堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具設(shè)計(jì)創(chuàng)新

張新杰

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

在集裝箱碼頭堆場內(nèi)，能否快速、整齊地把集裝箱堆垛在指定的位置決定著堆場的工作效率。運(yùn)用傳統(tǒng)吊具時(shí)需要人工判斷堆垛集裝箱的位置，易導(dǎo)致堆垛偏差，當(dāng)堆垛集裝箱的層數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，累積的偏差可導(dǎo)致整垛集裝箱傾倒事故的發(fā)生[1]。若采用具備自動識別和掃描功能的設(shè)備，雖能有效地提高堆垛集裝箱的精度，但需投入大量資金對碼頭的設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新或改造[2]。為此設(shè)計(jì)了堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具，不僅減少集裝箱堆垛偏差，而且能減少自動化設(shè)備的投入。

2 堆垛導(dǎo)引工作原理

該吊具的堆垛導(dǎo)引功能是利用導(dǎo)板輔助著箱實(shí)現(xiàn)的。集裝箱吊具抓取集裝箱時(shí)，在接近集裝箱頂?shù)母叨葧r(shí)，借助導(dǎo)板的力量集裝箱吊具調(diào)整至集裝箱正上方的位置，從而實(shí)現(xiàn)快速抓取集裝箱的目的。當(dāng)集裝箱吊具堆垛集裝箱時(shí)，將移動導(dǎo)板移動至集裝箱的底部，借助導(dǎo)板將集裝箱吊具和要堆放的集裝箱拉至集裝箱正上方的位置。該裝置既能快速堆垛集裝箱，又能減少堆放集裝箱時(shí)產(chǎn)生的偏差。堆垛完成后，再把移動導(dǎo)板移動并鎖定至集裝箱吊具上，不影響集裝箱吊具的正常伸縮功能。

3 堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)組成

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具和普通集裝箱吊具的不同是，在普通伸縮式集裝箱吊具的左右兩端增加了一套可以上下升降、內(nèi)外擺動的堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)。堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、卷繞機(jī)構(gòu)、折臂機(jī)構(gòu)和移動導(dǎo)板機(jī)構(gòu)組成(見圖1)。

1.導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 2.卷繞機(jī)構(gòu) 3.移動導(dǎo)板機(jī)構(gòu) 4.折臂機(jī)構(gòu)圖1 堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)總圖

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是用于約束移動導(dǎo)板的導(dǎo)向裝置，使移動導(dǎo)板只能上下移動。卷繞機(jī)構(gòu)通過鋼絲繩在卷筒上卷繞，驅(qū)動移動導(dǎo)板上下移動。折臂是集裝箱吊具和移動導(dǎo)板之間的聯(lián)絡(luò)機(jī)構(gòu)，折臂內(nèi)有連接集裝箱吊具和移動導(dǎo)板的電纜和液壓油管。移動導(dǎo)板由2個(gè)固定導(dǎo)板通過橫梁連接而成，是堆垛時(shí)和集裝箱接觸的機(jī)械機(jī)構(gòu)。

移動導(dǎo)板在集裝箱吊具上有2個(gè)位置，分別是8.0 ft和8.5 ft。移動導(dǎo)板在8.0 ft位置時(shí)，具有和普通集裝箱吊具固定導(dǎo)板相同的功能，目的是方便集裝箱吊具抓取集裝箱。當(dāng)移動導(dǎo)板處于8.5 ft時(shí)，集裝箱吊具無導(dǎo)板功能，方便集裝箱吊具維修和運(yùn)輸，防止集裝箱吊具在移動時(shí)移動導(dǎo)板撞到其他設(shè)備造成移動導(dǎo)板損壞。在集裝箱吊具端部轉(zhuǎn)銷機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，有用于固定移動導(dǎo)板的固定鎖孔,當(dāng)移動導(dǎo)板鎖定在鎖孔時(shí)，可防止移動導(dǎo)板因沖擊而松動和掉落(見圖2)。

