集裝箱運(yùn)輸半掛車自動(dòng)鎖頭裝置

紀(jì)海輝

中集車輛（集團(tuán)）股份有限公司 廣東深圳 518000

1 前言

目前，全球集裝箱的車載陸地運(yùn)輸市場多采用集裝箱運(yùn)輸半掛車運(yùn)輸?shù)姆绞?。在運(yùn)輸過程中，為防止慣性或經(jīng)過坡道使集裝箱側(cè)翻，需要通過集裝箱上的角座與集裝箱運(yùn)輸半掛車車架上的鎖具而連接，進(jìn)而保持集裝箱處于穩(wěn)定的狀態(tài)。角座通常為內(nèi)部中空的矩形方體結(jié)構(gòu)，并且角座上通常開設(shè)有一個(gè)大致呈橢圓形狀的通孔。鎖具為具有可旋轉(zhuǎn)的鎖頭，大致呈扁半球狀[1-2]，見圖1。

圖 1 常規(guī)的鎖頭

當(dāng)集裝箱固定時(shí)，鎖頭可順利通過通孔插入角座內(nèi)，然后旋轉(zhuǎn)鎖頭把手，使得鎖頭無法再從集裝箱角座中移動(dòng)出去，以達(dá)到將集裝箱固定在車架上的作用。但現(xiàn)有鎖頭在裝卸集裝箱時(shí)，均由人工環(huán)繞整車四周手動(dòng)操作鎖頭手柄來完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率較低，也無法滿足無人作業(yè)的需求；且人工操作時(shí)也非常不便，容易產(chǎn)生遺漏，使鎖頭產(chǎn)生卡死或固定不到位，甚至損壞等問題，從而存在嚴(yán)重的安全隱患。

2 自動(dòng)鎖頭裝置方案

為解決上述技術(shù)問題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種集裝箱運(yùn)輸半掛車的自動(dòng)鎖頭裝置，見圖2。

圖2 集裝箱運(yùn)輸車鎖頭局部放大圖

通過遙控器發(fā)送掛車解鎖、閉鎖指令，掛車控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器(鎖頭電磁閥)執(zhí)行相應(yīng)的操作指令，對4個(gè)鎖頭(A、B、C、D)同時(shí)進(jìn)行解鎖、閉鎖，并將鎖頭狀態(tài)以及集裝箱著箱狀態(tài)由鎖頭位置和著箱傳感器通過控制器發(fā)送至電磁閥上，可自動(dòng)或遙控控制氣缸驅(qū)動(dòng)鎖頭的開閉及鎖緊，原理如圖3。該自動(dòng)鎖頭裝置包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4、圖5。鎖頭座固定于車輛車架，鎖頭在無油軸承的作用下與鎖頭座形成徑向支撐并可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖頭通過自身螺紋和圓柱銷與連接座連接，通過平面推力軸承與鎖頭座形成軸向支撐并可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)；連接座通過連接零件與90°旋轉(zhuǎn)氣缸的旋轉(zhuǎn)平臺相連，并達(dá)到鎖頭在0～90°范圍內(nèi)可任意切換旋轉(zhuǎn)，90°旋轉(zhuǎn)氣缸的底座通過連接零件與固定在車架上的安裝板連接，考慮氣缸是一種精密原件，車輛振動(dòng)較大，考慮在90°旋轉(zhuǎn)氣缸的底座安裝處增加一個(gè)剛度匹配的橡膠減振塊，減小車輛振動(dòng)的影響，提高裝置的可靠性[3]。

圖3 裝置總體方案

圖4 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總視圖

圖5 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組件

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)見圖6。遙控器A為自動(dòng)線控操控器，指令輸入端可適用于人為遙控，且人為遙控優(yōu)先于其他通信控制，也可與該應(yīng)用場景的其它相關(guān)機(jī)械設(shè)備通過自動(dòng)網(wǎng)聯(lián)進(jìn)行通信交互。另一端與掛車控制器B以內(nèi)部通信方式，通過遙控器發(fā)送掛車解鎖、閉鎖指令，掛車控制器B驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器（防松電磁閥C，扭鎖電磁閥D）執(zhí)行相應(yīng)的操作指令，對4個(gè)鎖頭同時(shí)進(jìn)行解鎖、閉鎖。鎖頭狀態(tài)以及集裝箱著箱狀態(tài)由鎖頭位置和著箱傳感器通過CAN總線通訊發(fā)送到控制器及遙控器上，遙控器通過LED狀態(tài)燈顏色指示當(dāng)前鎖止傳感器及集裝箱著箱狀態(tài)，以便判斷是否著箱和每個(gè)鎖頭的鎖止?fàn)顟B(tài)。為防止機(jī)械部分可能會(huì)遇到一些特殊情況，比如機(jī)械部分可能出現(xiàn)卡死時(shí)與系統(tǒng)指令不一致的情況，指示燈提出警示[4]。

