轨道式集装箱门式起重机在港口的应用
发布日期：2007-11-7 15:15:06 摘要：
轨道式集装箱龙门起重机（以下简称轨道吊）在我国集装箱港口的装卸作业中，通常采用岸边集装箱起重机加轮胎式集装箱龙门起重机（以下简称轮胎吊）的装卸方案，以轮胎吊作为后方堆场的主要装卸机械。在国内，轨道吊仅在一些货场有所应用，这些轨道吊在工作级别、电控系统、管理系统等方面远远落后于现有的港口机械水平，不能满足现代港口集装箱装卸的需要。本文就轨道吊在我国港口中的应用进行讨论。
1、国内外概况及发展趋势
目前，国外制造大型轨道吊的厂商主要有美国的Paceco、德国的Noell、英国的Morris、芬兰的Val-met、韩国的三星和现代，以及日本的三菱、三井、住友等。随着国际集装箱运输事业的飞速发展，对轨道吊的要求越来越高，使得各大厂商在新研制的起重机堆码高度、跨度以及速度等主要参数上都有了较大的进展。目前世界上比较先进的机型其堆高已达7一8层、吊具下的起重量已达45t、满载起升速度达30m/min、小车速度超过50m/min、大车运行速度超过120m/min。
长期以来，轨道吊仅小车运行机构采用交流驱动，近年来，起升机构和大车运行也相继采用了交流驱动技术，这样减少了维护和修理费，降低了营运成本。最近日本三井公司成功地采用了交流变频调速装置，解决了起升机构位势负载和车轮支承压力变化导致车轮转速变化的关键技术，达到了集装箱堆场作业的使用要求。德国派纳公司将其在自动控制）领域所拥有的丰富经验成功地应用在大型轨道吊上,满足了现代化集装箱堆场对自动化控制的需要。如欧洲联合码头公司应用光缆传输技术，可靠地将轨道吊与港站管理计算机联网，实现了无人装卸作业和堆物全盘自动化。
据统计，欧洲作为传统上的轮胎吊的大订户，1995年订购的轨道吊多达58台，从一个侧面反映出轨道吊的市场潜力和应用前景。另一方面，从世界上一些著名的港口的发展趋势看，轨道吊将向大型化、高效化、自动化方向发展。
我国从90年代开始着手研制轨道吊，主要用于铁路系统的集装箱堆场。由于受各方面条件的限制，与国外同类产品相比，国产轨道吊还存在不少差距，如技术性能、质量水平、作业效率等相对较低，尤其是海港堆场使用的现代化轨道吊，国内尚属空白，国内市场均被进口产品所占领。随着铁路、高速公路集装箱运输业务的高速发展，我国必将形成以港口、内陆转运站为主的集装箱集疏运系统。就目前集装箱运输的实际情况来说，庞大的铁路运输远远滞后于海运和公路运输。其中的关键因素主要是集装箱堆场装卸机械落伍和严重匾乏，构成了铁路集装箱运输的瓶颈。随着集装箱运输业务的进一步发展、港口吞吐量的增加、新建码头的陆续投入使用和旧码头的技术改造、对大型、高效、性能先进的集兰州相堆场起重设备的需求量将逐年增加。
目前我国已能批量生产具有国际90年代先进水平的岸边集装箱起重机和轮胎吊，而轨道吊的研究与开发能力相对落后，尤其是中转枢纽港堆场使用的轨道吊，国内目前还是空白。因此，开发大型、高效、性能先进的轨道吊变得尤为迫切。
2、轨道吊与轮胎吊的比较
2.1 外形尺寸
受轮胎的承载力、整机跑偏等问题的限制，在目前条件下，轮胎吊的外型尺寸已不太可能再有大的突破，通常跨距不超过23．47 m（6列集装箱加1条车道），堆高不超过18.2 m（堆5过6）。而轨道吊的跨距可达40 m（12列集装箱）以上，只要堆场承载能力足够，堆高可超过7一8层，且轨道吊还可有外伸。因此轨道吊的场地利用率要高于轮胎吊。
