一種新型集裝箱吊具結(jié)構(gòu)的研究

陳俊 蘇永彬 張藝明 連厚泉

摘 ?要：該文通過介紹一種新型的港口岸橋吊臂結(jié)構(gòu)以及與之配套的集裝箱結(jié)構(gòu)，解決了當(dāng)下集裝箱吊運(yùn)過程中的對(duì)位環(huán)節(jié)難度高的問題，并且提出了一種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，在提高對(duì)位環(huán)節(jié)容錯(cuò)率的基礎(chǔ)上，降低了海風(fēng)對(duì)岸橋整體的影響。并且對(duì)該結(jié)構(gòu)的尺寸關(guān)系和受力情況作了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，最后利用3D打印技術(shù)制作出該結(jié)構(gòu)的模型，完成實(shí)驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)可以降低吊臂與集裝箱對(duì)位環(huán)節(jié)自動(dòng)化的門檻，為港口作業(yè)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化提供了另一種解決辦法。

關(guān)鍵詞：港口;岸橋;集裝箱;吊臂;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TH21 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著物流和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，加之以經(jīng)濟(jì)全球化背景下各國(guó)間商品的流通越來(lái)越頻繁，各大港口的吞吐量均在不斷創(chuàng)新高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年沿海港口吞吐量已達(dá)到94.4億噸， 同比增長(zhǎng)4.2%，預(yù)計(jì)2019年也將呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。港口作為海運(yùn)和路運(yùn)的中轉(zhuǎn)站，在全球資源配置中發(fā)揮著重要作用，港口建設(shè)也成為各沿海國(guó)家的重點(diǎn)工程項(xiàng)目之一。

集裝箱作為貨物運(yùn)輸?shù)闹匾d體，已成了國(guó)際通用的運(yùn)輸方式，港口的作業(yè)方式也在向高度自動(dòng)化發(fā)展。包括廈門港、青島港和上海港在內(nèi)的眾多國(guó)內(nèi)港口都在致力于“無(wú)人碼頭”的建設(shè)，并取得了一系列的成果。自動(dòng)化碼頭建設(shè)是實(shí)現(xiàn)港口轉(zhuǎn)型升級(jí)、提高核心競(jìng)爭(zhēng)力和提升港口形象的重要途徑。象2017年12月10日投入運(yùn)營(yíng)的上海洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭，是全球規(guī)模最大，自動(dòng)化程度最高的集裝箱碼頭，成為業(yè)界標(biāo)桿。自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)主要由碼頭裝卸、堆場(chǎng)裝卸和水平運(yùn)輸3個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)組成。其中，關(guān)于水平運(yùn)輸自動(dòng)化，目前許多港口已經(jīng)能利用AGV技術(shù)以及無(wú)人駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于碼頭裝卸環(huán)節(jié)，目前仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，主要原因在于岸橋與集裝箱的對(duì)位環(huán)節(jié)控制難度很大。

集裝箱的裝卸速度是評(píng)估集裝箱碼頭裝卸作業(yè)效率的重要因素。在作業(yè)設(shè)備有限的情況下只有提高作業(yè)效率才能滿足日益增長(zhǎng)的港口吞吐量要求。當(dāng)下雖然自動(dòng)化集裝箱碼頭岸橋作業(yè)的大部分環(huán)節(jié)可以由設(shè)備自動(dòng)完成， 但是對(duì)位環(huán)節(jié)仍需要作業(yè)人員手動(dòng)控制。一方面，由于海上作業(yè)受海風(fēng)影響大，且岸橋底部吊具與岸橋主體采用柔性的鋼絲繩連接，當(dāng)海風(fēng)較大時(shí)，容易產(chǎn)生晃動(dòng)，不利于對(duì)準(zhǔn)。另一方面，由于吊具與集裝箱的連接處尺寸較小，導(dǎo)致容錯(cuò)率不高，同樣不利于對(duì)集裝箱的抓取。因此即使是對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的岸橋司機(jī)，往往也需要幾次嘗試才能成功“捕獲”到集裝箱，雖然當(dāng)下許多港口開發(fā)了岸橋吊裝的遠(yuǎn)程操作方式，但是實(shí)用性不高，重點(diǎn)是仍未擺脫人類的干涉，仍未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該文提出的吊具結(jié)構(gòu)由2個(gè)部分組成，包括捕獲固定集裝箱的吊臂結(jié)構(gòu)以及吊繩“軟”和“硬”切換的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，為了適應(yīng)這種結(jié)構(gòu)，該文也提出了一種集裝箱結(jié)構(gòu)來(lái)與之配套。

