自动化码头轮胎吊电缆卷筒换电技术

袁 静 吴纪林 杜 元

上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司

1 引言

轮胎式集装箱龙门起重机(以下简称轮胎吊)是国内集装箱码头堆场的主要配备机型,以机上柴油机组发电驱动的方式进行堆场作业。为适应环保要求，各集装箱码头开始尝试把以柴油为主要动力的轮胎吊改造为以市电为主要动力的电动式轮胎吊，其改造的方案主要有：电缆卷盘供电、低架滑触线供电、中架滑触线供电、高架滑触线供电等[1]。因各码头实际的轮胎吊数量、码头布局、货物吞吐量、安全性等方面的不同，制定出的改造方案也不同。一些码头改造为油电混合动力式轮胎吊进行堆场作业，其中包括300 kW柴油发动机组+DC-AC整流器组成的混合动力轮胎吊、120 kW柴油发动机组+锂电池组组成的混合动力轮胎吊等[2]，但无法实现自主转场。转场时需要轮胎吊司机先到操作室平台侧手动拉下滑触线集电杆并放到对应位置，再通过楼梯到轮胎吊发动机平台启动柴油发动机，才能完成转场。转场完成后，需要人工再次切换模式。

随着港口设备自动化发展需要，轮胎吊自动化改造已成为迫切需要解决的问题。自动化码头通常采用新型锂电池技术和市电技术对轮胎吊进行纯电供能，在此方案下，需要电缆卷筒自动换电装置进行锂电池和市电的无缝切换，从而实现自动化转场作业。通过对电缆卷筒自动取电装置的结构、功能进行研究分析，提出可行优化方案。

2 轮胎吊电缆卷盘光电自动换电装置

2.1 装置结构

轮胎吊电缆卷盘光电自动换电装置主要由以下部分构成。

(1)激光纠偏总成。包括激光发射器、激光反射板等装置，功能在于轮胎吊到取电位置后进行大车方向位置纠偏，减少大车位置不准对自动换电装置对位精准度的影响，增加成功率，减少人工干预次数。

(2)本地电控箱。由于机械装置在长时间的使用下，限位、机械会有一定程度的误感应、磨损等情况发生，造成自动操作失败。为保证发生故障时能应急解决或进行故障复位，设置本地电控箱让工作人员人工介入替代自动程序，从而短时间内完成人工换电操作。

(3)防护结构总成。在自动取电过程中，需运用通讯光纤，为避免光纤头遭受外界环境污染和意外碰撞，增设防护放置,去除错误操作带来的风险。

(4)机械手总成。在自动换电过程中，机械手的内侧端部铰接在轮胎吊上，取代人工插电、拔电的流程，同时实现开闭防护罩的功能，避免人与10 kV高压电接触的风险[3]。

(5)三轴驱动总成。三轴驱动总成为电缆卷筒自动换电装置提供了X轴、Y轴和Z轴3个方向的机动性，确保取电装置精准对位。

(6)插座总成。插座总成设置在轮胎吊上,集成光纤头、限位、弹簧等设备，实现全自动取电。

(7)电缆网罩固定装置。轮胎吊转场过程中会有无市电而依靠锂电池供电的情况，需采用电缆网罩固定装置对电缆进行固定，避免拖地行车或碾压电缆等情况。

(8)插座箱总成。插座箱固定在地面。第一箱体内的顶部安装有第一提升装置，底部设置有提升板，提升装置设置有光纤插座和抱指式插座。第二箱体内的上部安装有光纤插头，插头下方设置有触头，箱体底部设置有第二提升装置。插座箱连通市电和光纤等，为轮胎吊锂电池进行供电和远程通讯。

除上述总成外还有钢丝绳等辅助设备。

2.2 光纤通信

将光电自动对接集中安装在抱指式插头插座箱内，改变了原来轮胎吊取电与通信需要两套装置的设计，能够实现电连接和光纤自动对接同步进行，从而满足光纤头的防护要求，提高使用寿命。光纤通信的使用，提高了传输效率，降低了延迟，节约了时间。在光纤对接上使用了导向块与底座压簧，使得连接过程具有自导向性及防护性，光纤对接均在插座箱内进行，达到防尘、防水要求，避免了因光纤裸露对接产生光纤头污染而影响通讯能力。光纤通信的自动对接技术，解决了目前远程通讯的自动化对接难题，提高了作业效率，对接精度及防护性能满足了光纤频繁对接的需求，实现了轮胎吊远程自动化操作。

3 轮胎吊自动换电流程

3.1 轮胎吊进出场流程

为增加场地、设备利用率，自动化码头轮胎吊作业采用可转场轮胎吊方案。根据具体的堆场作业要求，可将轮胎吊转场作业分为进场流程和出场流程。

3.1.1 出场流程

轮胎吊司机在锂电池与市电双供电的情况下，进行大车行走操作，将轮胎吊移动至插座箱附近。司机利用地面油漆作为参照线，在激光限位反馈到位并且司机操作台指示灯亮时，对大车换电装置进行对位。对位结束后打断市电转换开关进入自动断电流程，自动从插座箱取出电缆插头并断市电。约3 min断电完成指示灯亮后移动至待作业箱区口准备进场流程。此时仅靠锂电池作业，转场时需满足锂电池80%以上的要求，否则先进行市电充电。

3.1.2 进场流程

进场对位过程与出场相同。对位结束后司机断控制电打取市电转换开关进入自动取电流程，过程中装置运行指示灯闪烁并自动将电缆插头插进插座箱取得市电，约3 min取电完成指示灯亮和市电供电指示灯亮后，移动大车进场地开始作业。

3.2 自动换电流程

(1)在电控箱的控制下，轮胎吊行到换电位置开始自动换电，机械总成上的白色防护罩打开，露出插头箱(见图1)。

图1 插头箱

(2)通过三轴驱动总成将插头箱初步对准地面插座箱(见图2)。

图2 插座箱

(3)通过三轴驱动总成将插头箱垂直插入插座箱，插头箱下方的金属球机械限位碰到插座箱下面的银色表面并感应，此时插头已插入插座箱。

(4)到位后控制齿轮使机械手里的夹钳夹紧，闭锁限位感应并固定插头箱。

(5)三轴驱动总成缩回原位抬高45°并换电完成，轮胎吊可以开始作业。

4 结语

自动化码头轮胎吊电缆卷筒换电装置符合绿色、环保及自动化的特点，具有减少人工操作、消除环境污染、高效灵活转场作业的优点。