轨道式梭车在天津港自动化集装箱码头的应用

赵德成+吴强+韩浩

1 轨道式梭车在天津港自动化集装箱码头的应用背景

集装箱码头在经济全球化进程中扮演着重要的角色，因此，新兴的自动化集装箱码头备受国际关注。近年来，自动化集装箱码头发展日渐成熟，港口经营者将其视为提升港口作业效率和经济效益的重要途径。

为满足大型集装箱船舶作业要求和巩固天津港作为集装箱干线港的地位，天津港在东疆保税港区规划4个自动化集装箱泊位，码头岸线总长，陆域纵深。为适应天津港自动化集装箱码头纵深距离较长的设计特点以及缩短自动化轨道式集装箱龙门起重机（以下简称自动化轨道吊）带箱运行距离，研究人员开发出新型自动化集装箱码头水平运输设备――轨道式梭车（见图1）。码头堆场内的集装箱水平运输由轨道式梭车完成，集装箱装卸作业由自动化轨道吊完成。为测试轨道式梭车的利用率及可靠性，天津港太平洋国际集装箱码头有限公司开展轨道式梭车试运行。

图1 轨道式梭车

2 轨道式梭车主要技术参数及功能

轨道式梭车作为自动化集装箱码头过驳和堆场间的运输设备，是一种典型的技术和运行模式创新，其运行效率和可靠性直接影响自动化集装箱码头的整体作业效率。自动化和智能化的驱、制、控一体化技术是保证轨道式梭车可靠且高效运行的关键。

轨道式梭车的主要技术参数：（1）高度为；（2）长度为；（3）宽度为；（4）自重为；（5）额定载荷为；（6）工作时的最大风速为/s；（7）加速度为0.33～/s2；（8）运行行程为（试验用）；（9）最快速度约为/min。

轨道式梭车具备对集装箱进行任务解析和状态反馈的功能：能够根据码头操作系统的指令，完成从堆场入口（海侧或陆侧）至出口（陆侧或海侧）指定路线的集装箱水平运输；能够自动识别集装箱的载荷和有效风载荷参数，并根据码头操作系统指令的运输位置，实时调整和设定其启动加速过程、恒速运行过程及制动减速过程，实现智能驱动、运行和制动，以达到高效和节能的目标；可以实现各车轮的同步运行，实时监控驱动车轮组的打滑状态，并自动调整正常运行状态下的相关驱动和制动力矩，有效防止车轮打滑。此外，轨道式梭车所有装置均具有海边盐雾环境下的防腐功能，设计防护等级不低于IP55，同时具有各单元驱动失电、运行参数（加速度、额定速度和减速度等）异常、内部与外部通信不畅、车轮打滑、车轮不同步等故障监控和联锁保护功能。

3 轨道式梭车在天津港自动化集装箱码头的应用

3.1 轨道式梭车的主要构造

轨道式梭车为箱型焊接结构（见图2），主体材料采用Q345B钢材或Q345C钢材。该结构能够满足运载1个20英尺集装箱、2个20英尺集装箱、1个40英尺集装箱或1个45英尺集装箱的要求。主梁采用工字梁，集装箱角配件悬于结构外侧，在运行方向布置止动块，在长度方向两侧布置固定挡块。运用有限元技术对轨道式梭车主结构进行各种工况下的应力、变形分析，并进行优化设计，使在满足材料刚度和强度要求的情况下车体质量最轻。

图2 轨道式梭车结构

轨道式梭车车轮为铁路专用整体辗钢车轮（见图3），采用单轮缘结构和模锻成型技术，其优点是磨损小、踏面有斜度并可自动对中。轨道式梭车采用八轮全驱系统，通过水平安装形式的三合一减速电机直接驱动；电机功率为，其通过扭力臂与车身连接，通过空心轴和锁紧盘与车轮连接；采用铁路标准轨距，具有布置紧凑、便于安装维护等优点。