1.1 集裝箱結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)該文提出的吊具結(jié)構(gòu)，首先提出一種集裝箱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。箱體為正方體或長(zhǎng)方體，在箱體頂部中心處有一圓柱狀的凹槽，凹槽頂部有一圈“鑲邊”，可理解為在箱體頂端挖了2個(gè)圓柱形的洞，先挖一個(gè)直徑較小的圓柱形的洞，再在此基礎(chǔ)上繼續(xù)向下挖一個(gè)直徑略大一點(diǎn)的圓柱形的洞。這個(gè)凹槽主要用于吊具與集裝箱的固定，吊具插入凹槽中，經(jīng)過相關(guān)操作后，可使集裝箱固定在吊具上，進(jìn)而將集裝箱吊起。

通過剖面圖可以看出，集裝箱結(jié)構(gòu)在為吊臂提供“捕獲點(diǎn)”的前提下雖然犧牲了一個(gè)圓柱形的空間，但是由于空間較小，因此對(duì)集裝箱的容積影響在可接受范圍。此外由于“捕獲點(diǎn)”是內(nèi)凹的，不會(huì)影響箱體外表面的平整性，因此不會(huì)影響集裝箱的堆疊。

1.2 吊臂結(jié)構(gòu)

為了加大對(duì)集裝箱裝卸的對(duì)位環(huán)節(jié)的容錯(cuò)率，降低對(duì)位操作自動(dòng)化的門檻，該文提供了一種新型的可橫向伸縮的吊臂結(jié)構(gòu)，吊臂主體結(jié)構(gòu)3D模型如圖2所示，整體形狀為下小上大的筒狀結(jié)構(gòu)。下端直徑較小，有利于結(jié)構(gòu)插入集裝箱頂端的圓柱形凹槽中，上端直徑較大，有利于對(duì)集裝箱的固定，減小其橫向晃動(dòng)。適用于圖1所示的集裝箱。

拆解后的視圖如圖3所示。整個(gè)吊臂分4個(gè)部分，從圖3的左上到右下分別是底部封閉頭，滑塊、滑桿以及主體構(gòu)件。其中滑塊中心有一直徑與滑桿相同的小孔，滑塊可套入滑桿中，并且在滑桿上滑動(dòng)?；瑝K邊緣有6根金屬小桿，用于支撐集裝箱上的凹槽的內(nèi)壁，固定集裝箱。主體末端的設(shè)計(jì)直徑較小，有利于與底部封閉蓋契合，并且有6個(gè)縫，便于滑塊的放入以及對(duì)金屬小桿進(jìn)行一定的限位。

滑塊上用柔性繩綁住6根金屬小桿，如圖4（右）所示，使其能夠在垂直視圖方向沿固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)?；瑝K中心圓孔邊緣分布有6個(gè)小孔，用于固定金屬小桿以及滑塊的牽引繩。主體構(gòu)件頂部視圖如圖5所示，牽引繩分上下兩頭，上頭穿過主體構(gòu)件頂部的小孔引出，下頭繞過底部一滑輪，使其轉(zhuǎn)向180°，又穿過滑塊上的其中一個(gè)小孔，從主體構(gòu)件的另一小孔引出，如此一來(lái)，引出的2條繩一收一拉，即可使滑塊在滑桿上進(jìn)行上下滑動(dòng)。底部封閉蓋底端中心有一小孔，其直徑與滑桿相同，用于固定金屬滑桿。小孔旁有一滑輪，用于滑塊牽引繩的“掉頭”，如圖4（右）所示。

