硬開頂箱高效卸貨裝備設(shè)計(jì)

周紅軍

（湖北力帝機(jī)床股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

據(jù)預(yù)測，2021年國際市場干散貨需求達(dá)53億噸，其中鐵礦石約15億噸、小宗干散貨約20億噸[1]，發(fā)達(dá)國家散貨集裝箱化率已經(jīng)到達(dá)70%～80%，而中國內(nèi)貿(mào)集裝箱化率僅有20%左右[2]，散貨集裝箱化運(yùn)輸有著非常大的發(fā)展空間。各類散貨運(yùn)輸中礦石具有數(shù)量龐大、價(jià)值較高、物流環(huán)節(jié)多、環(huán)境污染大、貨損大等顯著特點(diǎn)，如能采用高效便捷的集裝箱化運(yùn)輸，將能產(chǎn)生較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。礦業(yè)發(fā)達(dá)的澳大利亞從環(huán)境保護(hù)角度已經(jīng)開始著手立法逐步推行礦石集裝箱化運(yùn)輸。從裝卸效率、箱體強(qiáng)度、箱體壽命等技術(shù)層面分析，硬開頂箱單箱額定載荷可達(dá)30t，是當(dāng)前最適宜礦石集裝箱化運(yùn)輸?shù)妮d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(xiàn)有硬開頂箱裝貨卸貨設(shè)備

現(xiàn)有適用于礦石的裝貨裝備大體可歸納為皮帶輸送、裝載機(jī)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(yè)；國內(nèi)現(xiàn)有的卸貨裝備都是以ISO標(biāo)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(xiàn)階段硬開頂箱基本采用人工或借助叉車、抓斗等機(jī)具輔助的方式卸貨，效率低下，尚無可靠的裝備能實(shí)現(xiàn)高效卸貨作業(yè)。對硬開頂箱卸貨技術(shù)進(jìn)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(huán)節(jié)；針對卸貨作業(yè)的不同工況需求設(shè)計(jì)了自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)和自動(dòng)翻轉(zhuǎn)吊具兩種裝備。

2 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)為固定式裝備，通常與集裝箱起重機(jī)、皮帶輸送系統(tǒng)等配合使用，主要由皮帶輸送系統(tǒng)、料斗、翻轉(zhuǎn)機(jī)主體、開蓋小車、PLC控制系統(tǒng)等五大部分組成，見圖2。工作時(shí)，由起重機(jī)吊載集裝箱放置在翻轉(zhuǎn)架上，翻轉(zhuǎn)機(jī)自動(dòng)完成稱重、開蓋、360°旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)側(cè)翻卸貨，經(jīng)過料斗由皮帶機(jī)輸送進(jìn)行堆垛作業(yè)。

圖2 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)

2.2 主要部件設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)架是承載硬開頂箱的主要受力構(gòu)件，采用箱形梁框架結(jié)構(gòu)，通過兩端的軸承座固定在支撐平臺(tái)上；設(shè)置有導(dǎo)向框架，既能用于集裝箱落位導(dǎo)向，又能在側(cè)向翻轉(zhuǎn)時(shí)起到支撐作用，能有效減小頂側(cè)梁的撓曲變形。此外，在翻轉(zhuǎn)機(jī)底平面四角布置了四組鎖固機(jī)構(gòu)，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(dòng)，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(yè)；

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承、小齒輪、減速電機(jī)等組成；回轉(zhuǎn)支承與翻轉(zhuǎn)架連接，減速電機(jī)固定在軸承座上；

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

圖3 合成重心及力矩曲線

當(dāng)裝貨高度0.75m時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Mmax≈71KN·m，n=1.5r/min時(shí)，計(jì)算可得P=11.15KW；最終選擇2臺(tái)7.5KW4級(jí)電機(jī)，采用閉環(huán)變頻調(diào)速；立式行星+直交軸組合減速器，總傳動(dòng)比i=960；配備彈簧上閘常閉制動(dòng)器，額定制動(dòng)力矩75N·m，制動(dòng)器安全系數(shù)大于2，能保持翻轉(zhuǎn)機(jī)在滿載時(shí)任意角度懸停。

