◎ 溫宏杰，王 磊，劉明輝，趙 杰，張海明，邱兆龍

（山東港口集團(tuán)青島港董家口分公司，山東 青島 266000）

1 背景介紹

我國(guó)木材消耗快速增長(zhǎng)，已成為全球最大的木材進(jìn)口國(guó)。我國(guó)每年要從國(guó)外進(jìn)口大量原木，當(dāng)下粗放型的原木作業(yè)場(chǎng)地裝卸工藝和設(shè)備工作方式導(dǎo)致了原木工致殘率仍然較高，效率低下。原木規(guī)格、重量的跨度是巨大的，一般來(lái)說(shuō)，木材的氣干密度值可由較小的輕木的0.12 g·cm-3到較大的蛇紋木的 1.20～1.36 g·cm-3，其值域分布廣闊。

在港口作業(yè)中，門(mén)座式起重機(jī)作為一個(gè)重要的裝卸工具，由起升、旋轉(zhuǎn)、變幅和行走機(jī)構(gòu)組成，其中門(mén)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上還裝有可俯仰的傾斜單臂架或組合臂架及司機(jī)室，門(mén)機(jī)行走機(jī)構(gòu)作為作業(yè)中不可或缺的一部分，能夠使門(mén)機(jī)在軌道上運(yùn)行，可以把貨物送到指定的角度和位置。門(mén)機(jī)隨著港口業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，門(mén)座式起重機(jī)是港口碼頭上數(shù)量和使用頻率最多、機(jī)構(gòu)最多、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、最典型的電動(dòng)裝卸機(jī)械。它具有較好的工作性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用在港口碼頭。門(mén)座式起重機(jī)的工作結(jié)構(gòu)具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使用率高，臺(tái)時(shí)效率也很高，一般可達(dá)100 t·h-1以上。它的結(jié)構(gòu)是立體的，占用碼頭面積較少，具有高大的門(mén)架和較長(zhǎng)距離的伸臂，因而具有較大的起升高度和工作幅度，能滿(mǎn)足港口、碼頭、船舶和車(chē)輛的機(jī)械化裝卸、轉(zhuǎn)載，充分使用港口、碼頭場(chǎng)地，適應(yīng)船舶的空載、滿(mǎn)載作業(yè)，以及地面車(chē)輛的通行要求，還具有高速靈活、安全可靠的裝卸能力，對(duì)提高裝卸生產(chǎn)率，減輕繁重的體力勞動(dòng)具有重大的意義。

在港口傳統(tǒng)原木貨種裝卸作業(yè)過(guò)程中，門(mén)機(jī)大多使用傳統(tǒng)原木抓具，該抓具直接與門(mén)機(jī)4根主鉤鋼絲繩連接，門(mén)機(jī)通過(guò)控制中間兩根開(kāi)閉鋼絲繩的起升和下落來(lái)實(shí)現(xiàn)抓斗的開(kāi)閘和閉閘，司機(jī)需要反復(fù)的開(kāi)閉閘才能夠抓緊抱牢原木，過(guò)程煩瑣，浪費(fèi)時(shí)間。并且傳統(tǒng)的抓具不具備旋轉(zhuǎn)功能，船艙內(nèi)的原木不平行于軌道時(shí)，需要門(mén)機(jī)司機(jī)操控門(mén)機(jī)的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制抓斗的方向，找鉤不精確、需要反復(fù)的碰撞抓斗才能擺正角度，僅能通過(guò)司機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)小幅度旋轉(zhuǎn)擺幅。傳統(tǒng)的原木抓具僅能抓取平行于門(mén)機(jī)軌道擺放的原木貨物，若船艙內(nèi)擺放有垂直于門(mén)機(jī)軌道的貨物，則需要其他流動(dòng)性機(jī)械配合將垂直的貨物調(diào)整至平行于軌道的方向后，門(mén)機(jī)再使用原木抓具進(jìn)行抓取，影響作業(yè)效率，上述作業(yè)流程有以下幾點(diǎn)不足。①艙內(nèi)需要挖掘機(jī)進(jìn)行配合，門(mén)機(jī)需要反復(fù)更換索具吊裝機(jī)械，影響作業(yè)效率。②貨物存在高空落物的風(fēng)險(xiǎn)，若艙內(nèi)機(jī)械、人員站位不當(dāng)可能造成機(jī)損、人員受傷。③門(mén)機(jī)使用鋼絲控制抓斗開(kāi)閉閘，當(dāng)原木抓的牢時(shí)會(huì)出現(xiàn)閉合鋼絲繩受力較大，可能出現(xiàn)單機(jī)受力超負(fù)荷。④人員誤操作或設(shè)備出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)抓斗雙機(jī)不平衡導(dǎo)致抓斗開(kāi)口，貨物撒落[1]。