由于主體構(gòu)件上的6個(gè)細(xì)長(zhǎng)的限位縫限制了滑塊在滑桿上的滑動(dòng)路程，使6根金屬小桿在主體構(gòu)件上呈現(xiàn)“張開”或“收起”的狀態(tài)。當(dāng)主體構(gòu)件頂部與滑塊下頭相連的牽引繩向外拉，另一根牽引繩向里收時(shí)，滑塊向底部封閉蓋方向滑動(dòng)，由于限位縫的限制，金屬小桿與滑桿的夾角將減小，導(dǎo)致6根金屬小桿外端相連構(gòu)成的圓直徑變小，方便吊臂進(jìn)入集裝箱凹槽固定口。相反地，當(dāng)主體構(gòu)件頂部與滑塊上頭相連的牽引繩向外拉，另一根牽引繩向里收時(shí)，滑塊向主體構(gòu)件頂部方向滑動(dòng)，金屬小桿與滑桿的夾角將增大，導(dǎo)致6根金屬小桿外端相連構(gòu)成的圓直徑變大，6根金屬小桿就卡住了集裝箱凹槽固定口。因此只需將2根牽引繩繞在一滾輪上并將其固定在大扭力的電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)一頭收，一頭拉的效果，實(shí)現(xiàn)金屬小桿的橫向伸縮，進(jìn)而固定或者松開集裝箱。

1.3 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

岸橋主體與吊具之間是采用柔性的吊繩連接的，所以吊具會(huì)在海風(fēng)的影響下擺動(dòng)，從而給對(duì)位環(huán)節(jié)帶來(lái)很大的困難。然而吊具的連接線不能采用硬性的結(jié)構(gòu)，象采用硬性結(jié)構(gòu)，海風(fēng)對(duì)集裝箱的影響會(huì)波及整個(gè)岸橋，甚至是駕駛艙。如果能設(shè)計(jì)一種控制吊繩實(shí)現(xiàn)“軟”和“硬”的切換的裝置，那么上述的2個(gè)問題將得到解決。如此一來(lái)，在下吊具時(shí)，切換到硬性結(jié)構(gòu)，此時(shí)吊具上還沒有加上集裝箱的重量，受海風(fēng)干擾不大，其晃動(dòng)范圍和受力在可以接受的范圍，但是對(duì)位的準(zhǔn)確率大大提高。在捕獲到集裝箱后切換到軟性結(jié)構(gòu)，這樣便可減少海風(fēng)對(duì)整體岸橋的影響。

該文提出的這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括下端凸起結(jié)構(gòu)、上端凹槽結(jié)構(gòu)、鋼繩和電動(dòng)機(jī)。其中凸起的直徑比凹槽的直徑略小，提高容錯(cuò)率，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下端凸起上升，與上端凹槽契合，實(shí)現(xiàn)吊繩由“軟”轉(zhuǎn)“硬”，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，凸起下降，與上端凹槽分離，實(shí)現(xiàn)由“硬”轉(zhuǎn)“軟”。

2 各構(gòu)件尺寸關(guān)系

吊臂結(jié)構(gòu)主要包括4個(gè)部分：底部封閉蓋，滑塊，滑桿以及主體構(gòu)件，其主要參數(shù)定義見表1。

主體構(gòu)件與底部封閉蓋不設(shè)計(jì)為一體，目的在于方便滑桿和滑塊的安裝。由于滑塊上有6根金屬小桿，因此在主體構(gòu)件底部有6個(gè)對(duì)應(yīng)的細(xì)長(zhǎng)的縫隙。主體構(gòu)件與底部封閉蓋最終應(yīng)契合在一起，所以應(yīng)滿足關(guān)系R1=R3?；瑮U穿入滑塊中心小孔，使滑塊可以在滑桿中滑動(dòng)，所以應(yīng)滿足關(guān)系R2=r2。而滑桿由主體構(gòu)件頂部圓孔和底部封閉蓋中心圓孔固定，所以應(yīng)滿足關(guān)系r4=r1=R2。主體構(gòu)件底部的六個(gè)細(xì)縫用于限制滑塊上的六根金屬小桿，所以應(yīng)滿足關(guān)系r3<d。假設(shè)集裝凹槽半徑為R（凹槽頂部的“鑲邊”尺寸較小，可先忽略），則要求有R5>=R，R4<R并且R6比R小的多。在這些尺寸的約束下，吊臂才能順利安裝，并且與集裝箱良好地結(jié)合，提高容錯(cuò)率。

