為：取箱→卸貨→落箱，除起重機由專職司機操作外，全過程均采用自動化控制，無需人工輔助；可應用于港口碼頭、鐵路貨場等的中轉堆場作業，也可以應用于礦石冶煉企業的終端原料庫卸貨作業。

單機卸貨效率可達17箱/h，折算卸貨量可達510t/h，多個翻轉機與一臺集裝箱起重機協同作業時可進一步提高卸貨效率。此外，還可根據需求開發適用于40英尺或雙20英尺的翻轉機，進一步提高卸貨效率或擴展到其他散貨的裝卸領域。

還可根據需要配備負壓吸塵系統，對主機進行封閉處理，用于易揚塵的物料卸貨作業，對出料端的皮帶輸送系統采取封閉式設計，滿足環保要求。

（2）自動翻轉吊具本質上屬于起重機專用機具，集取箱、卸料等多功能于一體，可直接與場橋、岸橋、行車等起重機配套，稍作改制還可用于門座起重機。但對起重機的能力提出了更高的要求，起重能力應不小于50t；此外在高度比較敏感的場合，對起升高度也需要予以關注。卸貨時，采用起重機可以從集卡、鐵路貨車、集裝箱船或集裝箱堆場上取箱，通過翻轉吊具直接進行卸貨堆垛作業，還能用于港口碼頭的大型散貨裝船作業。作業流程為：取箱→卸貨→落箱，除起重機由專職司機操作外，其余卸貨過程也無需人工輔助。單機卸貨效率可達13箱/h，折算最大卸貨量可達390t/h。

除旋鎖外，吊具任何部位均不低于集裝箱頂面以下，可適用于現有集裝箱在碼頭、運輸船，以及鐵路平車、高邊車的密集堆碼模式的取箱和堆箱作業。

5 結語

兩種卸貨裝備的研發有助于切實提高散貨集裝箱的卸貨效率，實現硬開頂箱在中轉和終端卸貨低成本、高效化和規模化目標，適用于現有堆場的專業化改造或擴建；還能布置在冶煉廠的原料庫房內。硬開頂箱物流系統應用于任何大宗散貨運輸在技術上是可行的。當然物流模式的選擇更多取決于經濟性、環保性、安全性等因素，需要物流企業在路線規劃、貨源對沖等方面拓展渠道，進一步降低物流成本，相關裝備的研發和應用也可以結合實際條件進行適當調整，以適應不同貨物裝卸需求。