一种单起升全自动可分离上架的设计及应用

一种单起升全自动可分离上架的设计及应用
徐 坤
上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 201314
摘 要：随着智能技术的高速发展，集装箱作业场所正高速迈入智能时代，全球集装箱自动化装卸码头正如火如荼地进行升级建设，自动化码头的独特工况对设备提出了更高的要求。

岸边集装箱起重机是自动化码头的关键设备之一，而既有型集装箱吊具上架作为其关键执行部件，作业效率直接影响着系统效率，为了提升整体效率，国内外厂家推出过多种产品，均存在着各类问题，单起升全自动可分离上架的研制，旨在解决这些问题，为港口进行设备升级时提供一种优质的解决方案。

关键词：作业效率；集装箱吊具上架；全自动切换；吊具作业模式；设计
中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2021）05-0079-04
Abstract: With the rapid development of intelligent technology, container workplaces are rapidly entering the intelligent era, and
the upgrading and construction of automated container loading and unloading terminals around the world is in full swing. Due to unique working conditions, requirements of automated terminals on equipment are more demanding. The quayside container crane is one of the most critical equipment in the automated terminal, and as its key execution component, the operation efficiency of the existing container spreader directly affects the efficiency of the whole system. In order to improve the overall efficiency, domestic and foreign manufacturers have launched a variety of products, but they all have different problems. The development of single lifting fully automatic separable upper frame aims to solve these problems and provide a high-quality solution for the port when upgrading equipment.
Keywords: operation efficiency; upper frame of container spreader; fully automatic switching; operation mode of spreader; design
0 引言
随着世界经济和全球化贸易的发展，全球集运网络不断发展和完善，各航运公司更加全力地推进集装箱船舶的大型化，以求降低单位运输成本，提升整体运力和市场竞争力，世界最大集装箱船的装载记录不断被打破，10 000 TEU 、18 000 TEU 、20 568 TEU 、23 964 TEU 。

伴随着集装箱船运载能力的不断提升，港口作业效率的适应性成为了各港口能否为船运公司节约成本，吸引到大型集装箱船靠泊的关键因素之一。

岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）的作业效率一直以来都是港口运行效率的核心要素，其效率高低直接影响着整个港口的装卸能力，通过提高岸桥起升速度和小车运行速度来提升作业效率的方式已经到达了瓶颈，未来可提升空间已相对有限。

集装箱吊具上架（以下简称上架）作为岸桥的最关键执行部件之一，一直以来是
有望大幅提升岸桥整体作业效率非常关键的突破口。

在传统四滑轮上架的基础上先后演变出了平移上架、双40英尺上架等多种类型产品，旨在提升岸桥的整体作业效率。

这些产品尚存在亟待解决的难题：1）岸桥大车移动效率低、能耗高；2）集装箱摆放不整齐、集装箱运输车辆停车位置变化时如何快速对位；3）船舶倾斜的情况下如何快速着箱；4）集装箱不等高时如何快速着箱；5）自动化作业场所全程无人工干预的需求如何实现。

传统四滑轮上架是应用最普遍的上架产品，其结构简单，目前依旧是各港口使用和采购的主力，市场占比
在80%以上，但不具备任何主动调整功能。

带平移功能的上架是在传统四滑轮上架基础上增加了大车方向的移动功能，旨在解决岸桥大车移动效率低、能耗高的问题。

双40英尺上架由2个完全独立的上架组成，2个上架之间通过特殊连接装置进行连接或脱离，可解决本文列出的前4个问题，可实现挂载单个吊具独立作业或2台吊具协同作业模式的切换，具备主动平移、八字、回转、高低差等功能适应各种工况变化。

但因机构形式限制，其需要岸桥具备完全独立的2套起升机构，使得岸桥整体采购和维护成本大幅升高，且质量大、能耗高，其特殊的连接方式对操作人员的技能水平也有较高要求。

单起升全自动可分离上架（以下简称分离上架）的成功研制，解决了本文列出的既有型上架存在的5个问题，其具备单吊具模式和双吊具模式的作业方式，相对于其他类型上架产品具有高效、高适应性、全自动化、易操作、能耗低、成本低等优势，对岸桥的起升机构配置需求低，仅需要1套起升机构即可实现连接，特别是全自动化的作业模式，对自动化码头有着重要意义，此分离上架也因此备受用户的关注。

1 分离上架的主要部件构成
分离上架的组成如图1所示，主要包括陆侧上架、海侧上架、锁定机构（4组）、陆侧过渡架、海侧过渡架、伸缩驱动机构(2组）、电气插头对接系统和切换框架等。

1. 陆侧上架
2.伸缩驱动机构
3.陆侧过渡架
4.锁定机构
5.海侧过渡架
6.电气自动对接系统
7.海侧上架
图1 分离上架示意图
2 分离上架功能及既有型产品问题的解决方案2.1 分离上架具备的主要功能
分离上架通过自身机构的动作组合，实现单/双吊具模式、分离动作、高低差动作（与起升机构配合共同实现）、倾转动作、错位动作、回转动作，从而解决文中列出的5个问题，分离上架具备的主要功能示意图如图2所示。

