門座式起重機原木旋轉抓具的應用

◎ 溫宏杰，王 磊，劉明輝，趙 杰，張海明，邱兆龍

（山東港口集團青島港董家口分公司，山東 青島 266000）

1 背景介紹

我國木材消耗快速增長，已成為全球最大的木材進口國。我國每年要從國外進口大量原木，當下粗放型的原木作業場地裝卸工藝和設備工作方式導致了原木工致殘率仍然較高，效率低下。原木規格、重量的跨度是巨大的，一般來說，木材的氣干密度值可由較小的輕木的0.12 g·cm-3到較大的蛇紋木的 1.20～1.36 g·cm-3，其值域分布廣闊。

在港口作業中，門座式起重機作為一個重要的裝卸工具，由起升、旋轉、變幅和行走機構組成，其中門機的旋轉機構上還裝有可俯仰的傾斜單臂架或組合臂架及司機室，門機行走機構作為作業中不可或缺的一部分，能夠使門機在軌道上運行，可以把貨物送到指定的角度和位置。門機隨著港口業的發展而發展，門座式起重機是港口碼頭上數量和使用頻率最多、機構最多、結構較為復雜、最典型的電動裝卸機械。它具有較好的工作性能和獨特的結構，通用性強，被廣泛應用在港口碼頭。門座式起重機的工作結構具有較高的運轉速度，使用率高，臺時效率也很高，一般可達100 t·h-1以上。它的結構是立體的，占用碼頭面積較少，具有高大的門架和較長距離的伸臂，因而具有較大的起升高度和工作幅度，能滿足港口、碼頭、船舶和車輛的機械化裝卸、轉載，充分使用港口、碼頭場地，適應船舶的空載、滿載作業，以及地面車輛的通行要求，還具有高速靈活、安全可靠的裝卸能力，對提高裝卸生產率，減輕繁重的體力勞動具有重大的意義。

在港口傳統原木貨種裝卸作業過程中，門機大多使用傳統原木抓具，該抓具直接與門機4根主鉤鋼絲繩連接，門機通過控制中間兩根開閉鋼絲繩的起升和下落來實現抓斗的開閘和閉閘，司機需要反復的開閉閘才能夠抓緊抱牢原木，過程煩瑣，浪費時間。并且傳統的抓具不具備旋轉功能，船艙內的原木不平行于軌道時，需要門機司機操控門機的旋轉來控制抓斗的方向，找鉤不精確、需要反復的碰撞抓斗才能擺正角度，僅能通過司機的操作實現小幅度旋轉擺幅。傳統的原木抓具僅能抓取平行于門機軌道擺放的原木貨物，若船艙內擺放有垂直于門機軌道的貨物，則需要其他流動性機械配合將垂直的貨物調整至平行于軌道的方向后，門機再使用原木抓具進行抓取，影響作業效率，上述作業流程有以下幾點不足。①艙內需要挖掘機進行配合，門機需要反復更換索具吊裝機械，影響作業效率。②貨物存在高空落物的風險，若艙內機械、人員站位不當可能造成機損、人員受傷。③門機使用鋼絲控制抓斗開閉閘，當原木抓的牢時會出現閉合鋼絲繩受力較大，可能出現單機受力超負荷。④人員誤操作或設備出現故障，可能出現抓斗雙機不平衡導致抓斗開口，貨物撒落[1]。

為解決傳統原木裝卸作業過程中存在的不足，相關研發人員經分析研究制造一種可以進行360°旋轉功能的原木抓具，該原木抓具可以在艙內旋轉，抓取任意角度的原木。此外，這種原木抓具還使原本需要門機+挖掘機+指揮手的作業模式精簡為僅需門機獨自作業即可，省去了挖掘機和司機的環節，降低了作業成本，兼顧提高作業效率，有效解決了人機分離的本質安全問題、鋼絲繩單機超負荷現象、抓斗自動開斗現象，保障作業人員人身安全、作業機械安全、船舶自身安全和貨物自身安全，落實生產作業安全當先的準則。

基本方案為一種可以單獨使用的可360°旋轉的電動鉤頭和由電能控制液壓系統實現開閘和閉閘的原木抓具組成。其特征為電動旋轉鉤頭由兩套電機+減速箱、回轉軸承、中心滑環、吊鉤和編碼器；通過使用變頻器驅動兩臺電動機帶有減速箱連接齒輪，通過司機操作按鈕，給PLC一個電信號，輸出給變頻器驅動電機正向和反向的旋轉，使得旋轉鉤頭可360°方向旋轉，能夠實現鉤頭的旋轉速度可變頻調節，回轉裝置中設有中心導電滑環，在相對轉動過程中動力與通信信號的傳輸，確保鉤頭能夠360°旋轉；原木抓具由電動機、油泵、液壓油缸、蓄能器、斗瓣和行程開關組成；吊具鉤頭通過鏈條、卸扣與門機主鉤鋼絲連接，通過安裝在門機上的電纜提供動力及通信控制信號；吊具鉤頭與原木抓具之間通過軸銷連接，通過電纜連接傳輸動力及通信控制信號。