图3 轨道式梭车车轮

轨道式梭车采用直流滑触线供电系统（见图4）。在传统电缆供电方式下，电缆必须通过拖链的保护才能避免因直接与设备或地面摩擦而造成的磨损，若拖链的转弯半径过小，容易造成电缆折断，从而导致设备的使用寿命缩短以及故障点的增加。滑触线供电方式是通过集电器与滑触线接触供电的，具有结构紧凑、安装方便等特点。集电器固定在轨道中间车架下方的空间内，并保证其2个电极与滑触线接触良好。滑触线供电方式的优点为：（1）电流输送连续、安全、稳定；（2）节能；（3）不受雨雪霜冻影响；（4）无线通信采用非接触式数据传输方式，可靠性高；（5）维护成本低；（6）造价低，投资少。

图4 直流滑触线供电系统

3.2 轨道式梭车的驱控技术

轨道式梭车采用安川驱动控制器，其驱控原理为：根据电机控制需要，选用智能驱控一体化控制器，将Intel X86 架构的中央处理器和芯片组作为系统处理器，将高性能数字信号处理器和现场可编程逻辑门阵列作为运动控制和驱动处理器，在实现驱动的同时完成对电机运行的控制；此外，还可以通过信号输入/输出端口，对其他外设硬件（如制动器）实施控制。

轨道式梭车采用易福门移动控制器。该控制器属于重载型，自带输入和输出端口各16个，其通道功能可自由配置，通过上位机转以太网模块方式进行通信。轨道式梭车驱动机构（见图5）采用技术成熟的三合一减速电机，运用速度同步方法控制其同步运行，以保证轨道式梭车高速运行时的平稳性和可靠性。轨道式梭车采用八轮驱动方式，分四角布置：每个角布置2个车轮组，用平衡梁连接，以使压力均匀分布；每个车轮各带1套驱动机构。8套驱动机构设计的好处在于：在其中2套驱动机构失效的情况下，可低速（200 m/min）驱动轨道式梭车进入维修点。

图5 轨道式梭车驱动机构

3.3 轨道式梭车的通信及导航定位

轨道式梭车通信网络采用工业级调频电台桥接的方式。调频电台的作用是向轨道式梭车发送指令，以达到对其控制的目的。在轨道式梭车上安装工业级调频电台，并在轨道上架设带有中心调频电台的立杆。由于调频电台的覆盖范围远大于轨道范围，因此，从科学选点角度出发，将立杆架设点选择在轨道中心，以保证整条轨道的无线信号强度相对均衡；但考虑到试运行梭车轨道较短，故将中心调频电台设置在轨道端部立杆上（见图6）。该立杆高度为6 m，直径约为20 cm，中心调频电台安装在左右的高度，箱内配置电源、收发器、光电模块等设备。

图6 无线通信立杆

轨道式梭车通过无线方式与中心调频电台通信，中心调频电台通过光纤通信链路与控制室连接，实现在控制室远程控制轨道式梭车和数据传输的功能。该装置支持远距离传输，具备点对点、点对多点网络组建方式，传输信号稳定，其带宽足以保证轨道式梭车接收指令的实时性和有效性。轨道式梭车无线通信系统拓扑结构如图7所示。

图7 轨道式梭车无线通信系统拓扑结构

轨道式梭车通过BTG天线实现精确定位。电机编码器反馈的脉冲信号可接入BTG天线进行冗余检测，也可并行接入驱动器实现速度闭环和位置信号的采集。BTG天线检测到的位置是轨道式梭车的实际位置，正常情况下电机编码器反馈的位置信号应与此一致。当轨道式梭车出现车轮打滑情况时，BTG天线检测到的位置值与电机编码器采集到的位置信号会出现偏差。此时，轨道式梭车自动调整加速度，使车身趋于平稳，待到下一个固定校验点时重新使两者同步。