图2 分离上架动作示意图
2.2 分离上架的错位功能
分离上架具有大车方向±200 mm的错位功能，动作时间0～4 s，能够快速进行大车方向的对位，以此代替岸桥大车移动进行对位作业。

此功能通过与伸缩驱动机构连接的水平方向液压缸推拉动作实现，分别连接于2套伸缩驱动机构的4根水平液压缸互相配合，使得伸缩驱动机构相对于陆侧上架和海侧上架进行转动，从而实现大车方向的相对错位功能，通过监测元件自动控制机构的同步性，也能监测过程所需的行程。

2.3 分离上架的分离功能、回转功能
分离上架可实现：小车方向0～1 800 mm的分离功能，动作时间0～22 s；水平方向±5°回转功能，动作时间0～3 s；水平方向±5°联动同向回转功能，动作时间0s～3 s；水平方向±10°联动反向回转功能，动作时间0～13 s。

以上分离和回转动作组合，能够适应集装箱摆放不整齐、集装箱运输车辆停车位置变化，也能对跨运车转运集装箱的作业场所完成装卸作业。

分离动作通过自动伸缩驱动机构实现，自动伸缩驱动机构共有两组，通过监测元件自动控制机构的同步性、监测过程所需的行程差值，从而实现多功能模式下的自动切换。

自动伸缩驱动机构位于分离上架左右两侧，主要由一级分离液压缸、二级分离液压缸、双臂腔体、一级伸缩臂、二级伸缩臂、回转轴和感应限位组成，是分离上架各动作实现的直接执行机构。

每组伸缩驱动机构
都具备四级伸缩功能，采用并列式箱体设计方案，有效提高了在有限空间范围内的可分离距离，同时保证了伸缩臂横向受力的稳定性。

每组伸缩驱动机构的两端分别与陆侧上架和海侧上架连接，其中2个一级分离液压缸同步驱动2个一级伸缩臂伸缩动作，用于实现分离上架的单/双吊具模式切换动作，2个二级分离液压缸同步驱动2个二级伸缩臂伸缩动作，与另一侧的伸缩驱动机构互相配合，以完成双吊具作业模式所需要的分离动作。

回转动作通过自动伸缩驱动机构、起升机构相互配合完成，联动同向回转动作通过起升钢丝绳的收放动作实现，联动反向回转功能通过其中1套自动伸缩驱动机构的分离动作实现。

2.4 分离上架的倾转功能
分离上架具有竖直方向±5°的倾转功能，动作时间0～4 s，船舶倾斜和车辆倾斜的情况下均能够快速抓箱、放箱。

此功能通过与自动伸缩驱动机构相连接的4根液压缸推拉动作实现，分别连接于2套伸缩驱动机构的4根竖直液压缸互相配合，使得伸缩驱动机构相对于陆侧上架和海侧上架进行倾转，从而实现倾转动作、联动反向倾转、联动同向倾转，通过监测元件自动控制机构的同步性、监测过程所需的行程。

2.5 分离上架的高低差功能
分离上架具有竖直方向标准设计±700 mm或极限设计±1 400 mm的高低差功能，动作时间0～22 s，此功能可实现对集装箱不等高时的快速抓箱、放箱，即能适用于船舶端作业，也可用于集卡或地面端作业。

分别对海侧上架、陆侧上架相连接的起升钢丝绳进行一收一放动作操作，高低差的数值通过主控自动监测钢丝绳收放的长度来实现，分离上架上自身带有极限安全限位，保证作业安全。

2.6 分离上架的自动对接功能
一直以来既有型上架电气插头的对接插拔必须人工干预，本文研发的全自动电气对接系统整个切换过程不需要人工介入，自动适应、自动检测，将单/双吊具模式切换效率提升2倍以上，单/双吊具模式切换时间约60 s。

此自动电气插头对接系统属国内同类产品首创专利技术，此机构主要由浮动插头机构和浮动插座机构组成。

浮动插头机构安装于海侧上架，主要由减速电机、丝杆、导轨、导向轴、滑块、压缩弹簧和浮动插头组成。

浮动插座机构安装于海侧过渡架，主要由导轨、压缩弹簧、防雨盖和浮动插座组成。

其主要由减速电机通过丝杆的旋转驱动滑块和安装在滑块上的浮动插头机构上下移动，实现与位于其正下方的浮动插座机构的连接和分离。

在连接状态下，浮动插头机构内部的压缩弹簧处于挤压状态，压缩距离为20 mm，可有效适应上架在作业过程中松绳距离变化的要求（松绳距离一般为8 mm）。

其独特的浮动式设计方案可有效适应海侧上架和海侧过渡架之间在全自动切换和双吊具模式作业过程中的机械连接偏差、冲击、振动、相对位移和钢结构弹性变形，实现电气插头和插座的精准对接，保证连接的稳定性和可靠性。

