傳統碼頭輪胎吊改造和自動化升級探討

蔡超

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

通過對傳統碼頭輪胎吊的自動化升級改造，對原來的柴油發電機組進行改造設計，減少燃燒消耗的同時，提高現場作業安全性與高效性，節省更多人工成本與時間成本。以專業技術作為支持，實現大車糾偏與定位，同時對集卡定位以及防砸功能進行了方案研究，以及通過硬件選型與系統設計，爭取更大地滿足碼頭吊裝作業要求。

1 傳統碼頭輪胎吊改造必要性

在持續發展理念下，國家對新能源的開發利用率在逐年的增大，并且對工業化生產的節能減排要求也日益嚴格，傳統碼頭作為重點改革單位，必須在原有基礎上做出相應的改造升級，在保證生產效率的同時，降低運行能耗，以提升碼頭運行的經濟性。傳統碼頭輪胎吊柴油機能耗大，綜合利用率比較低，并且使用和維護的成本高。同時，重物下降與機構減速所產生的能量，會通過機上的制動電阻消耗掉，無法進行有效的利用，實際生產中造成了較大的能源浪費。對其進行改造升級已經勢在必行，不僅可以節能減排，還可以降低成本，獲取更大經濟效益。當前，自動化技術在各個行業都有大范圍推廣應用，大大提升了自動化水平，對于傳統碼頭輪胎吊的改造，不僅要注意改造水平，同時，還要注重結合自動化技術，實現自動化升級，提升碼頭運行的自動化水平，符合當前自動化發展需求，實現碼頭的自動化升級改造。

2 碼頭輪胎吊油改電系統設計

2.1 油改電意義

輪胎吊是集裝箱堆場常見的裝卸設備，在碼頭作業中應用十分廣泛，不僅現場轉場作業靈活性高、覆蓋面廣，而且前期投資比較少，一直都備受青睞。但是，從節能降耗的方面分析，傳統輪胎吊的能源消耗問題是目前亟需解決的問題之一，對于能源的消耗非常大，而且柴油機的運行及維護都需要耗費成本。輪胎油改電主要有三種方式：第一是電纜卷盤，此種方式適用于臺數小的碼頭，能夠單個進行改造，但這樣需要增加卷盤與電纜，導致整個改造所需要的成本比較高。而且電纜與地面有摩擦，維護起來又提高了成本。第二是高架劃觸線，此種方式能夠自由轉場，而且成本適中，對大型碼頭的改造適應性強。第三是低架滑觸線，此種方式對于轉場有較高的要求，還需要柴油機的配合，但成本比較適中。不同改造方案所存在的優缺點不同，在實際操作中，需要進行綜合比對后確定最佳改造方案。

2.2 改造方案設計

（1）用油成本。綜合實踐經驗，初步設定加滿一個油箱所需要的柴油為1000L，一臺輪胎吊作業量設定為400標箱，則每吊一箱所對應的用油成本大概在2.5L左右。柴油單價為6元，則每吊一箱的成本為15元。

（2）用電成本。對輪胎吊進行油改電設計，計算相應的用電成本，確定有額定功率200kW的起升電機1臺，額定功率為37kW的小車電機2臺，以及額定功率為11kW的大車電機4臺，另外還有1臺輔助用電（照明、空調等）額定功率為50kW。由此可以計算確定每臺輪胎吊的裝機容量：

起升機構額定電流393A，單機構額定電流為IN 1=393A；小車機構共有2臺，額定電流為37A，單機構額定電流為IN 2=76A×2=152A；大車機構共4臺，單機構額定電流為IN3=26A×4=104A。大車與起升公用變頻器的用電量可按照實際負荷來計算，并且因為起升與大車共用變頻器，起升額定電流＞大車額定電流，因此，電流需要取更大值。額定工作電流計算：

其中，Iw表示額定工作電流；K1為綜合系數，取值0.7。

為更準確地計算用電量，設定每小時輪胎吊有1/3的時間在運行小車與大車，其余2/3時間為起升與下降作業，其中吊具對準箱子、開鎖閉鎖以及等待的時間忽略不計。起升下降一個輪回所需要的時間設定為1min，這樣每個小時中便會有40個起升下降來回。