4 结束语

轨道式梭车通过缩短自动化轨道吊的行走距离，改变自动化集装箱码头的平面布局，使堆场作业工艺系统更具灵活性，有利于提升码头海侧堆场集装箱吞吐能力，是自动化集装箱码头较为理想的水平转运设备。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-12-17）

1 轨道式梭车在天津港自动化集装箱码头的应用背景

集装箱码头在经济全球化进程中扮演着重要的角色，因此，新兴的自动化集装箱码头备受国际关注。近年来，自动化集装箱码头发展日渐成熟，港口经营者将其视为提升港口作业效率和经济效益的重要途径。

为满足大型集装箱船舶作业要求和巩固天津港作为集装箱干线港的地位，天津港在东疆保税港区规划4个自动化集装箱泊位，码头岸线总长，陆域纵深。为适应天津港自动化集装箱码头纵深距离较长的设计特点以及缩短自动化轨道式集装箱龙门起重机（以下简称自动化轨道吊）带箱运行距离，研究人员开发出新型自动化集装箱码头水平运输设备――轨道式梭车（见图1）。码头堆场内的集装箱水平运输由轨道式梭车完成，集装箱装卸作业由自动化轨道吊完成。为测试轨道式梭车的利用率及可靠性，天津港太平洋国际集装箱码头有限公司开展轨道式梭车试运行。

图1 轨道式梭车

2 轨道式梭车主要技术参数及功能

轨道式梭车作为自动化集装箱码头过驳和堆场间的运输设备，是一种典型的技术和运行模式创新，其运行效率和可靠性直接影响自动化集装箱码头的整体作业效率。自动化和智能化的驱、制、控一体化技术是保证轨道式梭车可靠且高效运行的关键。

轨道式梭车的主要技术参数：（1）高度为；（2）长度为；（3）宽度为；（4）自重为；（5）额定载荷为；（6）工作时的最大风速为/s；（7）加速度为0.33～/s2；（8）运行行程为（试验用）；（9）最快速度约为/min。

轨道式梭车具备对集装箱进行任务解析和状态反馈的功能：能够根据码头操作系统的指令，完成从堆场入口（海侧或陆侧）至出口（陆侧或海侧）指定路线的集装箱水平运输；能够自动识别集装箱的载荷和有效风载荷参数，并根据码头操作系统指令的运输位置，实时调整和设定其启动加速过程、恒速运行过程及制动减速过程，实现智能驱动、运行和制动，以达到高效和节能的目标；可以实现各车轮的同步运行，实时监控驱动车轮组的打滑状态，并自动调整正常运行状态下的相关驱动和制动力矩，有效防止车轮打滑。此外，轨道式梭车所有装置均具有海边盐雾环境下的防腐功能，设计防护等级不低于IP55，同时具有各单元驱动失电、运行参数（加速度、额定速度和减速度等）异常、内部与外部通信不畅、车轮打滑、车轮不同步等故障监控和联锁保护功能。

3 轨道式梭车在天津港自动化集装箱码头的应用

3.1 轨道式梭车的主要构造

轨道式梭车为箱型焊接结构（见图2），主体材料采用Q345B钢材或Q345C钢材。该结构能够满足运载1个20英尺集装箱、2个20英尺集装箱、1个40英尺集装箱或1个45英尺集装箱的要求。主梁采用工字梁，集装箱角配件悬于结构外侧，在运行方向布置止动块，在长度方向两侧布置固定挡块。运用有限元技术对轨道式梭车主结构进行各种工况下的应力、变形分析，并进行优化设计，使在满足材料刚度和强度要求的情况下车体质量最轻。

图2 轨道式梭车结构

轨道式梭车车轮为铁路专用整体辗钢车轮（见图3），采用单轮缘结构和模锻成型技术，其优点是磨损小、踏面有斜度并可自动对中。轨道式梭车采用八轮全驱系统，通过水平安装形式的三合一减速电机直接驱动；电机功率为，其通过扭力臂与车身连接，通过空心轴和锁紧盘与车轮连接；采用铁路标准轨距，具有布置紧凑、便于安装维护等优点。

