一種單起升全自動可分離上架的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐 坤

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 201314

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)和全球化貿(mào)易的發(fā)展，全球集運(yùn)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展和完善，各航運(yùn)公司更加全力地推進(jìn)集裝箱船舶的大型化，以求降低單位運(yùn)輸成本，提升整體運(yùn)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(yùn)載能力的不斷提升，港口作業(yè)效率的適應(yīng)性成為了各港口能否為船運(yùn)公司節(jié)約成本，吸引到大型集裝箱船靠泊的關(guān)鍵因素之一。

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）的作業(yè)效率一直以來都是港口運(yùn)行效率的核心要素，其效率高低直接影響著整個(gè)港口的裝卸能力，通過提高岸橋起升速度和小車運(yùn)行速度來提升作業(yè)效率的方式已經(jīng)到達(dá)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(guān)鍵執(zhí)行部件之一，一直以來是有望大幅提升岸橋整體作業(yè)效率非常關(guān)鍵的突破口。

在傳統(tǒng)四滑輪上架的基礎(chǔ)上先后演變出了平移上架、雙40 英尺上架等多種類型產(chǎn)品，旨在提升岸橋的整體作業(yè)效率。這些產(chǎn)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(yùn)輸車輛停車位置變化時(shí)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(shí)如何快速著箱；5）自動化作業(yè)場所全程無人工干預(yù)的需求如何實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)四滑輪上架是應(yīng)用最普遍的上架產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)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(diào)整功能。

帶平移功能的上架是在傳統(tǒng)四滑輪上架基礎(chǔ)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(gè)完全獨(dú)立的上架組成，2 個(gè)上架之間通過特殊連接裝置進(jìn)行連接或脫離，可解決本文列出的前4 個(gè)問題，可實(shí)現(xiàn)掛載單個(gè)吊具獨(dú)立作業(yè)或2 臺吊具協(xié)同作業(yè)模式的切換，具備主動平移、八字、回轉(zhuǎn)、高低差等功能適應(yīng)各種工況變化。但因機(jī)構(gòu)形式限制，其需要岸橋具備完全獨(dú)立的2 套起升機(jī)構(gòu)，使得岸橋整體采購和維護(hù)成本大幅升高，且質(zhì)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(gè)問題，其具備單吊具模式和雙吊具模式的作業(yè)方式，相對于其他類型上架產(chǎn)品具有高效、高適應(yīng)性、全自動化、易操作、能耗低、成本低等優(yōu)勢，對岸橋的起升機(jī)構(gòu)配置需求低，僅需要1 套起升機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)連接，特別是全自動化的作業(yè)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(guān)注。

1 分離上架的主要部件構(gòu)成

分離上架的組成如圖1 所示，主要包括陸側(cè)上架、海側(cè)上架、鎖定機(jī)構(gòu)（4 組）、陸側(cè)過渡架、海側(cè)過渡架、伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2 組）、電氣插頭對接系統(tǒng)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(chǎn)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(jī)構(gòu)的動作組合，實(shí)現(xiàn)單/雙吊具模式、分離動作、高低差動作（與起升機(jī)構(gòu)配合共同實(shí)現(xiàn)）、傾轉(zhuǎn)動作、錯(cuò)位動作、回轉(zhuǎn)動作，從而解決文中列出的5 個(gè)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(cuò)位功能

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

此功能通過與伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接的水平方向液壓缸推拉動作實(shí)現(xiàn)，分別連接于2 套伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)的4 根水平液壓缸互相配合，使得伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)相對于陸側(cè)上架和海側(cè)上架進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)大車方向的相對錯(cuò)位功能，通過監(jiān)測元件自動控制機(jī)構(gòu)的同步性，也能監(jiān)測過程所需的行程。

2.3 分離上架的分離功能、回轉(zhuǎn)功能

分離上架可實(shí)現(xiàn)：小車方向0 ～1 800 mm 的分離功能，動作時(shí)間0 ～22 s；水平方向±5°回轉(zhuǎn)功能，動作時(shí)間0 ～3 s；水平方向±5°聯(lián)動同向回轉(zhuǎn)功能，動作時(shí)間0s ～3 s；水平方向±10°聯(lián)動反向回轉(zhuǎn)功能，動作時(shí)間0 ～13 s。以上分離和回轉(zhuǎn)動作組合，能夠適應(yīng)集裝箱擺放不整齊、集裝箱運(yùn)輸車輛停車位置變化，也能對跨運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱的作業(yè)場所完成裝卸作業(yè)。

