坡度堆場(chǎng)下集裝箱吊取的分析

◎劉亞欣 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司青島分公司 李琪 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1.背景

集裝箱堆場(chǎng)常見(jiàn)面層結(jié)構(gòu)形式有高強(qiáng)聯(lián)鎖塊、混凝土大板、箱角條形基礎(chǔ)等，根據(jù)采用結(jié)構(gòu)形式的不同，部分情況下集裝箱堆場(chǎng)會(huì)存在一定角度的排水坡。條形基礎(chǔ)堆場(chǎng)，通過(guò)優(yōu)化排水結(jié)構(gòu)形式，集裝箱堆存可不受排水坡度的影響；堆場(chǎng)鋪面若采用高強(qiáng)聯(lián)鎖塊或混凝土大板結(jié)構(gòu)形式，集裝箱堆存區(qū)域則必然存在排水坡度。存在排水坡度的集裝箱堆場(chǎng)，其中的作業(yè)設(shè)備如何順利著箱、鎖定，最終完成起吊，本文將對(duì)此過(guò)程進(jìn)行分析探究。

1.1 集裝箱尺寸

集裝箱尺寸參見(jiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）頒布的《系列1集裝箱 分類、外形尺寸和額定質(zhì)量》（ISO 668-2013），第一系列集裝箱的寬度均為2438mm（8ft）。集裝箱的長(zhǎng)度分為E、A、B、C、D五個(gè)系列，公稱長(zhǎng)度依次為40.5ft（13.716m）、40ft（12.192m）、30ft（9.125m）、20ft（6.058m）、10ft（2.991m）。

集裝箱的寬度尺寸是統(tǒng)一的，但其長(zhǎng)度規(guī)格較多，為便于統(tǒng)計(jì)港口吞吐量、裝卸設(shè)備作業(yè)效率等，國(guó)際上以20ft長(zhǎng)度集裝箱作為當(dāng)量箱進(jìn)行換算，20ft長(zhǎng)度集裝箱被稱為標(biāo)準(zhǔn)箱，即TEU（twenty equivalent unit），公稱長(zhǎng)度6.058m。

目前港口裝卸的主流集裝箱規(guī)格為ISO 系列1 的20 ft 和40 ft 集裝箱，二者的寬度和高度均為2438 mm，其中20 ft 集裝箱長(zhǎng)6058 mm，40 ft 集裝箱長(zhǎng)12192mm，內(nèi)貿(mào)箱中，20ft集裝箱居多，外貿(mào)箱中，40ft集裝箱居多。

1.2 集裝箱角件

根據(jù)運(yùn)輸貨物的不同，集裝箱分為諸多種類，以干貨集裝箱為例，它的數(shù)量占集裝箱總數(shù)的70%～85%，主要組成部分有箱體、端壁、箱門及附件等。角件是附件之一，在集裝箱運(yùn)輸過(guò)程中，發(fā)揮著重要作用。

每個(gè)集裝箱都有兩個(gè)右頂角件和兩個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的左頂角件，除端孔外，底角件與頂角件結(jié)構(gòu)相同。頂角件位于集裝箱頂部四角，具有頂面、外側(cè)面和外端面。集裝箱系列1典型角件的外部尺寸為178mm×162mm×118mm，此尺寸適用于普通鑄鋼制造工藝生產(chǎn)的箱型。

集裝箱寬度方向兩角件孔中心距為2259mm，長(zhǎng)度方向20ft箱角件孔中心距為5853.5mm。角件的尺寸為，底部孔徑尺寸為63.50mm，底部板厚28.5mm。

1.3 集裝箱吊具

為適應(yīng)船舶大型化、碼頭專業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)，大部分集裝箱裝卸設(shè)備，如岸邊集裝箱起重機(jī)、輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)、集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)等，均采用集裝箱專用吊具。

常見(jiàn)的集裝箱專用吊具，無(wú)論具體結(jié)構(gòu)形式如何，基本工作原理是一致的：即吊具四角各設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)鎖，可完成吊具導(dǎo)向及旋轉(zhuǎn)鎖定功能，通過(guò)液壓或電力形式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鎖，使轉(zhuǎn)鎖與集裝箱角件配合與脫離，從而實(shí)現(xiàn)集裝箱的吊運(yùn)與放置。