對(duì)于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，下端凸起和上端凹槽的長(zhǎng)度應(yīng)相等，并且為了提高容錯(cuò)率，上端凹槽的半徑應(yīng)比下端凸起的半徑稍大。

3 簡(jiǎn)要受力分析

此結(jié)構(gòu)將集裝箱吊起后，集裝箱的重力以及其他阻力都將由吊臂上的六根金屬小桿承受。圖7是金屬小桿與集裝箱頂部凹槽接觸點(diǎn)的剖面圖，從圖中可以清晰地看到吊起集裝箱后金屬小桿的位置狀態(tài)。6根金屬小桿頂住凹槽的內(nèi)壁，凹槽頂部的突出來(lái)的“鑲邊”限制了金屬小桿的滑出。金屬小桿將集裝箱的重力傳遞到了滑塊上，由于6根金屬小桿的對(duì)稱性，滑塊受到的橫向力相互抵消，只有受到豎直向下的力?；瑝K上的牽引繩將承受這一豎直向下的力，而牽引繩是由電動(dòng)機(jī)提供拉力的，因此電動(dòng)機(jī)的扭矩要夠大，另外牽引繩也要足夠牢固。

對(duì)于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，它的受力則比較簡(jiǎn)單，只受到了向下的拉力。但是集裝箱吊起后，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)需要變“軟”，這時(shí)如果有海風(fēng)造成集裝箱何吊臂的晃動(dòng)或者擺動(dòng)，那么轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將需要為其提供擺動(dòng)的向心力。因此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上的吊繩受力會(huì)比吊臂的牽引繩大一些，那么其電動(dòng)機(jī)的扭矩也要相應(yīng)大一些。

4 實(shí)際吊裝實(shí)驗(yàn)

該次實(shí)驗(yàn)將采用3D打印的吊臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，其中底部封閉蓋、滑塊以及主體構(gòu)件均采用3D打印得到，而滑桿則是由鋁合金光軸代替，金屬小桿則用大號(hào)的繡花針代替，頂部電動(dòng)機(jī)用一個(gè)小舵機(jī)代替，組裝完成后的效果如圖8（左）所示。集裝箱采用紙箱代替，在上方制作一個(gè)圓柱形凹槽，如圖8（右）所示。如此一來(lái)，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，即可改變滑塊在滑桿上的位置，控制金屬小桿的張開或收起，進(jìn)而使吊臂與箱體固定或者分離，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

該次實(shí)驗(yàn)采用STM32F103C8T6作為主控，輸出一路PWM控制舵機(jī)，周期為20 ms，占空比為1.36 ms和1.90 ms，其中占空比為1.36 ms時(shí)金屬小桿最大限度地收起，此時(shí)可以順利插入集裝箱，占空比為1.90 ms時(shí)，金屬小桿撐開到與集裝箱凹槽的直徑相同，此時(shí)可以順利地將集裝箱吊起。圖9為吊臂插入集裝箱凹槽后控制舵機(jī)撐開金屬小桿，將其吊起的效果圖。

5 結(jié)論

港口集裝箱吊運(yùn)的對(duì)位環(huán)節(jié)在集裝箱吊運(yùn)過程中非常容易受干擾，也是難度非常大的步驟，這也在很大程度上限制了集裝箱吊運(yùn)自動(dòng)化的發(fā)展。該文通過提出一種新型的岸橋吊臂結(jié)構(gòu)以及與之配套的集裝箱結(jié)構(gòu)，大大降低了對(duì)位環(huán)節(jié)的難度。并且通過實(shí)際的吊裝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性。該文提出的吊臂結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)結(jié)合能夠大大提高對(duì)位環(huán)節(jié)的容錯(cuò)率，同時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的存在可以減小吊臂硬性結(jié)構(gòu)帶來(lái)的受海風(fēng)影響大的問題。如果此結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用，將可以攻破港口作業(yè)全自動(dòng)化的“最后一公里”，促進(jìn)港口實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

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