分離動作通過自動伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，自動伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)共有兩組，通過監(jiān)測元件自動控制機(jī)構(gòu)的同步性、監(jiān)測過程所需的行程差值，從而實(shí)現(xiàn)多功能模式下的自動切換。自動伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)位于分離上架左右兩側(cè)，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(zhuǎn)軸和感應(yīng)限位組成，是分離上架各動作實(shí)現(xiàn)的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每組伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)都具備四級伸縮功能，采用并列式箱體設(shè)計(jì)方案，有效提高了在有限空間范圍內(nèi)的可分離距離，同時(shí)保證了伸縮臂橫向受力的穩(wěn)定性。每組伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)的兩端分別與陸側(cè)上架和海側(cè)上架連接，其中2 個(gè)一級分離液壓缸同步驅(qū)動2 個(gè)一級伸縮臂伸縮動作，用于實(shí)現(xiàn)分離上架的單/雙吊具模式切換動作，2 個(gè)二級分離液壓缸同步驅(qū)動2 個(gè)二級伸縮臂伸縮動作，與另一側(cè)的伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)互相配合，以完成雙吊具作業(yè)模式所需要的分離動作。

回轉(zhuǎn)動作通過自動伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)相互配合完成，聯(lián)動同向回轉(zhuǎn)動作通過起升鋼絲繩的收放動作實(shí)現(xiàn)，聯(lián)動反向回轉(zhuǎn)功能通過其中1 套自動伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)的分離動作實(shí)現(xiàn)。

2.4 分離上架的傾轉(zhuǎn)功能

分離上架具有豎直方向±5°的傾轉(zhuǎn)功能，動作時(shí)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(qū)動機(jī)構(gòu)相連接的4 根液壓缸推拉動作實(shí)現(xiàn)，分別連接于2 套伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)的4 根豎直液壓缸互相配合，使得伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)相對于陸側(cè)上架和海側(cè)上架進(jìn)行傾轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)動作、聯(lián)動反向傾轉(zhuǎn)、聯(lián)動同向傾轉(zhuǎn)，通過監(jiān)測元件自動控制機(jī)構(gòu)的同步性、監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)±700 mm 或極限設(shè)計(jì)±1 400 mm 的高低差功能，動作時(shí)間0 ～22 s，此功能可實(shí)現(xiàn)對集裝箱不等高時(shí)的快速抓箱、放箱，即能適用于船舶端作業(yè)，也可用于集卡或地面端作業(yè)。

分別對海側(cè)上架、陸側(cè)上架相連接的起升鋼絲繩進(jìn)行一收一放動作操作，高低差的數(shù)值通過主控自動監(jiān)測鋼絲繩收放的長度來實(shí)現(xiàn)，分離上架上自身帶有極限安全限位，保證作業(yè)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(yù)，本文研發(fā)的全自動電氣對接系統(tǒng)整個(gè)切換過程不需要人工介入，自動適應(yīng)、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(shí)間約60 s。

此自動電氣插頭對接系統(tǒng)屬國內(nèi)同類產(chǎn)品首創(chuàng)專利技術(shù)，此機(jī)構(gòu)主要由浮動插頭機(jī)構(gòu)和浮動插座機(jī)構(gòu)組成。浮動插頭機(jī)構(gòu)安裝于海側(cè)上架，主要由減速電機(jī)、絲桿、導(dǎo)軌、導(dǎo)向軸、滑塊、壓縮彈簧和浮動插頭組成。浮動插座機(jī)構(gòu)安裝于海側(cè)過渡架，主要由導(dǎo)軌、壓縮彈簧、防雨蓋和浮動插座組成。其主要由減速電機(jī)通過絲桿的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動滑塊和安裝在滑塊上的浮動插頭機(jī)構(gòu)上下移動，實(shí)現(xiàn)與位于其正下方的浮動插座機(jī)構(gòu)的連接和分離。在連接狀態(tài)下，浮動插頭機(jī)構(gòu)內(nèi)部的壓縮彈簧處于擠壓狀態(tài)，壓縮距離為20 mm，可有效適應(yīng)上架在作業(yè)過程中松繩距離變化的要求（松繩距離一般為8 mm）。其獨(dú)特的浮動式設(shè)計(jì)方案可有效適應(yīng)海側(cè)上架和海側(cè)過渡架之間在全自動切換和雙吊具模式作業(yè)過程中的機(jī)械連接偏差、沖擊、振動、相對位移和鋼結(jié)構(gòu)彈性變形，實(shí)現(xiàn)電氣插頭和插座的精準(zhǔn)對接，保證連接的穩(wěn)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(nèi)完成，當(dāng)上架需要從雙吊具模式切換為單吊具模式時(shí)，岸橋司機(jī)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(nèi)，而后觸發(fā)切換指令，切換動作即開始。首先電氣插頭對接系統(tǒng)自動分離，在檢測到完全分離的信號后，陸側(cè)鎖定機(jī)構(gòu)解鎖，伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)推動陸側(cè)上架沿陸側(cè)過渡架向一側(cè)移動直至單吊具模式時(shí)陸側(cè)上架的鎖定點(diǎn)，陸側(cè)鎖定機(jī)構(gòu)閉鎖，海側(cè)鎖定機(jī)構(gòu)開鎖，伸縮驅(qū)動機(jī)構(gòu)收縮，拖動海側(cè)上架沿海側(cè)過渡架向陸側(cè)過渡架移動，直至移動到陸側(cè)過渡架上單吊具模式時(shí)海側(cè)上架的鎖定點(diǎn),海側(cè)鎖定機(jī)構(gòu)鎖定，雙吊具模式切換為單吊具模式完成，岸橋司機(jī)操作單吊具模式的上架繼續(xù)作業(yè)，海側(cè)過渡架和集裝箱吊具被留在切換框架內(nèi)。