為解決傳統(tǒng)原木裝卸作業(yè)過(guò)程中存在的不足，相關(guān)研發(fā)人員經(jīng)分析研究制造一種可以進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)功能的原木抓具，該原木抓具可以在艙內(nèi)旋轉(zhuǎn)，抓取任意角度的原木。此外，這種原木抓具還使原本需要門(mén)機(jī)+挖掘機(jī)+指揮手的作業(yè)模式精簡(jiǎn)為僅需門(mén)機(jī)獨(dú)自作業(yè)即可，省去了挖掘機(jī)和司機(jī)的環(huán)節(jié)，降低了作業(yè)成本，兼顧提高作業(yè)效率，有效解決了人機(jī)分離的本質(zhì)安全問(wèn)題、鋼絲繩單機(jī)超負(fù)荷現(xiàn)象、抓斗自動(dòng)開(kāi)斗現(xiàn)象，保障作業(yè)人員人身安全、作業(yè)機(jī)械安全、船舶自身安全和貨物自身安全，落實(shí)生產(chǎn)作業(yè)安全當(dāng)先的準(zhǔn)則。

基本方案為一種可以單獨(dú)使用的可360°旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)鉤頭和由電能控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閘和閉閘的原木抓具組成。其特征為電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭由兩套電機(jī)+減速箱、回轉(zhuǎn)軸承、中心滑環(huán)、吊鉤和編碼器；通過(guò)使用變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶有減速箱連接齒輪，通過(guò)司機(jī)操作按鈕，給PLC一個(gè)電信號(hào)，輸出給變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向和反向的旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)鉤頭可360°方向旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)鉤頭的旋轉(zhuǎn)速度可變頻調(diào)節(jié)，回轉(zhuǎn)裝置中設(shè)有中心導(dǎo)電滑環(huán)，在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力與通信信號(hào)的傳輸，確保鉤頭能夠360°旋轉(zhuǎn)；原木抓具由電動(dòng)機(jī)、油泵、液壓油缸、蓄能器、斗瓣和行程開(kāi)關(guān)組成；吊具鉤頭通過(guò)鏈條、卸扣與門(mén)機(jī)主鉤鋼絲連接，通過(guò)安裝在門(mén)機(jī)上的電纜提供動(dòng)力及通信控制信號(hào)；吊具鉤頭與原木抓具之間通過(guò)軸銷(xiāo)連接，通過(guò)電纜連接傳輸動(dòng)力及通信控制信號(hào)。