2.2 成本分析
目前，在轨距、速度等技术参数相同时，2种设备的采购价格相差不大，轨道吊略低。对于码头的要求，轨道吊可采用较多车轮，与目前通常为8个车轮的轮胎吊相比，轮压低些，但轨道吊需建配套变电站，铺设电缆、轨道等，堆场建设投资较高。
在运行中，轨道吊通过电网直接用电，而轮胎吊则必须用自带柴油机发电，在完成同样动作、消耗同样能量的情况下，直接从电网用电比自行发电成本低。另外，轮胎吊处于等待状态时，柴油机还需损耗部分额外的油料，而轨道吊在起升机构下降时还有部分能量反馈到电网。因此，轨道吊的能耗显然要低得多，在运行成本上有较大优势。
轮胎吊采用柴油机，即便是进口的柴油机组也有较高的故障率，还需要定期进行维护和大修、小修等，而轨道吊采用的是电缆卷筒供电，进口电缆卷筒厂家通常可以保证其3 -5年无故障运行。轨道吊采用钢制车轮，寿命基本上可以保证和整机相同，而轮胎吊的轮胎需定期更换。
2.3 工作效率
由于轨道和集装箱位置相对固定，轨道吊节省了对箱时间，效率稍高；轮胎吊的大车经常跑偏，车道和集装箱位置无法固定，需要有经验的司机经常进行吊具回转和大车纠偏动作，影响工作效率。目前尚未出现很有效的自动纠偏系统。
2.4 自动控制和码头管理系统
因为在轨道上运行，轨道吊较容易实现整机状态的监测定位，可实现多种自动、半自动控制，提高效率。在电控系统进一步发展的情况下，未来轨道吊有可能发展为不需要驾驶员的无人堆场系统；而轮胎吊的整机状态定位困难，难以实现自动控制；轨道吊可采用光纤与码头中控室通讯，带宽大，抗干扰能力好，目前技术也比较成熟，轮胎吊只能采用无线通讯，带宽窄，抗干扰能力差，目前多数只能单向接收一些箱位等简单信息，还难以完成像岸边集装箱起重机那样的RCMS系统。另外，无线通讯还存在一定的传输死角。
单台轨道吊对应的集装箱密度较大，堆高也较高，需要较高的管理水平，以避免频繁翻箱。
2.5 安全性和环境保护
轨道吊在轨道上运行，不会跑偏碰箱，而轮胎吊使用柴油机发电，产生较大污染和噪声。
虽然以上问题目前对港口的影响还不明显，但从长远来看，这些问题不得不认真考虑。
2.6 转场灵活性
轨道吊转场困难，虽然目前大多数轨道吊技术都比较成熟，但工作中仍不能排除发生故障的可能性，因此在一条轨道上至少要配置2台轨道吊。另外，尽管可以在堆场布置上做出安排，但不能完全排除因同一条轨道上发生突发事件而需要多台轨道吊同时工作的情况。根据国外的经验，一般在同一轨道上都要配置多台轨道吊。轮胎吊因为可以频繁转场，就没有这方面的问题。因此，对于某些轨道较短而跨数较多的堆场，轨道吊并不适合。
为了增强转场灵活性，轨道吊也可有几种转场方案，这也是轨道吊研究的一个方向。另外，国外也有在大跨距的轨道吊跨距内再配置一小跨距轨道吊的方案。
3、轨道吊的主要技术难点
3.1 大车高速运行状态下的结构变形问题
轨道吊的跨距较大，金属结构的变形也相应较大，如整机刚性过大，则容易出现啃轨现象，刚性过小则易导致整机晃动，因此刚度设计需取得比较好的平衡。
门架受力时轨距有增大的趋势，当整机处在静止状态时，因为静摩擦力的影响尚可保持轨距，但大车运行时的侧向动摩擦力不足以保持轨距不变，在大车高速运行时容易产生啃轨现象。这就需要精确地计算出各种情况下可能的变形，并通过一定的工艺措施将变形控制在允许范围内。车轮也需经过特殊的设计，以应对可能的啃轨现象。