圖6 控制邏輯圖

4.1 具體工作流程

a. 實(shí)現(xiàn)鎖頭鎖閉。

系統(tǒng)確認(rèn)鎖頭全部處于打開狀態(tài)，通過遙控器按鍵發(fā)送掛車閉鎖指令，掛車控制器B驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，先對防松電磁閥C通電，電磁閥C通電后，對防松氣缸通氣。此時(shí)，在氣壓作用下，防松頂桿縮回，解除對旋轉(zhuǎn)氣缸的緊固，防松電磁閥C通電2 s后（暫定2 s，此延時(shí)可通過軟件修改），對扭鎖電磁閥D的鎖頭鎖閉線圈通電。扭鎖電磁閥D使旋轉(zhuǎn)氣缸的鎖閉工作腔通氣，旋轉(zhuǎn)至鎖閉位置，至鎖頭狀態(tài)全部顯示鎖閉到位后，可斷開扭鎖電磁閥D及防松電磁閥C的電源（可使防松電磁閥C斷電后稍做延時(shí)再對D斷電），此時(shí)，防松氣缸排氣，防松頂桿在機(jī)械（彈簧）作用下伸出，頂入旋轉(zhuǎn)氣缸上的鎖止槽，可防止旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)。

b. 實(shí)現(xiàn)鎖頭解鎖。

系統(tǒng)確認(rèn)鎖頭全部處于鎖閉狀態(tài)，通過遙控器按鍵發(fā)送掛車解鎖指令，掛車控制器B驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器[5]，先對防松電磁閥C通電，電磁閥C通電后，對防松氣缸通氣。此時(shí)，在氣壓作用下，防松頂桿縮回，解除對旋轉(zhuǎn)氣缸的緊固，防松電磁閥C通電2 s后（暫定2 s，建議此延時(shí)可通過軟件修改），對扭鎖電磁閥D的鎖頭解鎖線圈通電。扭鎖電磁閥D使旋轉(zhuǎn)氣缸的解鎖工作腔通氣，旋轉(zhuǎn)至解鎖位置，至鎖頭狀態(tài)全部顯示解鎖到位后，可斷開扭鎖電磁閥D及防松電磁閥C的電源（可使防松電磁閥C斷電后稍做延時(shí)再對D斷電）。此時(shí)，防松氣缸排氣，防松頂桿在機(jī)械（彈簧）作用下伸出，頂入旋轉(zhuǎn)氣缸上的鎖止槽，可防止旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)工作業(yè)務(wù)流程見圖7。

圖7 工作流程圖

5 通信交互 自動(dòng)聯(lián)結(jié)

本裝置主要為上述兩個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)統(tǒng)一選用對應(yīng)車輛的低壓電源。另外可充分利用半掛車制動(dòng)氣壓作為動(dòng)力源，將使用的壓力、光電傳感器及工業(yè)自動(dòng)化氣動(dòng)元件相結(jié)合，自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遙控，與作業(yè)場景管理系統(tǒng)進(jìn)行通信交互，自動(dòng)聯(lián)結(jié)其它相關(guān)應(yīng)用設(shè)備，從而全面配合碼頭、大型堆場等自動(dòng)裝卸集裝箱等無人化作業(yè)場景，將較大促進(jìn)集裝箱運(yùn)輸行業(yè)的自動(dòng)化、無人化的發(fā)展。同時(shí)也防止有人場景人工遺漏開閉的問題的出現(xiàn)，節(jié)約勞動(dòng)力，提升效率，防止人為失誤。

6 結(jié)語

隨著物流市場迅速掀起的自動(dòng)化建設(shè)熱潮，集裝箱自動(dòng)化作業(yè)運(yùn)輸?shù)男枨笤絹碓狡惹?。目前洋山港、天津港、廈門遠(yuǎn)海碼頭等多個(gè)碼頭實(shí)現(xiàn)了無人化碼頭，同時(shí)還有部分無人化大型堆場正在建設(shè)中，將加速實(shí)現(xiàn)從集裝箱、船舶到各地的道路運(yùn)輸采用無人操作。因此在集裝箱運(yùn)輸半掛車上配置自動(dòng)鎖頭，實(shí)現(xiàn)與各應(yīng)用環(huán)境的交互對接，實(shí)現(xiàn)陸運(yùn)與轉(zhuǎn)運(yùn)場地的無縫對接，對集裝箱運(yùn)輸業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展具有積極重大意義。由于本文主要針對自動(dòng)鎖頭產(chǎn)品進(jìn)行闡述，如要達(dá)到真正的無人應(yīng)用，還需涉及整個(gè)運(yùn)營環(huán)境、設(shè)備等等之間配合和管理才能實(shí)現(xiàn)，相信在不久的將來，集裝箱無人智能場站將在更多的地方投入使用，將會(huì)大幅度提高集裝箱的裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)效率。