自動化軌道式龍門起重機作業(yè)效率評估方法研究

蔡黃河 魏紅梅 武 彬 蔡沛辰

1 中國石油大學(xué)(華東) 2 青島海西重機有限責(zé)任公司 3 天津港第二集裝箱碼頭有限公司

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，以自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)為代表的新型堆場裝卸設(shè)備逐漸成為國內(nèi)軌道吊市場的主流。截止到2020年初，已有超過1 200臺自動化軌道吊運行在全球約45個碼頭。該類設(shè)備基本形成了成熟的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其根據(jù)裝卸工藝的不同，主要分為雙懸臂、單懸臂、無懸臂3種[1]。各型自動化軌道吊已被證明是一種能夠有效地滿足堆場使用和提高生產(chǎn)效率的裝卸設(shè)備。相較于常規(guī)的輪胎式龍門起重機，其能提供更大的堆區(qū)覆蓋能力和更快的響應(yīng)速度，最大化地減少了人為因素的干擾，擁有更快的工作速度，更準(zhǔn)的自動掃描定位，并能根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)的安排進行堆場理貨預(yù)翻箱。

2 自動化軌道吊作業(yè)效率評估概述

目前國內(nèi)針對此類設(shè)備的效率評估缺乏標(biāo)準(zhǔn)的檢驗手段和方法。相關(guān)的技術(shù)招標(biāo)文件也只是規(guī)定了設(shè)備的工作機構(gòu)參數(shù)以及需要達到25 move/h的工作效率，但是并沒有針對設(shè)備在堆場中的實際工作效率及評價方法給出具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

軌道吊的性能是基于其工作循環(huán)時間來衡量的，工作循環(huán)時間是設(shè)備搬運1個集裝箱所需要的時間。整個搬運流程包括4個基本運行步驟，4個步驟所需時間決定了設(shè)備的工作循環(huán)時間(見圖1)。

圖1 軌道吊工作循環(huán)

圖2 軌道吊作業(yè)流程

3 常規(guī)設(shè)備工作循環(huán)計算

常規(guī)設(shè)備一般按照圖2理論作業(yè)流程進行工作循環(huán)時間計算，單個工作循環(huán)包含的主要工作流程包括：小車運行到取箱位置；空載下降到取箱位；抓箱后滿載上升到堆箱位置；小車運行到落箱位置；滿載下降到落箱位放箱。

在理論循環(huán)中所用的起升和小車驅(qū)動系統(tǒng)的時間按照設(shè)備的額定能力來計算，理論循環(huán)應(yīng)包括從堆場堆垛上移走到底盤車上放置集裝箱的全部過程。工作循環(huán)應(yīng)以從堆垛上移走所有45個集裝箱(如集裝箱堆垛方式為5層高×9排寬)并裝到底盤車上，然后從底盤車上移走45個集裝箱并放置于堆垛上為基礎(chǔ)來計算[2]。

根據(jù)實際項目情況，設(shè)定的輸入條件如下：

(1)軌距：集裝箱排數(shù)n=9、10、11、12、13,對應(yīng)軌道吊軌距分別為28.4 m、31 m 、34 m、37 m、40 m。

(2)懸臂距離：對應(yīng)為懸臂兩側(cè)車道距離軌道中心的距離為4.5 m。

(3)起升高度：“堆五過六”18.1 m。

(4)起升速度：滿載45 m/min、空載90 m/min，加減速時間滿載2 s、空載4 s。

(5)小車速度：120 m/min,加減速時間6 s。

單個流程所需要的時間根據(jù)設(shè)計手冊進行計算[3]，其中起升時間計算如下：

(1)

