双吊具单臂架门座起重机研发

张少杰 雷昌明 郭记仓 胡吉全

1 珠海港控股集团有限公司 2 武汉理工大学物流工程学院

1 引言

门座起重机(以下简称门机)是一种典型的港口装卸机械，配有集装箱自动吊具的单臂架门座起重机广泛使用于我国各港口码头。目前，由于集装箱作业的门机普遍采用手动或半自动吊具作业，每次操作1个20 ft或40 ft集装箱，吊装作业效率约为20箱/h。近年来，随著港口企业集装箱运量的发展和服务质量的提高，对装卸设备的要求也越来越高[1-2]。为了提高集装箱作业效率，减少人工成本，在原单箱吊具作业门机的基础上展开了双箱吊具作业门机的研发。通过对双吊具门机总体构造、起升机构、吊具系统、跟随系统、吊具减摇系统等方面的系统研究和攻关，突破了相关的技术瓶颈，开发出了可以进行双箱吊具作业的新机型。通过新产品实际作业效果检验，表明集装箱双吊具单臂架门机方案可行、综合性能良好，可大幅提高生产效率。

2 总体构造

集装箱双吊具单臂架门机采用具有高立柱和臂架自重平衡系统的结构型式，钢丝绳滑轮组水平位移补偿，齿轮齿条变幅。起升、变幅补偿钢丝绳倍率比为1∶3，无反向绕绳。四绳承载条件下兼顾吊钩最大起重量和双吊具、重载抓斗不同作业工况要求。

双吊具单臂架门机的臂架及平衡系统采用了综合优化设计。在确定系统的几何尺寸时，将起重机的总体布置和系统各构件、传动机构的受力作为重要考虑因素，将控制由物品自重所产生的不平衡力矩和由臂架系统自重产生的不平衡力矩所形成的综合不平衡力矩定为设计目标。设计计算过程中重点考虑了较小工作幅度最大起重量、全幅度吊钩起重量、双箱吊具起重量和抓斗起重量等载荷性能的最优匹配，保证齿条驱动力在不同起重载荷、不同幅度工况下的基本均衡，使起重机在各种工况条件下变幅平稳、能耗低、工作可靠。图1为双吊具单臂架门机外形图。

图1 双吊具单臂架门机

3 起升机构

双吊具单臂架门机的起升机构要求驱动大起重量吊钩、双20 ft集装箱吊具和大型抓斗进行多用途作业。根据不同工况起升载荷相差较大的特殊情况，以集装箱双箱吊具作业的起重量和工作速度为基准，利用变频调速电机的恒功率和恒转矩特性，优化配置大起重量吊钩作业和抓斗作业的吊重量下所对应的工作速度。在保证电机高低频覆盖范围内的输出能力和效率的条件下，兼顾传动系统减速器的经济性选型。表1为按8级电机配置的起升机构参数。

表1 起升机构参数配置表

4 吊具系统

双吊具单臂架门机的吊具系统设计，是能否实现门机双吊具作业构想的关键。在充分调研和分析了岸桥双箱吊具和单臂架门机单箱吊具功能和构造的基础上，根据门机集装箱装卸船作业的要求，提出了门机双箱吊具的设计方案：采用单吊点上下吊架支撑结构，实现2个独立单箱吊具的双吊具组合,以及双20 ft吊具的相对移动、20 ft与40 ft吊具伸缩运动之间的灵活装换。采用力矩自检测技术，实现双吊具偏载、倾斜、回转的有效调平和补偿。

4.1 吊具上下吊架结构

门机使用的全自动吊具均为单吊点悬挂方式。单箱吊具与双箱吊具构造的最大不同为吊具的支撑方式：单箱吊具伸缩运动仅为20 ft与40 ft之间的装换，只有一个相对运动，故不需上架支撑；双箱吊具由2个独立的20 ft单箱吊具组合而成，除了20 ft与40 ft吊具伸缩运动之间的转换外，吊具各自还可相对移动，加之双20 ft吊具同样有偏载、倾斜、回转等需要调平和补偿，因此采用了上下架结构支撑。