切換框架是一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體，安裝于岸橋的陸側(cè)或海側(cè)下橫梁上，可容納雙吊具模式時(shí)掛載2 臺集裝箱吊具的分離上架，為全自動切換功能而設(shè)計(jì)。通過框架上精準(zhǔn)導(dǎo)向點(diǎn)實(shí)現(xiàn)各部件精準(zhǔn)對位，并通過信號反饋確認(rèn)機(jī)構(gòu)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(dǎo)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(gè)穩(wěn)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(cè)過渡架和海側(cè)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(shí)為分離上架處于單吊具模式時(shí)切換下來的海側(cè)吊具和海側(cè)過渡架提供一個(gè)固定的存儲位置，以備進(jìn)行下一次切換動作。設(shè)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(nèi)示意圖

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

陸側(cè)過渡架和海側(cè)過渡架均由鋼結(jié)構(gòu)體和鎖銷機(jī)構(gòu)組成，鋼結(jié)構(gòu)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(shè)置有凹槽，用于機(jī)構(gòu)鎖定。鎖銷機(jī)構(gòu)與集裝箱吊具連接，該連接方式與傳統(tǒng)上架連接方式相同，在集裝箱吊具出現(xiàn)故障或需要維修保養(yǎng)時(shí)可進(jìn)行快速拆裝，上架和過渡架之間的有序滑動配合是實(shí)現(xiàn)分離上架單/雙吊具模式切換理念的關(guān)鍵。

分離上架共有4 組自動鎖定機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全自動切換后的自動安全防護(hù)功能，保證單、雙箱模式下均能夠可靠錨定。4 組自動鎖定機(jī)構(gòu)分別位于4 組滑輪的正下方，海/陸側(cè)上架和海/陸側(cè)過渡架之間，其主要由驅(qū)動液壓缸、滑軌、壓縮彈簧、鎖定塊、滑動擋塊和感應(yīng)限位組成。鎖定機(jī)構(gòu)的開閉鎖功能是由驅(qū)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(shí)現(xiàn)的，4 組鎖定機(jī)構(gòu)的有序開鎖和閉鎖的相互配合是實(shí)現(xiàn)分離上架單/雙吊具模式切換的關(guān)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(yīng)性強(qiáng)，不易卡滯的優(yōu)點(diǎn)，對上架結(jié)構(gòu)制作、驅(qū)動控制、重載沖擊和結(jié)構(gòu)彈性變形都有極強(qiáng)的適應(yīng)性，即便在上架作業(yè)過程中發(fā)生意外撞擊，也不會造成鎖定機(jī)構(gòu)的損壞或失效，自動鎖定機(jī)構(gòu)示意如圖4 所示。

圖4 自動鎖定機(jī)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語

通過實(shí)踐和時(shí)間的驗(yàn)證，該分離上架通過功能的組合應(yīng)用，一舉解決了既有型產(chǎn)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(chǎn)品。

分離上架令岸橋整體作業(yè)效率提升達(dá)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(chǔ)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(shè)備進(jìn)入現(xiàn)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(shè)備自動化建設(shè)加速的背景下，其在新設(shè)備自動化建設(shè)或既有設(shè)備自動化改造方向均可適用，對碼頭建設(shè)中的設(shè)備選型提供了解決方案。