鎖固機(jī)構(gòu)見圖4。頂桿下端和驅(qū)動(dòng)連桿中部均設(shè)有發(fā)訊開關(guān)。通過電動(dòng)推桿伸縮推動(dòng)拐臂旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)旋鎖轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同。

圖4 鎖固機(jī)構(gòu)

開蓋小車類似于室內(nèi)行車結(jié)構(gòu)，可帶載做水平移位和上下升降運(yùn)動(dòng)，用于箱頂蓋的開蓋和合蓋操作；主要小車架、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、提升梁、提升機(jī)構(gòu)、鎖固機(jī)構(gòu)、供電拖鏈等部件，相關(guān)機(jī)構(gòu)上設(shè)有發(fā)訊開關(guān)。其工作原理是提升梁下降，旋鎖機(jī)構(gòu)鎖定箱蓋后提升，再由小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平移至開蓋工位，實(shí)現(xiàn)開蓋操作；合蓋反之操作。

2.3 自動(dòng)控制流程

翻轉(zhuǎn)機(jī)采用通過PLC系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式，既可遠(yuǎn)程控制又可由起重機(jī)司機(jī)本地操作；各工作機(jī)構(gòu)的位置和狀態(tài)信息均設(shè)有發(fā)訊開關(guān)，并實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)鎖，確保設(shè)備安全運(yùn)行。硬開頂箱在翻轉(zhuǎn)架上落位后，觸發(fā)著箱信號(hào)，PLC控制鎖固機(jī)構(gòu)鎖定箱角件，并控制開蓋小車完成開蓋動(dòng)作并移開；稱重系統(tǒng)、箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)完成稱重計(jì)量和統(tǒng)計(jì)；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)架帶著集裝箱繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)側(cè)向傾轉(zhuǎn)卸料；翻轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)360°后復(fù)位，再次稱重后開蓋小車合蓋，再由起重機(jī)將空箱取走，完成一個(gè)卸貨工作循環(huán)。

3 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)吊具改進(jìn)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)吊具是用于實(shí)現(xiàn)硬開頂箱空中側(cè)翻卸貨的機(jī)具。該裝備早期由澳大利亞與國內(nèi)企業(yè)合作制造并申請專利[6]，見圖5，國內(nèi)亦有類似產(chǎn)品。這類吊具采取插入集裝箱從兩端頂?shù)醯墓潭ǚ绞?，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(huán)節(jié)，極大限制了翻轉(zhuǎn)吊具的使用范圍，存在很大缺陷在此基礎(chǔ)上對翻轉(zhuǎn)吊具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

圖5 國外翻轉(zhuǎn)吊具

3.1 總體方案

新型翻轉(zhuǎn)吊具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于解決硬開頂箱密集堆碼時(shí)的取箱問題，以適應(yīng)任意堆放模式?？傮w設(shè)計(jì)參照現(xiàn)有吊具結(jié)構(gòu)，增加了提升機(jī)構(gòu)，使取箱的鎖固機(jī)構(gòu)伸出吊具下平面，實(shí)現(xiàn)便利的對位取箱。工作機(jī)構(gòu)中設(shè)置著箱、開/閉鎖、升降、旋轉(zhuǎn)、開/閉蓋等多重發(fā)訊開關(guān)，與起重機(jī)的起升或移位等機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)，防止誤動(dòng)作發(fā)生灑料或意外事故。采用全液壓驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)置在吊架箱梁內(nèi)，為全封閉結(jié)構(gòu)，能有效防止漏油污染事故。主要由吊架、旋轉(zhuǎn)架、鎖固機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、開蓋機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)等部件組成，見圖6。

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

（1）提升機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)架內(nèi)側(cè)，可沿布置在旋轉(zhuǎn)架內(nèi)的導(dǎo)向柱上下移動(dòng)，通過四件提升油缸驅(qū)動(dòng)；提升油缸為多級(jí)液壓缸，提升速度可達(dá)3.5m/min，最大提升行程可達(dá)2m，設(shè)有可調(diào)限位開關(guān)，可適用于箱高2.2m以下不同箱型作業(yè)需要。此外，在提升架四角設(shè)有旋鎖機(jī)構(gòu)，用于與硬開頂箱頂角件連接。