隨著青島港到港原木貨類(lèi)增加，山東港口集團(tuán)青島港董家口分公司也開(kāi)始從事原木貨類(lèi)的接卸作業(yè)。原木卸船主要使用門(mén)機(jī)配備專(zhuān)用抓斗作業(yè)，在裝卸作業(yè)主要靠抓斗來(lái)進(jìn)行，對(duì)于原木這種貨類(lèi)，全國(guó)各大港口多數(shù)在用10 t、16 t門(mén)座式起重機(jī)對(duì)原木進(jìn)行作業(yè)，對(duì)于大噸位的原木船只來(lái)說(shuō)，用小噸位的門(mén)機(jī)進(jìn)行作業(yè)所需工作時(shí)間長(zhǎng)，效率低。山東港口集團(tuán)青島港董家口分公司現(xiàn)有門(mén)機(jī)載荷為25 t，起升機(jī)構(gòu)使用4根鋼絲繩，即俗稱(chēng)四索。25 t四索原木抓斗斗容大，抓取貨物量大，較10 t、16 t載荷而言在作業(yè)時(shí)間與作業(yè)效率上有非常大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，對(duì)于原木這種貨類(lèi)來(lái)說(shuō)，其外形屬于細(xì)長(zhǎng)型。由于船只裝載原木是順著船體方向，即與門(mén)機(jī)軌道方向平行，正常雙顎抓斗，雙顎打開(kāi)方向?qū)τ陂T(mén)座式起重機(jī)來(lái)說(shuō)是左右方向。而原有原木抓斗又是類(lèi)似于雙顎形式，在抓斗作業(yè)時(shí)，斗齒的打開(kāi)方向與其他抓斗雙顎打開(kāi)方向一致，在抓取原木時(shí)打開(kāi)的斗齒正好位于原木的兩端，正常作業(yè)時(shí)只有在人工輔助的情況下抓斗斗齒才會(huì)擺正，從而將其抓起，同時(shí)在抓起后由于抓斗滿(mǎn)負(fù)荷會(huì)自擺回原來(lái)的位置致使原木的一端對(duì)著門(mén)座式起重機(jī)，這種情況給抓斗作業(yè)帶來(lái)了很多不便，四索抓斗旋轉(zhuǎn)90°非常難以控制，人工輔助也不安全，作業(yè)效率也受到很大影響。因此，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、性能安全可靠以及操作簡(jiǎn)便的用于裝卸門(mén)機(jī)上的25 t四索原木抓斗是該領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題之一[2]。

2 原木旋轉(zhuǎn)抓具的構(gòu)造

2.1 電控系統(tǒng)

對(duì)司機(jī)室內(nèi)配電柜進(jìn)行改造，安裝一套電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭控制專(zhuān)用變頻器、PLC系統(tǒng)，對(duì)門(mén)機(jī)操作手柄進(jìn)行改造，替換為含有多個(gè)操作按鈕的航空主令，同時(shí)在門(mén)機(jī)臂架系統(tǒng)上安裝一套由主吊桿底部延伸至象鼻梁端部的電纜+配電箱+插座+配重生根點(diǎn)組成的配套基礎(chǔ)供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭和原木抓具動(dòng)力電源的輸送及控制信號(hào)的傳遞。在旋轉(zhuǎn)大齒圈處安裝一個(gè)編碼器，用來(lái)和電動(dòng)鉤頭旋轉(zhuǎn)齒圈處安裝的編碼器反饋回來(lái)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)鉤頭同門(mén)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度相同，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨功能。同時(shí)對(duì)門(mén)機(jī)原有PLC程序、變頻器參數(shù)進(jìn)行一定優(yōu)化修改，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉤頭相關(guān)程序同門(mén)機(jī)原有程序無(wú)縫完美對(duì)接[3]。

2.2 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭

旋轉(zhuǎn)電動(dòng)鉤頭由兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)+減速箱、回轉(zhuǎn)軸承、中心滑環(huán)、吊鉤、吊耳及鏈條、編碼器、上機(jī)電纜和電纜儲(chǔ)存框組成，可以360°旋轉(zhuǎn)，并且可單獨(dú)作為鉤頭使用。

2.3 液壓原木抓具

液壓原木抓具由電動(dòng)機(jī)、油泵、液壓油缸、蓄能器和斗瓣組成，使用電能控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉閘。

3 原木旋轉(zhuǎn)抓具的工作原理

3.1 組裝方式

吊具鉤頭通過(guò)鏈條、卸扣與門(mén)機(jī)主鉤鋼絲連接，通過(guò)安裝在門(mén)機(jī)上的電纜提供動(dòng)力及通信控制信號(hào)；吊具鉤頭與原木抓具之間通過(guò)軸銷(xiāo)連接，通過(guò)電纜連接傳輸動(dòng)力及通信控制信號(hào)，吊具可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨功能，抓斗可以始終保持一個(gè)方向跟隨門(mén)機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)[4]。

