堆垛導引集裝箱吊具設計創新

張新杰

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

在集裝箱碼頭堆場內，能否快速、整齊地把集裝箱堆垛在指定的位置決定著堆場的工作效率。運用傳統吊具時需要人工判斷堆垛集裝箱的位置，易導致堆垛偏差，當堆垛集裝箱的層數達到一定數量后，累積的偏差可導致整垛集裝箱傾倒事故的發生[1]。若采用具備自動識別和掃描功能的設備，雖能有效地提高堆垛集裝箱的精度，但需投入大量資金對碼頭的設備及基礎設施進行更新或改造[2]。為此設計了堆垛導引集裝箱吊具，不僅減少集裝箱堆垛偏差，而且能減少自動化設備的投入。

2 堆垛導引工作原理

該吊具的堆垛導引功能是利用導板輔助著箱實現的。集裝箱吊具抓取集裝箱時，在接近集裝箱頂的高度時，借助導板的力量集裝箱吊具調整至集裝箱正上方的位置，從而實現快速抓取集裝箱的目的。當集裝箱吊具堆垛集裝箱時，將移動導板移動至集裝箱的底部，借助導板將集裝箱吊具和要堆放的集裝箱拉至集裝箱正上方的位置。該裝置既能快速堆垛集裝箱，又能減少堆放集裝箱時產生的偏差。堆垛完成后，再把移動導板移動并鎖定至集裝箱吊具上，不影響集裝箱吊具的正常伸縮功能。

3 堆垛導引機構組成

3.1 機械結構組成

堆垛導引集裝箱吊具和普通集裝箱吊具的不同是，在普通伸縮式集裝箱吊具的左右兩端增加了一套可以上下升降、內外擺動的堆垛導引機構。堆垛導引集裝箱吊具由導向機構、卷繞機構、折臂機構和移動導板機構組成(見圖1)。

1.導向機構 2.卷繞機構 3.移動導板機構 4.折臂機構圖1 堆垛導引機構總圖

導向機構是用于約束移動導板的導向裝置，使移動導板只能上下移動。卷繞機構通過鋼絲繩在卷筒上卷繞，驅動移動導板上下移動。折臂是集裝箱吊具和移動導板之間的聯絡機構，折臂內有連接集裝箱吊具和移動導板的電纜和液壓油管。移動導板由2個固定導板通過橫梁連接而成，是堆垛時和集裝箱接觸的機械機構。

移動導板在集裝箱吊具上有2個位置，分別是8.0 ft和8.5 ft。移動導板在8.0 ft位置時，具有和普通集裝箱吊具固定導板相同的功能，目的是方便集裝箱吊具抓取集裝箱。當移動導板處于8.5 ft時，集裝箱吊具無導板功能，方便集裝箱吊具維修和運輸，防止集裝箱吊具在移動時移動導板撞到其他設備造成移動導板損壞。在集裝箱吊具端部轉銷機構的兩側，有用于固定移動導板的固定鎖孔,當移動導板鎖定在鎖孔時，可防止移動導板因沖擊而松動和掉落(見圖2)。

1.8.0 ft位置鎖孔 2.8.5 ft位置鎖孔圖2 移動導板固定鎖孔

在堆垛導引集裝箱吊具使用過程中，堆垛導引機構可根據吊具抓箱和堆箱的不同過程而調整移動導板的位置。當集裝箱吊具要抓取集裝箱時，把移動導板移動至8.0 ft的位置(見圖3)。

圖3 抓箱工作狀態 圖4 堆箱工作狀態

而當集裝箱吊具要堆垛集裝箱時，在安全的位置只需要發出堆垛導引機構下降的命令，吊具兩側的移動導板會自動下降至集裝箱箱底，并鎖定在集裝箱底角鎖孔內(見圖4)。同時吊具反饋集裝箱高度信息和移動導板鎖定狀態信號給操作者及主機控制系統，參與主機的邏輯控制處理。