其中，P表示功率；COSφ表示功率因數，取值0.9。

然后，便可以計算理想狀態下的實際消耗功率：

用電度數的確定，1千瓦時=1度，即1kW電器連續工作1h所消耗的電量為1度。根據上述計算可確定輪胎吊每小時的用電量為396度。按照設定的每個小時內存在40個起升來回，代表的便是每小時可裝40個標箱，計算每個箱子的用電量=396/40=7.4度電。工業用電價格按照0.8元/度電計算，則每吊一個標箱對應的用電成本便是5.92元。另外，碼頭實際吊運作業與理想作業存在偏差，產生更多電量消耗，此消耗系數按照1.3計算，則實際作業狀態下每吊裝一個標箱的用電成本便是7.7元。按照碼頭共存在10臺輪胎吊計算，則每周可完成的吊裝標箱總量為400，在油改電的情況下，每年可節省的電費成本為：

結合市場改造的實際情況來分析，每臺傳統碼頭輪胎吊改造成本大概在50萬元左右，本次案例中的碼頭共有10臺，則改造費用為500萬元，油改電后每年可達到的節約電費為151.84萬元，相比在改造后的3年左右便可以收支平衡，由此可以確定對傳統輪胎吊進行油改電更利于碼頭的長遠發展，所獲得的經濟效益更高。

3 碼頭輪胎吊自動化升級設計

3.1 自動化作業要求

輪胎吊自動化控制系統的設計需要按照作業需求進行，分為裝箱與卸箱兩部分，前者即將堆場區的集裝箱自動的運送到集卡或集裝箱牽引車，后者即將集卡或集裝箱牽引車上的集裝箱自動運往堆場目標箱位置。對傳統輪胎吊進行自動化升級設計，要求在實現自動化作業的同時不改變原有基本性能參數，包括額定荷載、額定起升速度以及起升高度等。自動化系統操作的偏差有著嚴格要求，即集裝箱的堆放最大偏差應在5cm以內。吊具平移范圍為0～500mm，旋轉范圍為0°～10°。另外，吊具在起升過程中最大可以滿足2倍過載作業，但是，過載時間應控制在2min以內。并且，輪胎吊改造升級后，可以根據現場作業需求選擇自動模式、遠程手動模式以及維修模式，自動模式狀態下吊具根據指令完成相應動作，自動完成裝卸任務，全程無須人工作業；遠程手動模式操作人員可通過對吊具的遠程手動控制完成相應的動作。而維修模式則是以滿足維護管理要求設定，不改變司機室操作模式，能夠有效應對故障、檢修等情況。

3.2 自動化系統升級

（1）機械設計。機械結構可選擇新型八軸防搖系統，其中包括卷筒八個、伺服電機八臺，對原有的起升機構進行替代。（2）電氣控制。電氣控制系統的設計，是將原有變頻驅動系統更改為交流伺服控制系統，其中共包括伺服電機八臺、伺服驅動器八臺以及貝加萊控制器三部分。系統所應用的是POWERLINK總線通信方式，真正做到了實時通信。每臺伺服驅動器都有一個對應的伺服電機，以確保能夠滿足平移、旋轉等目標，并可以實現鋼絲繩的分別工作。此外，吊具底部可以安裝激光傳感器，并通過八軸控制器來獲得傳感器動態信息，從而確保吊具和集裝箱能夠實現對齊化操作。如果操作時出現傳感器被遮擋的情況，就表示兩者沒有對齊。激光傳感器安裝在吊具上，八軸控制器安裝在司機室內的電器柜位置，對傳感器線纜長度有著較高要求，大多數情況下只能夠支持一臺控制器采集激光反饋數據，然后，再將數據傳輸給八軸控制器，統一進行調度。為改善此種情況，需要安裝兩個控制器，并且兩者之間可通過以太網通信，確保均能能夠有效收集激光反饋數據。（3）系統軟件。系統軟件的設計也是重要的一部分，包括搭建編程環境與編寫功能性程序兩部分。包括編寫設備描述文件以及第三方伺服組態文件等。系統軟件的設計，要求其能夠與硬件相互配合作業，實現系統自動化操作要求。

4 結語

傳統碼頭輪胎吊的升級改造，是行業發展的必然要求，不僅可以降低柴油機運行能耗與維護成本，同時還可以通過自動化系統達到更高的作業效率，為企業的發展獲取更大的經濟效益。