式中，SAB為總的起升高度；SAH為加減速距離；tAH1為加速時間；tAH2為減速時間；VH為起升速度。計算所需要的平均循環(huán)時間見表1。

表1 常規(guī)循環(huán)時間計算

4 自動化設(shè)備影響因素分析

常規(guī)軌道吊設(shè)備，其工作效率更多的由司機的操作技術(shù)水平?jīng)Q定；而自動化軌道吊其工作效率主要由自身性能參數(shù)決定，更加可預(yù)測，便于碼頭在前期規(guī)劃階段進行整體效率評估，在碼頭投入生產(chǎn)運營后方便生產(chǎn)操作人員制訂相應(yīng)的生產(chǎn)工作計劃[4]。影響自動化設(shè)備運行效率的主要因素包括自動化子系統(tǒng)和碼頭設(shè)備調(diào)度策略。

4.1 自動化子系統(tǒng)

4.1.1 堆場掃描

基于安裝于小車底部的3D激光掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)信息，獲取堆場的堆碼輪廓信息。當(dāng)設(shè)備運行時，本系統(tǒng)會在吊具周圍創(chuàng)建一個虛擬安全區(qū)域(見圖3)，其隨著小車的速度和搖晃角度動態(tài)變化。一旦檢測到本安全區(qū)域內(nèi)有物體侵入，則會根據(jù)設(shè)定的安全距離自動減速或停止。本系統(tǒng)在工作機構(gòu)運行中一直保持激活監(jiān)測狀態(tài)。

圖3 防碰撞虛擬安全區(qū)域示意圖

4.1.2 車輛引導(dǎo)

基于安裝于平衡梁處的激光掃描儀檢測集卡的準(zhǔn)確位置，并引導(dǎo)司機將集卡停放至準(zhǔn)確位置。該動作在檢測到集卡接近時觸發(fā)，只有檢測到車輛位于正確位置時，自動化軌道吊才會繼續(xù)執(zhí)行抓放箱作業(yè)任務(wù)。

4.1.3 吊具微動

由于集卡停放不能保證100%準(zhǔn)確，在從集卡上抓放箱時還需要對吊具姿態(tài)進行微調(diào)，其通過吊具上架上配置的4個推桿電機實現(xiàn)。該動作在吊具進行軟著箱并慢速接近目標(biāo)位置之前完成，可以和下降動作同步進行。

圖4 自動化作業(yè)流程示意圖

4.1.4 車輛識別

該系統(tǒng)通過RFID或OCR識別作業(yè)車輛信息，并與作業(yè)任務(wù)中的車輛信息進行比對，校核無誤后方允許軌道吊開始作業(yè)。該動作在車輛就位后觸發(fā)。

4.1.5 軟著箱

基于吊具位置信息和目標(biāo)位置信息，在吊具接近目標(biāo)位置時，為了減少沖擊會慢速靠近直至觸發(fā)著箱限位。常規(guī)工作循環(huán)的理論計算中未考慮此流程所需要的時間，其對設(shè)備的工作時間影響尤其明顯。

4.2 碼頭設(shè)備調(diào)度策略

操作計劃決策通常由碼頭管理系統(tǒng)(TOS)做出，并考慮操作決策以優(yōu)化堆場的通過性能。軌道吊平均每個作業(yè)任務(wù)所需移動的大車距離越短，其作業(yè)效率越高。其主要受如下幾個因素的影響。

(1)集裝箱堆碼策略。每個碼頭的堆場策略都會根據(jù)自己的碼頭的實際情況進行調(diào)整，其主要目的在于有效利用堆場空間，減低集卡的轉(zhuǎn)運時間，盡量避免翻箱。上述優(yōu)化目標(biāo)互相之間可能存在彼此沖突之處，這就需要碼頭操作人員對此進行權(quán)衡和再平衡。不同的堆碼策略會導(dǎo)致軌道吊的作業(yè)任務(wù)有所差異，平均單次任務(wù)大車行走距離也不盡相同，從而影響軌道吊的實際工作效率。

(2)設(shè)備作業(yè)計劃。軌道吊不僅要兼顧內(nèi)外集卡的作業(yè)任務(wù)，還要執(zhí)行翻箱理貨任務(wù)，由于單個堆場內(nèi)不止一臺設(shè)備，還要考慮大車減速或停止等待以避免與其他設(shè)備間的碰撞。

