磁性绑扎装置用于重大件海运的创新研究

谢翠铭 大连中远海运物流供应链有限公司

1.重大件货物

依据国际标准规定，如果单件货物的宽度或者高度大于3m，则视为超宽或超高件；货物长度大于12m视为超长件；重量大于40t的视为超重件[1]。随着工业模块化供货的盛行，目前数百吨数千吨重的重大件货物在运输中已较为常见。

2.常见海运重大件货物运输的船舶类型

船舶在海上航行时，受到风、浪、涌等外力的作用会发生摇荡运动，导致航行中的船体会产生6个自由度的运动，其中如果发生了横摇、纵摇及垂荡运动类会严重影响海上运输安全[2]。船舶的类型不同，运输大件货物时安全性也是不同的，目前经常运输重大件货物的船舶主要有普通货船、甲板驳船和专用运输船三类。

3.重大件货物在船舶上的受力

承载着重大件货物的船舶海上会受到惯性力、风压力、波溅力等的影响。我们需要分析船上货物的受力情况，采用正确的绑扎系固达方式，使重大件货物受到的各种力产生的合力矩与绑扎系固货物的系固力、甲板上的支撑力及衬垫材料摩擦力的合力矩达到平衡状态[3]。从而达到海上安全运输要求。其中惯性力的大小与货物本身的质量和船上装载位置、海浪情况、船的耐波性能以及人为因素有关；当单位面积货物受到的风力一定，则货物的受到风压力大小与货物受风面的投影面积成正比；如果货物的结构过宽，会延伸到船舶的两舷侧，货物受到波浪的拍击会产生波溅力，重大件货物在海上时还会受到货物自重力和摩擦力的影响。

4.重大件货物的常用绑扎技术及特点

4.1 重大件货物现有绑扎技术

重特大件货物运输过程中，绑扎加固是很重要的，其作用是限制货物移位、起跳、翻转。由于重大件货物的装载形式不同，加固方式也多种多样，目前最常见的有硬加固和软加固两种。硬加固是用各种形式的钢材以顶推、支撑、压紧、反扣等方式进行加固，软加固就是利用钢丝绳及松紧器等加固。在重大件运输过程中，主要是以硬加固为主。

4.2 现有硬加固绑扎的特性及缺点

硬加固的重要环节就是焊接，通过焊接设备产生的电弧的热效应，将要焊接的金属部分局部加热熔化成液态，将原来分离的金属结合成固体接头的工艺方法焊接。焊接是最重要和最常见的硬加固工艺。现有焊接绑扎技术通过数十年的实践应用，证明了其很强的安全性。但是焊接过程中，存在触电、火灾、噪声、中毒、爆炸、紫外线、红外线、强光、物体打击、高空坠落等潜在危险。硬加固的解绑过程目前主要火焰切割，利用可燃气体在氧气中剧烈燃烧及被切割金属燃烧所产生的热量而实现连续切割的方法。火焰切割过程中，存在火灾、噪声、中毒、爆炸、等潜在危险。当前硬加固方式的绑扎及解绑还存在着不环保、浪费钢材资源，耗时耗工等缺点。

5.磁性重大件海运绑扎装置

要解决当前绑扎技术问题，其根源还是要避免硬加固中使用焊接，本着坚持贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，通过研究现有实用技术，笔者发现可以采用磁力代替焊接来实现重大件货物与船舶甲板间的连接。

5.1 磁性绑扎装置的组成结构

基于上述技术，设计了一种基于磁性的重大件海运绑扎装置，主要有平板式绑扎装置（装置1，见图1）和斜支式绑扎装置（装置2，见图2）两种结构。平板式绑扎装置和斜支式绑扎装置一般包括主体结构（示意图中序号1、2）、充磁退磁控制组件、磁源、主体框架、导磁板几个部分组成。这几部分主要作用为：