3.2 工作原理

通過(guò)司機(jī)在司機(jī)室操作油泵的開(kāi)啟，操作鉤頭的旋轉(zhuǎn)按鈕，給PLC一個(gè)電信號(hào)，輸出給變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向和反向的旋轉(zhuǎn)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶有減速箱連接齒輪，使得旋轉(zhuǎn)鉤頭可360°方向旋轉(zhuǎn)，變頻器驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)鉤頭的旋轉(zhuǎn)速度可變頻調(diào)節(jié)，平穩(wěn)啟動(dòng)和制動(dòng)，回轉(zhuǎn)裝置中設(shè)有中心導(dǎo)電滑環(huán)，確保相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力與通信信號(hào)的傳輸，編碼器能夠反饋旋轉(zhuǎn)速度到PLC同門(mén)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度相比較實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨功能。操控開(kāi)閉閘按鈕，給PLC一個(gè)電信號(hào)，能夠控制原木抓具上的電磁閥的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)抓具的開(kāi)閉閘控制，抓具上的行程開(kāi)關(guān)控制開(kāi)閉范圍，觸發(fā)限位后停止 開(kāi)閉閘。

4 原木旋轉(zhuǎn)抓具的具體工作流程

4.1 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭與門(mén)機(jī)的連接組裝

門(mén)機(jī)從事原木貨種裝卸的可電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的鉤頭+液壓抓斗組成的抓具見(jiàn)圖1所示。

圖1 門(mén)機(jī)從事原木貨種裝卸的可電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的鉤頭+液壓抓斗組成的抓具結(jié)構(gòu)示意圖

作業(yè)人員使用卸扣將門(mén)機(jī)主鉤鋼絲繩與電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭平衡梁上的吊耳進(jìn)行連接，操作司機(jī)將電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭起升至門(mén)機(jī)最高點(diǎn)，作業(yè)人員爬到吊桿的端部使用繩子將電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭動(dòng)力源的電纜通過(guò)插頭與門(mén)機(jī)象鼻梁端部的插座連接箱連接好并進(jìn)行固定，電纜的連接可以傳遞旋轉(zhuǎn)鉤頭和原木抓具的動(dòng)力電源、控制信號(hào)和通信信號(hào)的傳遞。

4.2 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭與液壓抓斗的連接組裝

操作司機(jī)將電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭落至合適高度，將電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭通過(guò)連接軸I將電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭與液壓抓斗實(shí)現(xiàn)物理連接，將液壓抓斗上的電纜插頭與電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭上的配電箱插座連接，實(shí)現(xiàn)液壓抓斗的開(kāi)閉閘控制。完成上述安裝作業(yè)后，司機(jī)可以在駕駛室操控實(shí)現(xiàn)原木抓具的各項(xiàng)功能。司機(jī)只需要通過(guò)改造后的航空主令，便能控制電動(dòng)鉤頭的360°旋轉(zhuǎn)和原木抓具的開(kāi)閘和閉閘，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)門(mén)機(jī)+旋轉(zhuǎn)抓具的多種組合動(dòng)作連貫動(dòng)作，節(jié)省裝卸時(shí)間。例如，司機(jī)可在門(mén)機(jī)起升過(guò)程中操控液壓抓斗開(kāi)閉閘和抓斗的旋轉(zhuǎn)，在起升和下降過(guò)程中隨時(shí)旋轉(zhuǎn)抓具的角度到達(dá)合適的位置。這種組裝方式改善了操控難易程度、加強(qiáng)了裝卸的連貫和流程性，提高了裝卸的效率。