4.2 吊具的回转驱动系统

双箱自动吊具要求具有360°回转功能。借鉴传统单箱吊具的转子结构，吊具转子通过回转支撑与上下架连接，由电动机或液压马达驱动上下架回转。若采用全自动跟随的闭环控制，驱动单元应选用变频调速电动机，并加装绝对值编码器。

4.3 信号通讯与保护

吊具与主机的通讯采用PLC主从分站方式采集、控制自动吊具所有动作信号，实现吊具的闭环控制，吊具使用CAN总线再转profibus总线，有效避免了吊具电缆通讯干扰和断线等故障，传输信号稳定可靠，效果超过预期使用要求。

5 跟随系统

吊具“全自动跟随”是通过门机回转机构和吊具回转机构的闭环控制实现的。在门机回转机构和吊具回转机构上分别设置2个绝对值编码器，实时检测记录门机及吊具的当前角度，根据门机回转的任一角度与吊具回转角度的对比，控制吊具自动实时跟随门机反向回转。由于受电机功率大小及加减速时间等因素的影响，实际工作过程中存在门机和吊具同步回转的小角度误差(一般在2°左右)。当误差超过一定值时，通过系统角度补偿功能，自动调整回转跟随误差。

门机角度误差在对箱过程中自动调整，使之始终保持集装箱长度方向与码头平行方向的偏差小于1.5°，系统调整时间不大于2 s。图2为吊具回转自动跟随效果示意图。

图2 吊具回转自动跟随效果图

6 减摇系统

集装箱单臂架门机吊具的摇摆与其本身的构造形式密切相关。当门机变幅时，所吊物体始终变速运行，同时悬吊货物的悬垂钢丝绳的长度在变幅过程中也在不断变化，造成货物在运移过程中始终存在摇摆。单臂架门机工作过程中吊具受多个惯性力的作用，变摆长的摇摆运动规律复杂，由于受起重机构造的限制，采用机械方法难以实现减摇目的。本机采用电子式减摇方案，即通过对回转、变幅机构工作过程的追钩分析，建立吊具的减摇控制模型，吊具钢丝绳长度采用位置编码器检测，吊具回转和变幅的速度、加速度分别通过对机构运动状态检测输入计算模型中而获得，在此基础上制定了减摇控制的优化方案。经试验验证，可达到有效控制吊具摇摆的目的。

7 应用效果与经济效益

7.1 实际作业应用效果

集装箱双吊具单臂架门机已于2015年成功应用于珠海港控股集团高栏港区，经过近2年的实际作业应用，各项技术指标完全达到了预期的要求。

采用双箱吊具的门机，实现了1次对2个20 ft集装箱同时装卸作业，与传统集装箱单吊具门机相比，双吊具门机的单机平均作业效率可达30 TEU/h以上，较单机效率同比提升40%～50%。该门机同时可兼顾件杂货、散货抓斗等多用途作业，优化了码头资源配置，提高了设备利用率，为码头开拓多种货源提供了保障。

7.2 经济效益

将双箱吊具门机、单箱吊具门机和岸桥作业及采购情况进行对比，其经济效益数据见表2。

表2 单箱吊具门机、双箱吊具门机和岸桥的经济效益数据

目前我国内贸集装箱80%以上都为20 ft箱，门机设备若配置双箱吊具，综合作业效率比单箱快40%～50%，而双箱门机相对于单箱门机的成本增加仅为30%，效费比为1.12。

使用双箱岸桥，虽单船作业效率高，但单次投入和对港池要求较高。而双箱门机可以同时兼顾作业集装箱、件杂货、散杂货以及100 t以下的大型构件，采购投入性价比高，且门机通用性强，对中小型码头适应性更好。综合来看，对于中小型码头，双箱门机的实用性、性价比、效费比、经济性均优于双箱岸桥。

8 结语

从总体构造、起升机构、吊具系统、跟随系统、吊具减摇系统等方面，介绍了集装箱双吊具单臂架门机的关键技术。实际作业应用效果表明，集装箱双吊具单臂架门机方案可行、综合性能良好，可大幅提高生产效率，增加经济效益。