(3)非生產(chǎn)性任務(wù)。該類型任務(wù)包含翻搗箱任務(wù)和預(yù)翻箱理貨任務(wù)。自動化堆場的翻箱任務(wù)一般為同貝位翻搗，其與碼頭的堆碼策略密切相關(guān)。

5 自動化設(shè)備工作循環(huán)分析

在綜合考慮上述影響因素后，可將自動化軌道吊的工作循環(huán)流程進行細化，添加吊具定位調(diào)整、軟著箱、抓箱放箱(開閉鎖)等流程(見圖4)。其中大車的運行時間可以根據(jù)碼頭歷史數(shù)據(jù)中的平均大車單箱作業(yè)運行時間進行估算。與集卡交互時的抓放箱操作需要人工干預(yù)，此部分時間也需要額外考慮。

6 作業(yè)效率評估流程

結(jié)合實際項目經(jīng)驗，以及不同碼頭的實際情況，在設(shè)備的驗收試車中，可考慮采取如下兩種試車方案來檢驗設(shè)備的自動化作業(yè)性能是否達到理論設(shè)計要求。

圖5 同貝位試車流程示意圖

6.1 同貝位作業(yè)情況

設(shè)備工作循環(huán)設(shè)定見圖5，其具體步驟詳細描述如下：①由起始位置抓1#集裝箱；②將1#箱放置于陸側(cè)集卡；③將2#箱放置于海側(cè)集卡；④抓取1#放置于Row1；⑤抓取2#箱放置于Row1；⑥返回初始位置。

根據(jù)上述過程計算當(dāng)集裝箱排數(shù)為9～13時，按照6個過程計算所需要的循環(huán)時間。

當(dāng)n=9,軌距為28.4 m時(大門框運行，不聯(lián)動)，循環(huán)時間計算見表2。

每增加1排集裝箱，小車運行距離約增加3 m，從1到5過程中小車運行距離增加15 m[5](見表3)。

表2 自動化試車循環(huán)時間計算

表3 自動化試車時間對比

6.2 堆區(qū)作業(yè)情況

不同于垂直端裝卸工藝，雙懸臂軌道吊采用兩邊裝卸，按照貝位設(shè)置交換區(qū)，大車帶箱移動作業(yè)較少；但是根據(jù)每個堆場尺寸的不同和實際生產(chǎn)調(diào)度策略，軌道吊大車仍然需要在堆場內(nèi)頻繁移動。在此情況下，本試驗流程能盡可能實際地反映出堆場的實際作業(yè)效率。其中，大車的移動貝位距離可參考碼頭原有設(shè)備的單箱作業(yè)平均移動值。

設(shè)備工作循環(huán)設(shè)定見圖6，其具體步驟詳細描述如下：①同貝位作業(yè)任務(wù)序列；②移動至Bay7；③翻搗箱作業(yè)；④移動至Bay1。

圖6 包含大車工況試車流程示意圖

根據(jù)跑大車貝位距離，測算理論數(shù)值。實際試驗時，大車和小車機構(gòu)可進行聯(lián)動，實際測試數(shù)據(jù)應(yīng)大于理論計算數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語

基于主流的自動化軌道吊設(shè)備分別針對不同的工況條件進行了工作循環(huán)時間計算，分析了自動化設(shè)備相比常規(guī)設(shè)備需要在循環(huán)計算中考慮的額外因素。并提出了基于同貝位工況和大車運行工況兩種設(shè)備工作效率評估方法，從而能夠更好地檢驗設(shè)備的自動化作業(yè)性能，驗證設(shè)備是否符合理論計算的數(shù)據(jù)，是否達到設(shè)計的工作效率，后續(xù)還將根據(jù)實際試車情況進一步完善工作循環(huán)計算。