2.7 分离上架的自动单/双吊具模式切换
单/双吊具模式切换在专属的切换框架内完成，当上架需要从双吊具模式切换为单吊具模式时，岸桥司机只需操作小车将上架连同挂载的两台吊具放入切换平台内，而后触发切换指令，切换动作即开始。

首先电气插头对接系统自动分离，在检测到完全分离的信号后，陆侧锁定机构解锁，伸缩驱动机构推动陆侧上架沿陆侧过渡架向一侧移动直至单吊具模式时陆侧上架的锁定点，陆侧锁定机构闭锁，海侧锁定机构开锁，伸缩驱动机构收缩，拖动海侧上架沿海侧过渡架向陆侧过渡架移动，直至移动到陆侧过渡架上单吊具模式时海侧上架的锁定点,海侧锁定机构锁定，双吊具模式切换为单吊具模式完成，岸桥司机操作单吊具模式的上架继续作业，海侧过渡架和集装箱吊具被留在切换框架内。

切换框架是一个钢结构体，安装于岸桥的陆侧或海侧下横梁上，可容纳双吊具模式时挂载2台集装箱吊具的分离上架，为全自动切换功能而设计。

通过框架上精准导向点实现各部件精准对位，并通过信号反馈确认机构到位信息，从而程序自动识别完成动作切换。

切换框
架主要由框架体、平台和8根带导向锥的支撑杆组成。

其作用是为分离上架单/双吊具模式的切换动作提供一个稳定可靠的平台，位于切换平台中的8根支撑杆可精确保证陆侧过渡架和海侧过渡架的相对距离和位置满足全自动切换动作的要求，同时为分离上架处于单吊具模式时切换下来的海侧吊具和海侧过渡架提供一个固定的存储位置，以备进行下一次切换动作。

设备整体放入切换框架后的示意如图3所示。

图3 分离上架在切换框架内示意图
陆侧上架和海侧上架是整个分离上架动力和控制系统的主要承载部件，陆侧上架主要由上架结构、起升滑轮组、液压控制系统、电气系统和电缆缓冲器组成，海侧上架主要由上架结构、起升滑轮组、液压动力系统、液压控制系统和电气系统。

海/陆侧上架与海/陆侧过渡架之间均通过卡槽方式连接，海/陆侧上架可以沿海/陆侧过渡架的滑轨左右滑动。

陆侧过渡架和海侧过渡架均由钢结构体和锁销机构组成，钢结构体两端的平面滑轨插入在上架的卡槽中与上架连接，并在表面特定位置设置有凹槽，用于机构锁定。

锁销机构与集装箱吊具连接，该连接方式与传统上架连接方式相同，在集装箱吊具出现故障或需要维修保养时可进行快速拆装，上架和过渡架之间的有序滑动配合是实现分离上架单/双吊具模式切换理念的关键。

分离上架共有4组自动锁定机构，实现全自动切换后的自动安全防护功能，保证单、双箱模式下均能够可靠锚定。

4组自动锁定机构分别位于4组滑轮的正下方，海/陆侧上架和海/陆侧过渡架之间，其主要由驱动液压缸、滑轨、压缩弹簧、锁定块、滑动挡块和感应限位组成。

锁定机构的开闭锁功能是由驱动液压缸将滑动挡块沿滑轨推动到锁定块的正上方，并将锁定块压入过渡架的凹槽中来实现的，4组锁定机构的有序开锁和闭锁的相互配合是实现分离上架单/双吊具模式切换的关键。

该种锁定方式与普通销轴式锁定方式相比具有安全可靠，适应性强，不易卡滞的优点，对上架结构制作、驱动控制、重载冲击和结构弹性变形都有极强的适应性，即便在上架作业过程中发生意外撞击，也不会造成锁定机构的损坏或失效，自动锁定机构示意如图4所示。

图4 自动锁定机构示意图
3 结语
通过实践和时间的验证，该分离上架通过功能的组合应用，一举解决了既有型产品的各类问题，已逐渐成为自动化码头主小车上架的主流产品。

分离上架令岸桥整体作业效率提升达1.5倍，快速的智能全自动单/双吊具模式切换为不同货物的起吊需求提供了基础条件，且降低了岸桥的采购成本和使用能耗，全程无需地面人员和设备进入现场配合操作极大的满足了自动化港口的迫切需求。

在成本不断上涨，各港口对设备自动化建设加速的背景下，其在新设备自动化建设或既有设备自动化改造方向均可适用，对码头建设中的设备选型提供了解决方案。

参考文献
[1] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].
[2] 成大仙.机械设计手册[M].第五版.北京：化学工业出 版社，2008.
[3] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.
[4] 孟宪源.现代机构手册[M].北京：机械工业出版社，2007.
[5] 张质文，王金诺，程文明，等.起重机设计手册[M].北京： 中国铁道出版社，2013.
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收稿日期：2020-11-24。