隨著青島港到港原木貨類增加，山東港口集團青島港董家口分公司也開始從事原木貨類的接卸作業。原木卸船主要使用門機配備專用抓斗作業，在裝卸作業主要靠抓斗來進行，對于原木這種貨類，全國各大港口多數在用10 t、16 t門座式起重機對原木進行作業，對于大噸位的原木船只來說，用小噸位的門機進行作業所需工作時間長，效率低。山東港口集團青島港董家口分公司現有門機載荷為25 t，起升機構使用4根鋼絲繩，即俗稱四索。25 t四索原木抓斗斗容大，抓取貨物量大，較10 t、16 t載荷而言在作業時間與作業效率上有非常大的優勢。同時，對于原木這種貨類來說，其外形屬于細長型。由于船只裝載原木是順著船體方向，即與門機軌道方向平行，正常雙顎抓斗，雙顎打開方向對于門座式起重機來說是左右方向。而原有原木抓斗又是類似于雙顎形式，在抓斗作業時，斗齒的打開方向與其他抓斗雙顎打開方向一致，在抓取原木時打開的斗齒正好位于原木的兩端，正常作業時只有在人工輔助的情況下抓斗斗齒才會擺正，從而將其抓起，同時在抓起后由于抓斗滿負荷會自擺回原來的位置致使原木的一端對著門座式起重機，這種情況給抓斗作業帶來了很多不便，四索抓斗旋轉90°非常難以控制，人工輔助也不安全，作業效率也受到很大影響。因此，提供一種結構簡單、設計合理、性能安全可靠以及操作簡便的用于裝卸門機上的25 t四索原木抓斗是該領域技術人員亟待解決的問題之一[2]。

2 原木旋轉抓具的構造

2.1 電控系統

對司機室內配電柜進行改造，安裝一套電動旋轉鉤頭控制專用變頻器、PLC系統，對門機操作手柄進行改造，替換為含有多個操作按鈕的航空主令，同時在門機臂架系統上安裝一套由主吊桿底部延伸至象鼻梁端部的電纜+配電箱+插座+配重生根點組成的配套基礎供電系統，實現對電動旋轉鉤頭和原木抓具動力電源的輸送及控制信號的傳遞。在旋轉大齒圈處安裝一個編碼器，用來和電動鉤頭旋轉齒圈處安裝的編碼器反饋回來的旋轉速度進行對比，從而實現電動鉤頭同門機的旋轉速度相同，實現自動跟隨功能。同時對門機原有PLC程序、變頻器參數進行一定優化修改，實現旋轉鉤頭相關程序同門機原有程序無縫完美對接[3]。

2.2 電動旋轉鉤頭

旋轉電動鉤頭由兩套驅動電機+減速箱、回轉軸承、中心滑環、吊鉤、吊耳及鏈條、編碼器、上機電纜和電纜儲存框組成，可以360°旋轉，并且可單獨作為鉤頭使用。

2.3 液壓原木抓具

液壓原木抓具由電動機、油泵、液壓油缸、蓄能器和斗瓣組成，使用電能控制液壓系統實現開閉閘。

3 原木旋轉抓具的工作原理

3.1 組裝方式

吊具鉤頭通過鏈條、卸扣與門機主鉤鋼絲連接，通過安裝在門機上的電纜提供動力及通信控制信號；吊具鉤頭與原木抓具之間通過軸銷連接，通過電纜連接傳輸動力及通信控制信號，吊具可實現自動跟隨功能，抓斗可以始終保持一個方向跟隨門機自動旋轉[4]。

3.2 工作原理

通過司機在司機室操作油泵的開啟，操作鉤頭的旋轉按鈕，給PLC一個電信號，輸出給變頻器驅動電機正向和反向的旋轉，兩臺電動機帶有減速箱連接齒輪，使得旋轉鉤頭可360°方向旋轉，變頻器驅動能夠實現鉤頭的旋轉速度可變頻調節，平穩啟動和制動，回轉裝置中設有中心導電滑環，確保相對轉動過程中動力與通信信號的傳輸，編碼器能夠反饋旋轉速度到PLC同門機的旋轉速度相比較實現自動跟隨功能。操控開閉閘按鈕，給PLC一個電信號，能夠控制原木抓具上的電磁閥的通斷來實現抓具的開閉閘控制，抓具上的行程開關控制開閉范圍，觸發限位后停止 開閉閘。