3.2 大车高速运行状态下的输配电问题
轨道吊的大车运行速度通常较高，高速运行对整机的输配电系统提出了较高要求。轨道吊采用电缆卷筒供电，高速运行时大车与电缆卷筒须有较好的同步性。传统的磁滞式电缆卷筒不能满足这一要求，因此需采用由专门PLC控制的电缆卷筒。目前国内的电缆卷筒水平还达不到这样的要求，需从国外进口。进口电缆卷筒的成本并不高。
3.3 大车高速运行状态下的电气控制问题
因为采用了高速行走的大车，2条轨道上的大车电机运行必须高度同步，否则很容易发生大车跑偏以至啃轨的现象。可在电气控制系统中采用2个变频器分别控制两侧车轮，保证整机两侧同步运行，同时对角线布置编码器，检测大车跑偏。
3.4 与码头中控室的通讯及RCMS系统
场桥的CMS系统（起重机管理系统）在轮胎吊上的应用已经比较成熟，但类似集装箱桥吊的远程管理系统还不多见，这是因为轮胎吊与码头中控室的通讯问题一直没有办法解决。轨道吊可采用上机高压电缆中的光纤来进行通讯，因此需开发适用于轨道吊的远程起重机控制系统。
4、40.5t-32 m轨道吊简介
该机是上海港机重工有限公司按国际标准，采用先进的技术工艺，为港口专业集装箱堆场研制的，能起吊20 ft ,40 ft ,45 ft国标标准集装箱，自重轻、装卸效率高、安全可靠。其主要技术性能参数如下：
轨距/m 32 起升高度/m 18．2 吊具下的额定起重量/t 40.5 提升速度满载40.5 t时/m \" min’30
空吊具时／m·min’60
小车运行速度／m·min一’90 大车运行速度/m·min一’120
轮压八＜20 整机重量/t‘＜190 供电电源三相1%kV 50 Hz 电控系统全变频交流调速驱动系统
对于相同参数的轨道吊，若整机进口每台约需／150万美元，而自行研制则只需70万一80万美元可为国家节约大量的外汇，凭借我国机械产品的格优势，还可打人国际市场。
该机有如下特点：
（1）32 m轨距，可放置8列集装箱和2条车道。
（2）跨距较大，经分析和计算机模拟工作状态，现采用的两边刚性腿的金属结构形式有比较好的平衡性。
（3）采用自行式小车驱动形式，即小车的驱动电动机、减速箱、制动器等均安装于小车架上，通过万向节传动来驱动前后4个车轮。采用这种驱动形式可以减少维护更换钢丝绳的工作量。
（4）小车轨道采用进口的A65矮轨，它踏面宽、高度低、侧向刚性好，能更好地承受由于小车偏斜啃轨产生的侧向力。
（5）大车运行速度较高，采用电动机、减速箱、制动器三合一驱动机构，尽量减少传动环节，从而减少高速运行中的磨损和噪声。车轮是特殊设计的，增大了踏面宽度和轮缘强度，以应对可能出现的啃轨问题。
（6）配备了机械防摇系统等装置，以取代原来场桥上通用的液压式减摇系统，减小了成本和维护工作量。
（7）采用由专门PLC控制的电缆卷筒，保证卷筒与大车运行速度的同步性。还通过过电缆坑时减速的方式来减缓对龟缆的冲击。
（8）采用AB百电气公司的全变频交流调速驱动系统，确保可靠运行。
5、结语
烟台港6台40.5 t一32 m轨道吊从2001年11月投人使用至今，整机运行平稳，故障少，体现了研制过翻户各关键技术研究工作的效果，引起了国内业界的广泛注意，厦门、宁波等港先后签约订购。我国新的集装箱码头建设中，也越来越多地采用以轨道扁作为后方堆场的主要装卸机械的方案。