4.3 兩個(gè)斗齒鉸座和寬斗齒的兩個(gè)斗齒鉸座連接

窄斗齒上端的連接鉸座內(nèi)掛在中梁箱體內(nèi)側(cè)，寬斗齒上端的連接鉸座內(nèi)掛在中梁箱體的外側(cè)，這樣就使得兩斗齒形成雙顎的形式。中梁滑輪總成上設(shè)有鋼絲繩控制器，上承梁的滑輪總成通過(guò)鋼絲繩與中梁的滑輪總成連接，形成斗齒開(kāi)閉滑輪組系。每個(gè)開(kāi)合活動(dòng)支架的下端面分別以多個(gè)連接桿連接抓斗斗齒。鋼絲繩控制器是一個(gè)弧形管，下端以軸活動(dòng)連接在中梁箱體側(cè)板上，上端部閉合活動(dòng)包裹在鋼絲繩上。抓取范圍大、容積大、強(qiáng)度高、切入角度好、摩擦阻力小、抗拉強(qiáng)度高、中梁結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)及控制靈活，有效避免了作業(yè)中鋼絲繩出滑輪槽的問(wèn)題，抓斗通過(guò)對(duì)平衡梁的扭轉(zhuǎn)以及上梁滑輪組和中梁滑輪組的相應(yīng)扭轉(zhuǎn)，保證了抓斗在作業(yè)時(shí)原木的兩端在門(mén)機(jī)的兩側(cè)而不是對(duì)著門(mén)機(jī)。保證抓斗在抓取出原木位置是與門(mén)座式起重機(jī)的位置在空間上保持平行，而不是垂直關(guān)系，從而大大降低了危險(xiǎn)作業(yè)系數(shù)，避免了人工輔助作業(yè)的危險(xiǎn)[5]。

5 原木旋轉(zhuǎn)抓斗的優(yōu)勢(shì)

5.1 提高效率

創(chuàng)新采用旋轉(zhuǎn)鉤頭+液壓原木抓具的組合，通過(guò)采用液壓控制，實(shí)現(xiàn)原木抓具360°旋轉(zhuǎn)，門(mén)機(jī)可以抓取船艙內(nèi)任意角度、位置的原木貨物，免去了艙內(nèi)挖掘機(jī)等其他機(jī)械配合作業(yè)的過(guò)程，抓取原木一次性抓滿(mǎn)不會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，能夠提升裝卸效率為40%，一臺(tái)門(mén)機(jī)每年裝卸40萬(wàn)方原木，消耗電能為22.4kW·h，每年能節(jié)省電費(fèi)9萬(wàn)余元左右。

5.2 降低風(fēng)險(xiǎn)

該旋轉(zhuǎn)抓具開(kāi)閉閘由液壓系統(tǒng)控制，門(mén)機(jī)4根鋼絲繩受力平衡，杜絕了舊有原木抓斗可能出現(xiàn)單機(jī)超負(fù)荷的隱患風(fēng)險(xiǎn)。在大大降低艙內(nèi)作業(yè)機(jī)械、人員成本的同時(shí)有效避免由于艙內(nèi)人機(jī)配合不當(dāng)造成高空落物等風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 應(yīng)用多樣性

因港口接卸的貨種復(fù)雜性，針對(duì)不同的作業(yè)貨種時(shí)如五金、袋裝物、件雜貨等，也可單獨(dú)使用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉤頭進(jìn)行作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)貨物在艙內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)任意角度擺放，免去人員接觸貨物，解決人貨分離，保障安全。

5.4 節(jié)約成本、提高收益

通過(guò)上述方式，能夠節(jié)省一臺(tái)挖掘機(jī)和一名司機(jī)的成本，每臺(tái)挖掘機(jī)每年接卸原木為30萬(wàn)m3，消耗燃油為9.3萬(wàn)L，大約燃油成本為65萬(wàn)元、維護(hù)成本為13萬(wàn)余元、挖掘機(jī)司機(jī)人工成本為15萬(wàn)元。提升裝卸效率能夠降低的能耗費(fèi)用9萬(wàn)元，能夠保障作業(yè)人員人身安全，落實(shí)生產(chǎn)作業(yè)安全當(dāng)先的準(zhǔn)則，能夠與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，提高工作效率，每年為企業(yè)帶來(lái)收益約100萬(wàn)元以上。