3.2 電氣控制組成

堆垛導引機構上的電氣控制元器件主要用于檢測和測量各機構的位置、長度，以及實現減速和保護等功能。主要的電氣元器件見表1，具體安裝位置見圖5～7。

表1 堆垛導引機構電氣元器件一覽表

1.液壓馬達 2.編碼器圖5 堆垛導引機構頂面

1.擺動油缸 2.校準限位 3.鎖動油缸圖6 堆垛導引機構側面

1.箱底檢測限位(發射) 2.箱底檢測限位(接收) 3.減速限位 4.攝像頭圖7 移動導板

4 堆垛導引機構工作流程

堆垛導引機構要正常工作，首先必須要進行校準動作。校準動作是確定移動導板機構位置以及編碼器初始數據的重要動作，是導板位置和高度計算的參考點。

4.1 校準流程

進行校準動作時，移動導板首先開鎖、向外擺動后判斷校準限位的狀態。若校準限位處于接通(動作)狀態，移動導板機構首先慢速下降，下降至校準限位斷開(未動作)時停止，然后再慢速上升。當校準限位接通(動作)的瞬間，初始化編碼器數值(導板的位置值為1 090 mm)；移動導板繼續慢速上升，當移動導板的位置為1 010 mm時上升動作停止。由于慣性原因移動導板會停止在1 000 mm左右的位置，這個位置就是8.0 ft鎖孔的位置，移動導板向內擺動并鎖定在8.0 ft鎖孔內，完成校準動作。

在進行校準動作時，若校準限位處于斷開(未動作)狀態，則移動導板會開鎖、向外擺動后慢速上升，移動導板后續的動作同校準動作導板向上動作的流程一致。導板校準動作的具體流程和動作見圖8。

圖8 導板校準動作流程圖

4.2 導板下降高度值計算

完成校準動作后，移動導板的固定鎖孔位置有了確切的高度位置數據。例如，8.0 ft固定鎖孔的位置數據是1 000 mm；8.5 ft固定鎖孔的位置數據是650 mm。集裝箱在吊具閉鎖并且懸空的情況下，從吊具8.0 ft鎖孔中心位置到集裝箱底角鎖孔中心的高度值L可由式(1)計算得到。

L=c1+c2+h-c3

(1)

式中，c1為吊具8.0 ft鎖孔中心到吊具端部轉銷箱底的距離，該距離由吊具機械結構決定，為100 mm;c2為抓箱后吊具端部轉銷箱底到集裝箱上角配件上端面的距離，為15 mm；h為集裝箱的高度；c3為集裝箱箱底角配件鎖孔中心到配件下表面的距離，為68 mm(見圖9)。

圖9 集裝箱吊具8.0 ft鎖孔到集裝箱箱底高度示意圖

計算出不同高度集裝箱對應的吊具8.0 ft鎖孔中心位置到集裝箱箱底角配件鎖孔中心的高度值和活動導板高度數值(見表2)。

表2 不同高度集裝箱對應的高度數值

4.3 導板下降動作流程

當堆垛導引集裝箱吊具完成抓箱動作后，需要把閉鎖后的集裝箱吊具提升至安全高度后才能發出導板下降指令。若吊具沒有接收到下降完成信號，移動導板會先進行開鎖動作，然后外擺，再根據編碼器數據換算出的移動導板高度值，自行判斷進行高速或低速下降。當感應到箱底限位時，切斷導板下降動作后低速上升，直至箱底限位信號消失時停止。隨后移動導板向內擺動并鎖定在集裝箱底角配件的鎖孔內，根據當前移動導板的高度值，判斷出當前集裝箱的高度信息并發給主機。導板下降動作流程見圖10。

圖10 導板下降動作流程圖

減速限位在移動導板下降過程中，時刻檢測移動導板下方(垂直)、集裝箱長度方向(X)和集裝箱寬度方向(Y)是否有障礙物。若有障礙物存在，立刻減速并停止移動導板下降動作，防止撞壞導板。

4.4 導板上升動作流程

當操作者接收到導板下降完成信號后，可以把集裝箱吊具移動至要堆放位置的集裝箱正上方。操作者下降主機起升高度至集裝箱吊具發出著箱信號(完成集裝箱堆垛)后，才能發出導板上升指令。此時移動導板會自動開鎖，向外擺動后快速上升；當移動導板高度值小于1 300 mm時切換至低速上升。當到達8.0 ft停止位置后，停止上升動作，移動導板向內擺動并鎖定，完成導板上升動作。導板上升動作默認活動導板上升至集裝箱吊具8.0 ft鎖孔的位置，方便堆垛導引集裝箱吊具進行下一個集裝箱的抓取。導板上升動作流程見圖11。

圖11 導板上升動作流程圖

上升動作完成后，將吊具開鎖并提升至安全高度，進行下一個裝卸作業流程。

5 結語

該堆垛導引集裝箱吊具在香港HIT碼頭集裝箱堆場、自動化集裝箱室內倉儲中得到大量應用，為快速堆垛集裝箱、減少集裝箱堆垛偏差提供了一套可行的解決方案。