自動(dòng)化碼頭輪胎吊電纜卷筒換電技術(shù)

袁 靜 吳紀(jì)林 杜 元

上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)(以下簡稱輪胎吊)是國內(nèi)集裝箱碼頭堆場的主要配備機(jī)型,以機(jī)上柴油機(jī)組發(fā)電驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行堆場作業(yè)。為適應(yīng)環(huán)保要求，各集裝箱碼頭開始嘗試把以柴油為主要?jiǎng)恿Φ妮喬サ醺脑鞛橐允须姙橹饕獎(jiǎng)恿Φ碾妱?dòng)式輪胎吊，其改造的方案主要有：電纜卷盤供電、低架滑觸線供電、中架滑觸線供電、高架滑觸線供電等[1]。因各碼頭實(shí)際的輪胎吊數(shù)量、碼頭布局、貨物吞吐量、安全性等方面的不同，制定出的改造方案也不同。一些碼頭改造為油電混合動(dòng)力式輪胎吊進(jìn)行堆場作業(yè)，其中包括300 kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組+DC-AC整流器組成的混合動(dòng)力輪胎吊、120 kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組+鋰電池組組成的混合動(dòng)力輪胎吊等[2]，但無法實(shí)現(xiàn)自主轉(zhuǎn)場。轉(zhuǎn)場時(shí)需要輪胎吊司機(jī)先到操作室平臺(tái)側(cè)手動(dòng)拉下滑觸線集電桿并放到對應(yīng)位置，再通過樓梯到輪胎吊發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)啟動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，才能完成轉(zhuǎn)場。轉(zhuǎn)場完成后，需要人工再次切換模式。

隨著港口設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展需要，輪胎吊自動(dòng)化改造已成為迫切需要解決的問題。自動(dòng)化碼頭通常采用新型鋰電池技術(shù)和市電技術(shù)對輪胎吊進(jìn)行純電供能，在此方案下，需要電纜卷筒自動(dòng)換電裝置進(jìn)行鋰電池和市電的無縫切換，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化轉(zhuǎn)場作業(yè)。通過對電纜卷筒自動(dòng)取電裝置的結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行研究分析，提出可行優(yōu)化方案。

2 輪胎吊電纜卷盤光電自動(dòng)換電裝置

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

輪胎吊電纜卷盤光電自動(dòng)換電裝置主要由以下部分構(gòu)成。

(1)激光糾偏總成。包括激光發(fā)射器、激光反射板等裝置，功能在于輪胎吊到取電位置后進(jìn)行大車方向位置糾偏，減少大車位置不準(zhǔn)對自動(dòng)換電裝置對位精準(zhǔn)度的影響，增加成功率，減少人工干預(yù)次數(shù)。

(2)本地電控箱。由于機(jī)械裝置在長時(shí)間的使用下，限位、機(jī)械會(huì)有一定程度的誤感應(yīng)、磨損等情況發(fā)生，造成自動(dòng)操作失敗。為保證發(fā)生故障時(shí)能應(yīng)急解決或進(jìn)行故障復(fù)位，設(shè)置本地電控箱讓工作人員人工介入替代自動(dòng)程序，從而短時(shí)間內(nèi)完成人工換電操作。

(3)防護(hù)結(jié)構(gòu)總成。在自動(dòng)取電過程中，需運(yùn)用通訊光纖，為避免光纖頭遭受外界環(huán)境污染和意外碰撞，增設(shè)防護(hù)放置,去除錯(cuò)誤操作帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)機(jī)械手總成。在自動(dòng)換電過程中，機(jī)械手的內(nèi)側(cè)端部鉸接在輪胎吊上，取代人工插電、拔電的流程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開閉防護(hù)罩的功能，避免人與10 kV高壓電接觸的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

(5)三軸驅(qū)動(dòng)總成。三軸驅(qū)動(dòng)總成為電纜卷筒自動(dòng)換電裝置提供了X軸、Y軸和Z軸3個(gè)方向的機(jī)動(dòng)性，確保取電裝置精準(zhǔn)對位。

(6)插座總成。插座總成設(shè)置在輪胎吊上,集成光纖頭、限位、彈簧等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)取電。

(7)電纜網(wǎng)罩固定裝置。輪胎吊轉(zhuǎn)場過程中會(huì)有無市電而依靠鋰電池供電的情況，需采用電纜網(wǎng)罩固定裝置對電纜進(jìn)行固定，避免拖地行車或碾壓電纜等情況。

