自動化遠(yuǎn)程控制輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

樓桂龍 王寧杰

輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡稱“輪胎吊”）是集裝箱碼頭和堆場用于集裝箱裝卸作業(yè)的主要設(shè)備。與軌道吊相比，輪胎吊具有質(zhì)量輕、成本低、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn);因此，輪胎吊在傳統(tǒng)集裝箱碼頭應(yīng)用領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢地位，市場占有率達(dá)到85%以上。在港口智能化建設(shè)過程中，通常需要對輪胎吊實(shí)施自動化遠(yuǎn)程控制技術(shù)改造，以滿足堆場自動化作業(yè)需求。例如，寧波舟山港梅山港區(qū)已大規(guī)模應(yīng)用自動化遠(yuǎn)程控制輪胎吊。除操作系統(tǒng)外，大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是輪胎吊自動化遠(yuǎn)程控制技術(shù)改造的重要子項(xiàng)目，對提高設(shè)備作業(yè)安全性具有重要意義。

1 傳統(tǒng)輪胎吊應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)輪胎吊分為常規(guī)輪胎吊、市電輪胎吊和混合動力輪胎吊，其中：常規(guī)輪胎吊的優(yōu)點(diǎn)在于工況不受限制且大車轉(zhuǎn)向便利，但其市場規(guī)模在“油改電”技術(shù)普及后逐漸縮小;市電輪胎吊采用市電直接上機(jī)，其在新建碼頭應(yīng)用較多，優(yōu)點(diǎn)在于單箱使用成本和日常維保成本較低，但因其轉(zhuǎn)向時(shí)間較長

且流程較為復(fù)雜，除故障情況外，一般不考慮轉(zhuǎn)向;混合動力輪胎吊受益于電池技術(shù)的成熟，近年來廣泛應(yīng)用于各大集裝箱碼頭，其應(yīng)用優(yōu)勢介于常規(guī)輪胎吊與市電輪胎吊之間。除“油改電”外，常規(guī)輪胎吊的混合動力改造和智能化改造也是港口設(shè)備發(fā)展趨勢之一。隨著新技術(shù)的發(fā)展和成熟，輪胎吊的作業(yè)工況發(fā)生變化，即大車轉(zhuǎn)向頻次逐漸降低，但對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性的要求進(jìn)一步提高。

2 傳統(tǒng)輪胎吊大車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工況及

優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 大車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工況

傳統(tǒng)輪胎吊大車行走機(jī)構(gòu)配置大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要用于設(shè)備轉(zhuǎn)場、機(jī)構(gòu)維保等。大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括2套液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，每套液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括1個電動機(jī)、2個轉(zhuǎn)向油缸、2個鎖銷油缸和2個定位油缸（見圖1），可實(shí)現(xiàn)輪胎吊轉(zhuǎn)向16盎？0啊4陳痔サ醮蟪狄貉棺螄低持饕た鋈縵??？

（1）當(dāng)大車需要轉(zhuǎn)向90。時(shí)，按大車“0。一900'轉(zhuǎn)向按鈕，電機(jī)得電，鎖銷油缸退銷到位后，轉(zhuǎn)向油缸開始動作;輪胎吊轉(zhuǎn)向900后，鎖銷油缸進(jìn)銷，電機(jī)失電，允許大車行走。

（2）當(dāng)大車需要轉(zhuǎn)向16。時(shí)，按大車“00—160'轉(zhuǎn)向按鈕，電機(jī)得電，鎖銷油缸退銷且定位油缸伸出到位后，轉(zhuǎn)向油缸開始動作;輪胎吊轉(zhuǎn)向16。后，鎖銷油缸進(jìn)銷，電機(jī)失電，允許大車轉(zhuǎn)向360。

2.2 大車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）液壓驅(qū)動力大，適合重載直接驅(qū)動。某些品牌輪胎吊自重達(dá)150 t以上， 8個大車輪胎的輪壓均在20 t以上，如果使用一般的電機(jī)驅(qū)動，會導(dǎo)致電機(jī)體積過于龐大或電機(jī)無法承受單位面積的切向力等問題。