1.8.0 ft位置鎖孔 2.8.5 ft位置鎖孔圖2 移動導(dǎo)板固定鎖孔

在堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具使用過程中，堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)可根據(jù)吊具抓箱和堆箱的不同過程而調(diào)整移動導(dǎo)板的位置。當(dāng)集裝箱吊具要抓取集裝箱時(shí)，把移動導(dǎo)板移動至8.0 ft的位置(見圖3)。

圖3 抓箱工作狀態(tài) 圖4 堆箱工作狀態(tài)

而當(dāng)集裝箱吊具要堆垛集裝箱時(shí)，在安全的位置只需要發(fā)出堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)下降的命令，吊具兩側(cè)的移動導(dǎo)板會自動下降至集裝箱箱底，并鎖定在集裝箱底角鎖孔內(nèi)(見圖4)。同時(shí)吊具反饋集裝箱高度信息和移動導(dǎo)板鎖定狀態(tài)信號給操作者及主機(jī)控制系統(tǒng)，參與主機(jī)的邏輯控制處理。

3.2 電氣控制組成

堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)上的電氣控制元器件主要用于檢測和測量各機(jī)構(gòu)的位置、長度，以及實(shí)現(xiàn)減速和保護(hù)等功能。主要的電氣元器件見表1，具體安裝位置見圖5～7。

表1 堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)電氣元器件一覽表

1.液壓馬達(dá) 2.編碼器圖5 堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)頂面

1.擺動油缸 2.校準(zhǔn)限位 3.鎖動油缸圖6 堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)側(cè)面

1.箱底檢測限位(發(fā)射) 2.箱底檢測限位(接收) 3.減速限位 4.攝像頭圖7 移動導(dǎo)板

4 堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)工作流程

堆垛導(dǎo)引機(jī)構(gòu)要正常工作，首先必須要進(jìn)行校準(zhǔn)動作。校準(zhǔn)動作是確定移動導(dǎo)板機(jī)構(gòu)位置以及編碼器初始數(shù)據(jù)的重要動作，是導(dǎo)板位置和高度計(jì)算的參考點(diǎn)。

4.1 校準(zhǔn)流程

進(jìn)行校準(zhǔn)動作時(shí)，移動導(dǎo)板首先開鎖、向外擺動后判斷校準(zhǔn)限位的狀態(tài)。若校準(zhǔn)限位處于接通(動作)狀態(tài)，移動導(dǎo)板機(jī)構(gòu)首先慢速下降，下降至校準(zhǔn)限位斷開(未動作)時(shí)停止，然后再慢速上升。當(dāng)校準(zhǔn)限位接通(動作)的瞬間，初始化編碼器數(shù)值(導(dǎo)板的位置值為1 090 mm)；移動導(dǎo)板繼續(xù)慢速上升，當(dāng)移動導(dǎo)板的位置為1 010 mm時(shí)上升動作停止。由于慣性原因移動導(dǎo)板會停止在1 000 mm左右的位置，這個(gè)位置就是8.0 ft鎖孔的位置，移動導(dǎo)板向內(nèi)擺動并鎖定在8.0 ft鎖孔內(nèi)，完成校準(zhǔn)動作。

在進(jìn)行校準(zhǔn)動作時(shí)，若校準(zhǔn)限位處于斷開(未動作)狀態(tài)，則移動導(dǎo)板會開鎖、向外擺動后慢速上升，移動導(dǎo)板后續(xù)的動作同校準(zhǔn)動作導(dǎo)板向上動作的流程一致。導(dǎo)板校準(zhǔn)動作的具體流程和動作見圖8。

圖8 導(dǎo)板校準(zhǔn)動作流程圖

4.2 導(dǎo)板下降高度值計(jì)算

完成校準(zhǔn)動作后，移動導(dǎo)板的固定鎖孔位置有了確切的高度位置數(shù)據(jù)。例如，8.0 ft固定鎖孔的位置數(shù)據(jù)是1 000 mm；8.5 ft固定鎖孔的位置數(shù)據(jù)是650 mm。集裝箱在吊具閉鎖并且懸空的情況下，從吊具8.0 ft鎖孔中心位置到集裝箱底角鎖孔中心的高度值L可由式(1)計(jì)算得到。