(8)插座箱總成。插座箱固定在地面。第一箱體內(nèi)的頂部安裝有第一提升裝置，底部設(shè)置有提升板，提升裝置設(shè)置有光纖插座和抱指式插座。第二箱體內(nèi)的上部安裝有光纖插頭，插頭下方設(shè)置有觸頭，箱體底部設(shè)置有第二提升裝置。插座箱連通市電和光纖等，為輪胎吊鋰電池進(jìn)行供電和遠(yuǎn)程通訊。

除上述總成外還有鋼絲繩等輔助設(shè)備。

2.2 光纖通信

將光電自動(dòng)對接集中安裝在抱指式插頭插座箱內(nèi)，改變了原來輪胎吊取電與通信需要兩套裝置的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)電連接和光纖自動(dòng)對接同步進(jìn)行，從而滿足光纖頭的防護(hù)要求，提高使用壽命。光纖通信的使用，提高了傳輸效率，降低了延遲，節(jié)約了時(shí)間。在光纖對接上使用了導(dǎo)向塊與底座壓簧，使得連接過程具有自導(dǎo)向性及防護(hù)性，光纖對接均在插座箱內(nèi)進(jìn)行，達(dá)到防塵、防水要求，避免了因光纖裸露對接產(chǎn)生光纖頭污染而影響通訊能力。光纖通信的自動(dòng)對接技術(shù)，解決了目前遠(yuǎn)程通訊的自動(dòng)化對接難題，提高了作業(yè)效率，對接精度及防護(hù)性能滿足了光纖頻繁對接的需求，實(shí)現(xiàn)了輪胎吊遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作。

3 輪胎吊自動(dòng)換電流程

3.1 輪胎吊進(jìn)出場流程

為增加場地、設(shè)備利用率，自動(dòng)化碼頭輪胎吊作業(yè)采用可轉(zhuǎn)場輪胎吊方案。根據(jù)具體的堆場作業(yè)要求，可將輪胎吊轉(zhuǎn)場作業(yè)分為進(jìn)場流程和出場流程。

3.1.1 出場流程

輪胎吊司機(jī)在鋰電池與市電雙供電的情況下，進(jìn)行大車行走操作，將輪胎吊移動(dòng)至插座箱附近。司機(jī)利用地面油漆作為參照線，在激光限位反饋到位并且司機(jī)操作臺(tái)指示燈亮?xí)r，對大車換電裝置進(jìn)行對位。對位結(jié)束后打斷市電轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)入自動(dòng)斷電流程，自動(dòng)從插座箱取出電纜插頭并斷市電。約3 min斷電完成指示燈亮后移動(dòng)至待作業(yè)箱區(qū)口準(zhǔn)備進(jìn)場流程。此時(shí)僅靠鋰電池作業(yè)，轉(zhuǎn)場時(shí)需滿足鋰電池80%以上的要求，否則先進(jìn)行市電充電。

3.1.2 進(jìn)場流程

進(jìn)場對位過程與出場相同。對位結(jié)束后司機(jī)斷控制電打取市電轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)入自動(dòng)取電流程，過程中裝置運(yùn)行指示燈閃爍并自動(dòng)將電纜插頭插進(jìn)插座箱取得市電，約3 min取電完成指示燈亮和市電供電指示燈亮后，移動(dòng)大車進(jìn)場地開始作業(yè)。

3.2 自動(dòng)換電流程

(1)在電控箱的控制下，輪胎吊行到換電位置開始自動(dòng)換電，機(jī)械總成上的白色防護(hù)罩打開，露出插頭箱(見圖1)。

圖1 插頭箱

(2)通過三軸驅(qū)動(dòng)總成將插頭箱初步對準(zhǔn)地面插座箱(見圖2)。

圖2 插座箱

(3)通過三軸驅(qū)動(dòng)總成將插頭箱垂直插入插座箱，插頭箱下方的金屬球機(jī)械限位碰到插座箱下面的銀色表面并感應(yīng)，此時(shí)插頭已插入插座箱。

(4)到位后控制齒輪使機(jī)械手里的夾鉗夾緊，閉鎖限位感應(yīng)并固定插頭箱。

(5)三軸驅(qū)動(dòng)總成縮回原位抬高45°并換電完成，輪胎吊可以開始作業(yè)。

4 結(jié)語

自動(dòng)化碼頭輪胎吊電纜卷筒換電裝置符合綠色、環(huán)保及自動(dòng)化的特點(diǎn)，具有減少人工操作、消除環(huán)境污染、高效靈活轉(zhuǎn)場作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)。