（2）液壓傳動可以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動，使液壓系統(tǒng)傳動響應(yīng)快速且平穩(wěn)，從而極大地降低輪胎吊轉(zhuǎn)向時(shí)的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）液壓系統(tǒng)元件均為標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化產(chǎn)品，備件購買方便且成本較低。

（4）液壓系統(tǒng)傳動介質(zhì)一般采用液壓油，從而使液壓元件潤滑良好，不會因潤滑不良而出現(xiàn)異常磨損。

2.2.2 缺點(diǎn)

（1）在液壓系統(tǒng)傳動過程中，由于需要經(jīng)過2次能量轉(zhuǎn)換，存在壓力損失、容積損失和機(jī)械摩擦損失，總體工作效率不高。

（2）液壓系統(tǒng)的工作性能和效率受工作溫度、環(huán)境溫度的影響較大。在高溫環(huán)境下，液壓油易變稀;在低溫環(huán)境下，液壓油易變稠。液壓油性質(zhì)的轉(zhuǎn)變會大大降低液壓系統(tǒng)工作的可靠性。

（3）液壓系統(tǒng)對液壓油污染的反應(yīng)較為敏感，液壓油污染容易導(dǎo)致系統(tǒng)元件磨損或堵塞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約70%的液壓系統(tǒng)故障是由液壓油污染引起的。

（4）液壓系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，故障排查難度較大，對維修人員的技術(shù)水平要求較高。

（5）液壓系統(tǒng)對元件材質(zhì)、制造精度、表面粗糙度及材料熱處理等要求較高;因此，元件采購成本較高，并且隨著輪胎吊使用時(shí)間的增加，液壓系統(tǒng)元件老化情況會日趨嚴(yán)重，備件更換頻率也會相應(yīng)升高，從而使維修成本增加。

（6）液壓系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)要求較高。保養(yǎng)頻率一般為每月1次，主要檢查各類油管、閥塊密封圈等;液壓油更換頻率為每年1次，同時(shí)還須更換相應(yīng)濾芯等配件。

（7）液壓系統(tǒng)作業(yè)的環(huán)保壓力較大。集裝箱碼頭一般地處沿海地區(qū)，帶有鹽分的空氣對橡膠、金屬件等極具腐蝕性。一旦油管泄漏或閥塊滲油，泄漏的液壓油對環(huán)境的污染較大。

3 自動化遠(yuǎn)程控制輪胎吊大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著遠(yuǎn)程控制技術(shù)的日漸成熟，出于碼頭改造成本、堆場建設(shè)成本、設(shè)備采購成本等多種因素的考慮，各大集裝箱碼頭掀起技術(shù)革新浪潮，實(shí)施輪胎吊自動化遠(yuǎn)程控制改造，以探索替代投資額巨大的軌道吊自動化堆場作業(yè)方案。目前，我國已有多個港口實(shí)施輪胎吊自動化遠(yuǎn)程控制改造項(xiàng)目，其中，寧波舟山港梅山港區(qū)將建成全球規(guī)模最大的輪胎吊自動化堆場。由于輪胎吊需要轉(zhuǎn)場，為了減少人員進(jìn)出堆場，減少各類安全事故，充分發(fā)揮大規(guī)模自動化堆場的協(xié)同效應(yīng)，必須確保輪胎吊大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的高可靠性。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，輪胎吊大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案較優(yōu)，尤其是電動推桿式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是當(dāng)前逐步推廣的輪胎吊大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要優(yōu)化方案。

3.1 大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)

輪胎吊新型大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)、滾珠絲杠相結(jié)合的形式：電機(jī)和減速箱輸入輸出軸轉(zhuǎn)動均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，滾珠絲杠的作用是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。滾珠絲杠是工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，由絲杠、螺母、滾珠、預(yù)壓片、滾珠回流管、防塵片等組成;其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力。滾珠絲杠對于大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的意義在于能將軸承從滑動動作變成滾動動作，其主要具有以下特點(diǎn)。