充磁退磁控制组件（示意图中序号3）：为该装置的切换开关，控制装置是否产生磁力。

磁源（示意图中序号4）：采用电磁线圈或永磁体中的其中一种。以磁源的不同，磁性绑扎装置可以分为电永磁绑扎装置和电磁绑扎装置。电永磁绑扎装置即采用电永磁铁的原理，电永磁铁是利用不同永磁材料的不同特性，铝镍钴磁铁为可逆磁钢，铷铁硼磁铁为固定磁钢，通过电控系统对其内部磁路的分布进行控制和转换，使永磁磁场在系统内部自身平衡，对外表征为消磁放松状态（即不吸料状态）；或释放到电永磁铁的工作磁极面，对外表征为充磁夹紧状态（即吸料状态）。电磁绑扎装置在运行过程中需要持续提供电流，所以电磁绑扎装置的充磁退磁控制组件需要外接UPS电源，防止突然断电导致的磁源磁力丧失。

主体框架（示意图中序号5）：为高强度合金，对整个装置起支撑作用。

导磁板（示意图中序号6）：主要作用是将装置产生的磁力导出，利用磁力吸附连接货物和船舶甲板。导磁板表面设计有防滑镀层的作用是提高导磁板表面的摩擦系数。

5.2 磁性绑扎装置的运行原理

磁性绑扎装置采用磁力吸合的原理，绑扎过程中通过磁场力将装置货物及甲板吸附，实现货物与甲板的间接连接，从而实现绑扎加固。解绑过程则通过关闭装置磁力，解除装置与货物及甲板之间的磁力吸附，解除货物与甲板的间接连接，从而实际解除绑扎。平板式绑扎装置主要用于重大件货物底部与甲板间或两个平行绑扎面之前的连接（如图3），斜支式绑扎装置主要用于重大件货物侧面与船舶甲板间的连接（如图4）。实际应用过程中可根据重大件货物本身结构特点选择两种装置中的一种，或采用两种装置组合的方式进行绑扎。

5.3 实施过程举例

以海运过程中较常见的模块为例，模块上部为设备及管廊，底部有4＊4共16个支腿（图5为模型简图）。实施过程中，根据运输方案先在船舶甲板上画线，确定装置1的位置，在货物就位前将装置1放置于每个位置，装置2放置于附近位置（如图6），模块就位于计划位置，将装置2放置到支腿儿计划位置（如图7，图8），启动装置1及装置2变为充磁状态，即完成对模块的绑扎。解绑扎实施过程中货物运输到达目的地后，将货物于卸货吊具连接后，将所有装置2切换为退磁状态，将装置2于模块底部支腿分离。将装置1切换为退磁状态，将模块吊起，吊往目标安装位置，将装置1、2搬移甲板即完成解绑及甲板清理工作。

该实施案例主要为了体现实施过程中1、2两种绑扎装置的应用情况，实际操作过程中，应根据实际需要配置1、2的数量和位置，确保运输安全。该绑扎装置除高效环保等特点外，还能避免一些货物支腿某些部分不能焊接的问题。

6.结语

磁性绑扎装置的更大意义在于标准化、共享、循环，如果工厂和部分运输方都采用磁性绑扎装置，各自所持有的绑扎装置可以共享使用，这可以降低单独某方对装置的固定资产投入。关于磁性绑扎装置的形态，目前作者提出了两种基础形态，对于其他特殊类型的重大件货物，且目前现有焊接绑扎技术在一些方面仍有明显优势，实际使用也可两种绑扎技术结合，实现成本效率的最优。

目前的工业技术制造出的电永磁装置能产生超过20 0Ν/cm2，电磁铁装置能产生的吸力不到200Ν/cm2，能用于实现绑扎功能，但几千吨的重大件货物则需要数十个磁性绑扎装置才能实现安全绑扎，磁性绑扎的安全性尚需要实践检验。未来随着磁性更强的永磁体出现及新型的导体出现，磁性绑扎装置每平方厘米所产生的吸力也会得到大幅度增强，磁性绑扎有望大规模用于重大件海运绑扎。