4 原木旋轉抓具的具體工作流程

4.1 電動旋轉鉤頭與門機的連接組裝

門機從事原木貨種裝卸的可電動旋轉的鉤頭+液壓抓斗組成的抓具見圖1所示。

圖1 門機從事原木貨種裝卸的可電動旋轉的鉤頭+液壓抓斗組成的抓具結構示意圖

作業人員使用卸扣將門機主鉤鋼絲繩與電動旋轉鉤頭平衡梁上的吊耳進行連接，操作司機將電動旋轉鉤頭起升至門機最高點，作業人員爬到吊桿的端部使用繩子將電動旋轉鉤頭動力源的電纜通過插頭與門機象鼻梁端部的插座連接箱連接好并進行固定，電纜的連接可以傳遞旋轉鉤頭和原木抓具的動力電源、控制信號和通信信號的傳遞。

4.2 電動旋轉鉤頭與液壓抓斗的連接組裝

操作司機將電動旋轉鉤頭落至合適高度，將電動旋轉鉤頭通過連接軸I將電動旋轉鉤頭與液壓抓斗實現物理連接，將液壓抓斗上的電纜插頭與電動旋轉鉤頭上的配電箱插座連接，實現液壓抓斗的開閉閘控制。完成上述安裝作業后，司機可以在駕駛室操控實現原木抓具的各項功能。司機只需要通過改造后的航空主令，便能控制電動鉤頭的360°旋轉和原木抓具的開閘和閉閘，可同時實現門機+旋轉抓具的多種組合動作連貫動作，節省裝卸時間。例如，司機可在門機起升過程中操控液壓抓斗開閉閘和抓斗的旋轉，在起升和下降過程中隨時旋轉抓具的角度到達合適的位置。這種組裝方式改善了操控難易程度、加強了裝卸的連貫和流程性，提高了裝卸的效率。

4.3 兩個斗齒鉸座和寬斗齒的兩個斗齒鉸座連接

窄斗齒上端的連接鉸座內掛在中梁箱體內側，寬斗齒上端的連接鉸座內掛在中梁箱體的外側，這樣就使得兩斗齒形成雙顎的形式。中梁滑輪總成上設有鋼絲繩控制器，上承梁的滑輪總成通過鋼絲繩與中梁的滑輪總成連接，形成斗齒開閉滑輪組系。每個開合活動支架的下端面分別以多個連接桿連接抓斗斗齒。鋼絲繩控制器是一個弧形管，下端以軸活動連接在中梁箱體側板上，上端部閉合活動包裹在鋼絲繩上。抓取范圍大、容積大、強度高、切入角度好、摩擦阻力小、抗拉強度高、中梁結構嚴謹及控制靈活，有效避免了作業中鋼絲繩出滑輪槽的問題，抓斗通過對平衡梁的扭轉以及上梁滑輪組和中梁滑輪組的相應扭轉，保證了抓斗在作業時原木的兩端在門機的兩側而不是對著門機。保證抓斗在抓取出原木位置是與門座式起重機的位置在空間上保持平行，而不是垂直關系，從而大大降低了危險作業系數，避免了人工輔助作業的危險[5]。

5 原木旋轉抓斗的優勢

5.1 提高效率

創新采用旋轉鉤頭+液壓原木抓具的組合，通過采用液壓控制，實現原木抓具360°旋轉，門機可以抓取船艙內任意角度、位置的原木貨物，免去了艙內挖掘機等其他機械配合作業的過程，抓取原木一次性抓滿不會出現超負荷現象，能夠提升裝卸效率為40%，一臺門機每年裝卸40萬方原木，消耗電能為22.4kW·h，每年能節省電費9萬余元左右。

5.2 降低風險

該旋轉抓具開閉閘由液壓系統控制，門機4根鋼絲繩受力平衡，杜絕了舊有原木抓斗可能出現單機超負荷的隱患風險。在大大降低艙內作業機械、人員成本的同時有效避免由于艙內人機配合不當造成高空落物等風險。

5.3 應用多樣性

因港口接卸的貨種復雜性，針對不同的作業貨種時如五金、袋裝物、件雜貨等，也可單獨使用電動旋轉鉤頭進行作業，可以實現貨物在艙內360°旋轉任意角度擺放，免去人員接觸貨物，解決人貨分離，保障安全。

5.4 節約成本、提高收益

通過上述方式，能夠節省一臺挖掘機和一名司機的成本，每臺挖掘機每年接卸原木為30萬m3，消耗燃油為9.3萬L，大約燃油成本為65萬元、維護成本為13萬余元、挖掘機司機人工成本為15萬元。提升裝卸效率能夠降低的能耗費用9萬元，能夠保障作業人員人身安全，落實生產作業安全當先的準則，能夠與實際生產相結合，提高工作效率，每年為企業帶來收益約100萬元以上。