常見(jiàn)的吊具轉(zhuǎn)鎖形式有圓錐形轉(zhuǎn)鎖及扁錐形轉(zhuǎn)鎖，轉(zhuǎn)鎖寬度的公稱尺寸為57mm，長(zhǎng)度為100mm，轉(zhuǎn)軸尺寸為φ59.5mm。

吊運(yùn)前，吊具四角的轉(zhuǎn)鎖下落進(jìn)入集裝箱頂部四角的角件孔中，轉(zhuǎn)鎖落入角件孔后，液壓或電力裝置驅(qū)動(dòng)使轉(zhuǎn)鎖旋轉(zhuǎn)90°，變?yōu)殚]合狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)鎖完成與角件的鎖定配合，起重設(shè)備可將集裝箱吊起。

集裝箱專用吊具種類繁多，根據(jù)起吊集裝箱長(zhǎng)度不同，分為20f t吊具、40ft吊具等，新型吊具大都能夠沿長(zhǎng)度方向伸縮，以適應(yīng)不同尺寸規(guī)格集裝箱的吊取作業(yè)；根據(jù)吊起集裝箱的數(shù)量，可分為單箱吊具、雙箱吊具等；根據(jù)吊具的驅(qū)動(dòng)裝置，可分為液壓吊具、電動(dòng)吊具等；根據(jù)吊具的結(jié)構(gòu)形式，可分為固定式吊具、組合式吊具、伸縮式吊具。

固定式集裝箱吊具僅適用于單一規(guī)格集裝箱的起吊，此種吊具結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，重量輕，通用性差，吊取不同尺寸集裝箱時(shí)，需更換吊具，影響作業(yè)效率；組合式集裝箱吊具由兩種或以上固定式吊具組合而來(lái)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置位置的不同和不同規(guī)格吊具的安裝關(guān)系，組合式吊具可分為吊梁式吊具、主從式吊具、子母式吊具；伸縮式吊具上裝有伸縮機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)鎖位置可沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同規(guī)格集裝箱的起吊位置需求。

為適應(yīng)船舶大型化發(fā)展趨勢(shì)，提高碼頭裝卸效率，減少船舶在港時(shí)間，國(guó)內(nèi)部分大噸級(jí)碼頭的岸邊集裝箱起重機(jī)采用多箱吊具。一個(gè)多箱吊具可同時(shí)起吊兩個(gè)及以上集裝箱，如雙40ft集裝箱吊具，可同時(shí)起吊4個(gè)20ft或2個(gè)40ft集裝箱。青島港雙40ft吊具的岸邊集裝箱起重機(jī)，2021年8月曾創(chuàng)下單機(jī)作業(yè)效率52.1自然箱/小時(shí)的記錄。

2.排水坡度下集裝箱的吊取

集裝箱碼頭從前沿到后方堆場(chǎng)，裝卸集裝箱的設(shè)備有多種，本文以集裝箱碼頭堆場(chǎng)常見(jiàn)作業(yè)設(shè)備集裝箱正面吊運(yùn)車（下文簡(jiǎn)稱“正面吊”）為例，對(duì)起吊20ft標(biāo)準(zhǔn)箱（TEU）的工況進(jìn)行分析研究。

正面吊的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定，工作中它可以適應(yīng)前后荷載差別較大的工況，起吊后的集裝箱多位于駕駛室前方。集裝箱吊具可繞吊臂前端水平軸前后擺動(dòng)，一般情況下，吊運(yùn)過(guò)程中，吊具四角轉(zhuǎn)鎖位于同一高程。

2.1 理想工況下吊取過(guò)程分析

理想工況下，假定吊具及集裝箱各部件尺寸無(wú)制造誤差，集裝箱四個(gè)頂角和四個(gè)底角各位于同一高程面，正面吊吊具四角轉(zhuǎn)鎖高程也相同。

角件孔徑的公稱尺寸為63.5mm，轉(zhuǎn)軸尺寸為φ59.5mm，二者尺寸配合關(guān)系可類比孔軸間隙配合理解，轉(zhuǎn)鎖不閉合狀態(tài)下（轉(zhuǎn)鎖長(zhǎng)度方向沿集裝箱長(zhǎng)度方向，即圖1雙點(diǎn)劃線轉(zhuǎn)鎖），可順利落入集裝箱角件的開孔中。