（1）驅(qū)動力矩小。在滾珠絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動運(yùn)動。與傳統(tǒng)大車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的滑動絲杠副相比，滾珠絲杠副達(dá)到同樣的運(yùn)動結(jié)果所需的動力僅為前者的1/3，能大大節(jié)省電能。

（2）軸向剛度高。滾珠絲杠副可以施加預(yù)壓，預(yù)壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，從而得到較高的剛性。在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí)，給滾珠施加壓力，滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)。

（3）傳動效率高。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的傳動效率最高可以達(dá)到98%。

（4）使用壽命長。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中螺母及絲杠的硬度達(dá)到HRC58～HRC62，滾珠硬度達(dá)到HRC62～HRC66，并且機(jī)構(gòu)采用滾動的相對運(yùn)動方式，幾乎在沒有磨損的狀態(tài)下運(yùn)行，因而其使用壽命較長。

3.2 大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)及配置

（1）大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù) 外形尺寸為1 565 mm？20 mm？85 mm;推拉力為25 t;最高速度為20 mm/s;有效行程為740 mm;初始中心距為1 415～1 435 mm;極限中心距為1 415～2 175 mm;過載倍數(shù)為110%;質(zhì)量為300 kg。

（2）ABB電動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 額定功率為;額定電壓為380 V，依據(jù)現(xiàn)場需要可變;額定頻率為50～60 Hz;額定工作電流為14.9 A;最大工作電流為22.5 A;額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min;絕緣等級為F級或H級;工作制為斷續(xù)周期工作制，負(fù)載持續(xù)率為60%;防護(hù)等級為IP 55～56;過載倍數(shù)為150%。

（3）蝸輪蝸桿減速機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 速比為23.5; 額定輸出扭矩為1 050 N m;允許輸出扭矩為2 100 N m;中心距為130 mm;蝸輪副形式為ZC3;工作時(shí)最大溫升值為 25 ～55℃。

（4）滾珠絲杠的主要技術(shù)參數(shù) 頭數(shù)為單頭;公稱直徑為80 mm;基本導(dǎo)程為20 mm;有效工作長度為740 mm，與工作行程一致;絲杠轉(zhuǎn)速為60 r/min;軸向動載荷為28 t。

3.3 大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行工況

為了滿足最大推力25 t的要求，輪胎吊大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用7.5 kW、1 450 r/min的變頻電機(jī)，通過1∶23.5的蝸輪蝸桿減速機(jī)（頻率為50 Hz）帶動滾珠絲杠副，實(shí)現(xiàn)伸縮桿以20 mm/s的速度往復(fù)運(yùn)動，伸縮行程達(dá)740 mm，使大車能夠在37 s內(nèi)完成從0暗？0暗淖頡？

3.4 大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

輪胎吊大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）結(jié)構(gòu)輕巧，外觀簡潔，拆裝靈活，省去液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的液壓站、液壓油管、定位油缸、鎖銷油缸等復(fù)雜部件;（2）受溫度影響較小，變頻電機(jī)的使用能夠有效避免機(jī)械沖擊;（3）大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總質(zhì)量僅為300 kg，與采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，可使整機(jī)質(zhì)量減輕約2.5 t;（4）故障排查較為簡單，對維修人員的技術(shù)水平要求不高;（5）維護(hù)方便，只須定期潤滑即可，無須檢查油管、閥塊等備件，系統(tǒng)內(nèi)鋰基脂更換周期為2年;（6）對環(huán)境友好，不存在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓油泄漏風(fēng)險(xiǎn);（7）傳動效率達(dá)到90%以上，能量損失僅表現(xiàn)為機(jī)械摩擦損失。

輪胎吊大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)為：備件價(jià)格較高，對材料的精度、硬度等要求較高。

4 結(jié)束語

在交通強(qiáng)國建設(shè)的大背景下，我國智能化港口建設(shè)如火如荼，自動化遠(yuǎn)程控制輪胎吊迎來廣闊的發(fā)展前景和市場空間。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用落地，在輪胎吊自動化控制技術(shù)升級的同時(shí)，新型輪胎吊大車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無疑將得到推廣應(yīng)用。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-04-20）