L=c1+c2+h-c3

(1)

式中，c1為吊具8.0 ft鎖孔中心到吊具端部轉(zhuǎn)銷箱底的距離，該距離由吊具機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，為100 mm;c2為抓箱后吊具端部轉(zhuǎn)銷箱底到集裝箱上角配件上端面的距離，為15 mm；h為集裝箱的高度；c3為集裝箱箱底角配件鎖孔中心到配件下表面的距離，為68 mm(見圖9)。

圖9 集裝箱吊具8.0 ft鎖孔到集裝箱箱底高度示意圖

計(jì)算出不同高度集裝箱對應(yīng)的吊具8.0 ft鎖孔中心位置到集裝箱箱底角配件鎖孔中心的高度值和活動導(dǎo)板高度數(shù)值(見表2)。

表2 不同高度集裝箱對應(yīng)的高度數(shù)值

4.3 導(dǎo)板下降動作流程

當(dāng)堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具完成抓箱動作后，需要把閉鎖后的集裝箱吊具提升至安全高度后才能發(fā)出導(dǎo)板下降指令。若吊具沒有接收到下降完成信號，移動導(dǎo)板會先進(jìn)行開鎖動作，然后外擺，再根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)換算出的移動導(dǎo)板高度值，自行判斷進(jìn)行高速或低速下降。當(dāng)感應(yīng)到箱底限位時(shí)，切斷導(dǎo)板下降動作后低速上升，直至箱底限位信號消失時(shí)停止。隨后移動導(dǎo)板向內(nèi)擺動并鎖定在集裝箱底角配件的鎖孔內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前移動導(dǎo)板的高度值，判斷出當(dāng)前集裝箱的高度信息并發(fā)給主機(jī)。導(dǎo)板下降動作流程見圖10。

圖10 導(dǎo)板下降動作流程圖

減速限位在移動導(dǎo)板下降過程中，時(shí)刻檢測移動導(dǎo)板下方(垂直)、集裝箱長度方向(X)和集裝箱寬度方向(Y)是否有障礙物。若有障礙物存在，立刻減速并停止移動導(dǎo)板下降動作，防止撞壞導(dǎo)板。

4.4 導(dǎo)板上升動作流程

當(dāng)操作者接收到導(dǎo)板下降完成信號后，可以把集裝箱吊具移動至要堆放位置的集裝箱正上方。操作者下降主機(jī)起升高度至集裝箱吊具發(fā)出著箱信號(完成集裝箱堆垛)后，才能發(fā)出導(dǎo)板上升指令。此時(shí)移動導(dǎo)板會自動開鎖，向外擺動后快速上升；當(dāng)移動導(dǎo)板高度值小于1 300 mm時(shí)切換至低速上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)8.0 ft停止位置后，停止上升動作，移動導(dǎo)板向內(nèi)擺動并鎖定，完成導(dǎo)板上升動作。導(dǎo)板上升動作默認(rèn)活動導(dǎo)板上升至集裝箱吊具8.0 ft鎖孔的位置，方便堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具進(jìn)行下一個(gè)集裝箱的抓取。導(dǎo)板上升動作流程見圖11。

圖11 導(dǎo)板上升動作流程圖

上升動作完成后，將吊具開鎖并提升至安全高度，進(jìn)行下一個(gè)裝卸作業(yè)流程。

5 結(jié)語

該堆垛導(dǎo)引集裝箱吊具在香港HIT碼頭集裝箱堆場、自動化集裝箱室內(nèi)倉儲中得到大量應(yīng)用，為快速堆垛集裝箱、減少集裝箱堆垛偏差提供了一套可行的解決方案。