圖1 水平工況單個(gè)轉(zhuǎn)鎖閉鎖圖示

吊運(yùn)前，正面吊就位于集裝箱長(zhǎng)度方向一側(cè)，吊具從上而下進(jìn)行吊裝，吊具四角轉(zhuǎn)鎖同時(shí)落入集裝箱頂部四角角件的孔洞中，完成著箱，著箱后吊具上的位置感應(yīng)器傳出信號(hào)，吊具轉(zhuǎn)鎖旋轉(zhuǎn)，完成閉鎖。閉鎖感應(yīng)器輸出信號(hào)后，正面吊控制系統(tǒng)開始執(zhí)行起吊動(dòng)作，將集裝箱吊起。

實(shí)際吊取作業(yè)中，也會(huì)采取后側(cè)轉(zhuǎn)鎖先行與箱體接觸，前側(cè)轉(zhuǎn)鎖隨后著箱的抓取方式，這樣吊具單次僅需對(duì)齊兩個(gè)角件孔洞，降低了操作難度，同時(shí)吊具后側(cè)著箱后，吊具前側(cè)對(duì)集裝箱作用力臂減小，從而作用力矩減小，大幅減輕了吊具著箱過(guò)程中對(duì)箱體的撞擊。

2.2 排水坡度下起吊過(guò)程分析

存在排水坡度的堆場(chǎng)，集裝箱的擺放形式，暫按箱體寬度方向平行坡度方向進(jìn)行起吊分析。

集裝箱正面吊運(yùn)車的臂架及吊具結(jié)構(gòu)形式，能夠保證起重設(shè)備在坡度場(chǎng)區(qū)作業(yè)，吊臂平行于坡度方向時(shí)，吊具下的4個(gè)轉(zhuǎn)鎖可保持在同一高程面。因此集裝箱寬度方向沿堆場(chǎng)坡度工況的抓取研究，即為分析水平狀態(tài)的吊具，能否順利落入不同高程面的角件中，完成著箱及閉鎖。

方案分析假設(shè)集裝箱堆場(chǎng)存在千分之六的排水坡度，即坡角的正切值為0.006，此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于集裝箱與堆場(chǎng)間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，因此堆存的集裝箱不存在滑動(dòng)產(chǎn)生位移的風(fēng)險(xiǎn)。集裝箱寬度沿坡度方向堆存，此種情況下箱體寬度方向兩端角件位于不同高程面，假定起吊前正面吊就位于坡頂方向的長(zhǎng)度一側(cè)。

吊取過(guò)程中，吊具位于集裝箱正上方，將吊具寬度中心線與傾斜擺放的集裝箱寬度中心垂直對(duì)齊，吊具下落過(guò)程中首先與集裝箱寬度方向較高一側(cè)角件接觸；此時(shí)，此側(cè)轉(zhuǎn)鎖軸環(huán)中心線與角件孔洞中心偏移距離為0.155mm，左側(cè)轉(zhuǎn)鎖軸環(huán)中心線與角件孔洞中心的偏移距離為0.195mm。理想工況時(shí)，轉(zhuǎn)鎖軸環(huán)與角件孔徑的間隙為4mm，單側(cè)間隙2mm，間隙值遠(yuǎn)大于偏移距離，吊具著箱過(guò)程中軸環(huán)與孔洞內(nèi)壁理論上可始終保持間隙，機(jī)械部件不發(fā)生剛性碰撞。

吊具著箱過(guò)程中，吊具坡頂一側(cè)轉(zhuǎn)鎖首先落入角件中，此側(cè)轉(zhuǎn)鎖與角件位置如圖2所示。此時(shí)坡底一側(cè)轉(zhuǎn)鎖還未完成著箱，在重力作用下，坡底一側(cè)吊具繼續(xù)下落，轉(zhuǎn)鎖可進(jìn)入角件孔洞，從而完成著箱及鎖定。整個(gè)過(guò)程與水平堆場(chǎng)工況中，吊具后側(cè)鎖頭先著箱，前側(cè)鎖頭后著箱的過(guò)程基本一致，僅水平與傾斜設(shè)備發(fā)生對(duì)調(diào)。