圖6 翻轉(zhuǎn)吊具

（2）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)減速馬達(dá)、小齒輪等組成，旋轉(zhuǎn)速度n=1.5r/min，驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算方法與翻轉(zhuǎn)機(jī)相同；經(jīng)核算配置4套WKH2.5-2000減速馬達(dá)，結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)可靠。主要部件設(shè)計(jì)與現(xiàn)有產(chǎn)品類似或前述翻轉(zhuǎn)機(jī)類似，不再贅述。

3.3 自動(dòng)控制流程

吊具通過滑輪組與起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)連接，對旋鎖、提升、開蓋、稱重等動(dòng)作采用PLC自動(dòng)控制，能有效減輕起重機(jī)司機(jī)的操作強(qiáng)度。起重機(jī)帶吊具運(yùn)行到待卸貨集裝箱上方，對位、著箱后發(fā)訊，提升架內(nèi)的旋鎖機(jī)構(gòu)鎖定硬開頂箱頂角件，提升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)提升架帶硬開頂箱上升至旋轉(zhuǎn)上限位；稱重后開蓋機(jī)構(gòu)自動(dòng)提起箱頂蓋至開蓋上限位；起重機(jī)司機(jī)操作吊具運(yùn)行至卸貨工位上方，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)架帶著硬開頂箱繞軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)側(cè)向傾轉(zhuǎn)卸料；旋轉(zhuǎn)360°后，開蓋機(jī)構(gòu)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(jī)移動(dòng)到落箱工位放下空箱，完成一個(gè)卸貨工作循環(huán)。

4 兩種卸貨裝備的應(yīng)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(dòng)卸貨要求，功能特點(diǎn)上略有差異。

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

單機(jī)卸貨效率可達(dá)17箱/h，折算卸貨量可達(dá)510t/h，多個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)與一臺(tái)集裝箱起重機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)可進(jìn)一步提高卸貨效率。此外，還可根據(jù)需求開發(fā)適用于40英尺或雙20英尺的翻轉(zhuǎn)機(jī)，進(jìn)一步提高卸貨效率或擴(kuò)展到其他散貨的裝卸領(lǐng)域。

還可根據(jù)需要配備負(fù)壓吸塵系統(tǒng)，對主機(jī)進(jìn)行封閉處理，用于易揚(yáng)塵的物料卸貨作業(yè)，對出料端的皮帶輸送系統(tǒng)采取封閉式設(shè)計(jì)，滿足環(huán)保要求。

（2）自動(dòng)翻轉(zhuǎn)吊具本質(zhì)上屬于起重機(jī)專用機(jī)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(jī)配套，稍作改制還可用于門座起重機(jī)。但對起重機(jī)的能力提出了更高的要求，起重能力應(yīng)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(guān)注。卸貨時(shí)，采用起重機(jī)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(zhuǎn)吊具直接進(jìn)行卸貨堆垛作業(yè)，還能用于港口碼頭的大型散貨裝船作業(yè)。作業(yè)流程為：取箱→卸貨→落箱，除起重機(jī)由專職司機(jī)操作外，其余卸貨過程也無需人工輔助。單機(jī)卸貨效率可達(dá)13箱/h，折算最大卸貨量可達(dá)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(xiàn)有集裝箱在碼頭、運(yùn)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(yè)。

5 結(jié)語

兩種卸貨裝備的研發(fā)有助于切實(shí)提高散貨集裝箱的卸貨效率，實(shí)現(xiàn)硬開頂箱在中轉(zhuǎn)和終端卸貨低成本、高效化和規(guī)模化目標(biāo)，適用于現(xiàn)有堆場的專業(yè)化改造或擴(kuò)建；還能布置在冶煉廠的原料庫房內(nèi)。硬開頂箱物流系統(tǒng)應(yīng)用于任何大宗散貨運(yùn)輸在技術(shù)上是可行的。當(dāng)然物流模式的選擇更多取決于經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性等因素，需要物流企業(yè)在路線規(guī)劃、貨源對沖等方面拓展渠道，進(jìn)一步降低物流成本，相關(guān)裝備的研發(fā)和應(yīng)用也可以結(jié)合實(shí)際條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)不同貨物裝卸需求。