圖2 坡度堆場(chǎng)坡頂側(cè)閉鎖圖示

若將集裝箱堆場(chǎng)地面排水坡度增大到10‰，集裝箱寬度坡頂一側(cè)與吊具的接觸點(diǎn)向箱體中心移動(dòng)，角件孔洞中心線與轉(zhuǎn)軸中心偏差增大至0.23mm，此側(cè)轉(zhuǎn)鎖落入角件過(guò)程中，二者可不發(fā)生碰撞，能夠順利著箱。坡底一側(cè)吊具轉(zhuǎn)鎖亦可在重力作用下落入孔洞，完成著箱。10‰排水坡度的堆場(chǎng)，正面吊依舊能夠完成集裝箱的吊取作業(yè)。

港口堆場(chǎng)地面常用排水坡度為3‰～10‰，此坡度范圍下，正面吊可順利完成集裝箱的吊取作業(yè)。

2.3 非常規(guī)排水坡度下的起吊探究

港口堆場(chǎng)地面常用排水坡度不大于10‰，坡度大于10‰情況下，正面吊能否完成集裝箱吊取作業(yè)，本文進(jìn)行了探究。

坡度26‰時(shí)，地面傾角1.5°，集裝箱吊取過(guò)程中，坡頂側(cè)轉(zhuǎn)鎖垂直向下進(jìn)入角件孔洞，著箱過(guò)程中，二者始終存在間隙；理想情況下，坡頂側(cè)吊具中間板與箱體接觸后，以接觸點(diǎn)為圓心，坡底轉(zhuǎn)鎖以弧形軌跡落入角件中，軌跡與角件孔洞始終存在間隙。通過(guò)分析得出，理想工況下，26‰坡度條件能夠滿足吊具著箱需求。

坡度44‰時(shí)，地面傾角2.5°，集裝箱吊取過(guò)程中，坡頂側(cè)轉(zhuǎn)鎖垂直向下進(jìn)入角件孔洞，著箱過(guò)程中，二者始終存在間隙；理想情況下，坡頂側(cè)吊具中間板與箱體接觸后，以接觸點(diǎn)為圓心，坡底轉(zhuǎn)鎖以弧形軌跡落入角件中，此時(shí)軌跡與角件孔洞間隙降至0.68mm。實(shí)際生產(chǎn)中，44‰坡度條件正面吊能否完成集裝箱吊取，有待實(shí)際操作進(jìn)一步驗(yàn)證。

表1為四組不同坡度下，吊具著箱過(guò)程中，轉(zhuǎn)鎖與角件二者最小間隙值。

表1 著箱中轉(zhuǎn)鎖與角件最小間隙值

2.4 問(wèn)題

本文針對(duì)常用排水坡度情況下，堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱的吊裝作業(yè)進(jìn)行了分析探究，結(jié)論為正面吊的結(jié)構(gòu)形式具有坡度環(huán)境作業(yè)適應(yīng)性，能夠順利完成常規(guī)坡度堆場(chǎng)中集裝箱的吊取。在更大坡度下，選取兩組坡度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明正面吊依舊能夠完成起吊任務(wù)。

箱體長(zhǎng)度方向沿坡度擺放時(shí)，正面吊能否順利完成吊取作業(yè)；寬度沿坡度擺放情況下，實(shí)際吊取作業(yè)的極限坡度為多少，有待進(jìn)一步的理論探究與實(shí)踐檢驗(yàn)，為港口實(shí)際生產(chǎn)提供更多參考依據(jù)。

3.結(jié)論

港口堆場(chǎng)常用排水坡度下，集裝箱寬度平行坡度方向堆存，吊具四角轉(zhuǎn)鎖的軸環(huán)可以順利落入箱體角件的孔洞中。吊具坡頂一側(cè)軸環(huán)首先落入角件孔洞中，待中間板與角件接觸后，在重力作用下，坡底一側(cè)軸環(huán)隨后落入此側(cè)角件孔洞中。待兩端軸環(huán)均落入角件孔洞中后，正面吊可完成著箱及閉鎖，從而進(jìn)行集裝箱的吊運(yùn)。