图3 轨道式梭车车轮

轨道式梭车采用直流滑触线供电系统（见图4）。在传统电缆供电方式下，电缆必须通过拖链的保护才能避免因直接与设备或地面摩擦而造成的磨损，若拖链的转弯半径过小，容易造成电缆折断，从而导致设备的使用寿命缩短以及故障点的增加。滑触线供电方式是通过集电器与滑触线接触供电的，具有结构紧凑、安装方便等特点。集电器固定在轨道中间车架下方的空间内，并保证其2个电极与滑触线接触良好。滑触线供电方式的优点为：（1）电流输送连续、安全、稳定；（2）节能；（3）不受雨雪霜冻影响；（4）无线通信采用非接触式数据传输方式，可靠性高；（5）维护成本低；（6）造价低，投资少。

图4 直流滑触线供电系统

3.2 轨道式梭车的驱控技术

轨道式梭车采用安川驱动控制器，其驱控原理为：根据电机控制需要，选用智能驱控一体化控制器，将Intel X86 架构的中央处理器和芯片组作为系统处理器，将高性能数字信号处理器和现场可编程逻辑门阵列作为运动控制和驱动处理器，在实现驱动的同时完成对电机运行的控制；此外，还可以通过信号输入/输出端口，对其他外设硬件（如制动器）实施控制。

轨道式梭车采用易福门移动控制器。该控制器属于重载型，自带输入和输出端口各16个，其通道功能可自由配置，通过上位机转以太网模块方式进行通信。轨道式梭车驱动机构（见图5）采用技术成熟的三合一减速电机，运用速度同步方法控制其同步运行，以保证轨道式梭车高速运行时的平稳性和可靠性。轨道式梭车采用八轮驱动方式，分四角布置：每个角布置2个车轮组，用平衡梁连接，以使压力均匀分布；每个车轮各带1套驱动机构。8套驱动机构设计的好处在于：在其中2套驱动机构失效的情况下，可低速（200 m/min）驱动轨道式梭车进入维修点。

图5 轨道式梭车驱动机构

3.3 轨道式梭车的通信及导航定位

轨道式梭车通信网络采用工业级调频电台桥接的方式。调频电台的作用是向轨道式梭车发送指令，以达到对其控制的目的。在轨道式梭车上安装工业级调频电台，并在轨道上架设带有中心调频电台的立杆。由于调频电台的覆盖范围远大于轨道范围，因此，从科学选点角度出发，将立杆架设点选择在轨道中心，以保证整条轨道的无线信号强度相对均衡；但考虑到试运行梭车轨道较短，故将中心调频电台设置在轨道端部立杆上（见图6）。该立杆高度为6 m，直径约为20 cm，中心调频电台安装在左右的高度，箱内配置电源、收发器、光电模块等设备。

图6 无线通信立杆

轨道式梭车通过无线方式与中心调频电台通信，中心调频电台通过光纤通信链路与控制室连接，实现在控制室远程控制轨道式梭车和数据传输的功能。该装置支持远距离传输，具备点对点、点对多点网络组建方式，传输信号稳定，其带宽足以保证轨道式梭车接收指令的实时性和有效性。轨道式梭车无线通信系统拓扑结构如图7所示。

图7 轨道式梭车无线通信系统拓扑结构

轨道式梭车通过BTG天线实现精确定位。电机编码器反馈的脉冲信号可接入BTG天线进行冗余检测，也可并行接入驱动器实现速度闭环和位置信号的采集。BTG天线检测到的位置是轨道式梭车的实际位置，正常情况下电机编码器反馈的位置信号应与此一致。当轨道式梭车出现车轮打滑情况时，BTG天线检测到的位置值与电机编码器采集到的位置信号会出现偏差。此时，轨道式梭车自动调整加速度，使车身趋于平稳，待到下一个固定校验点时重新使两者同步。

4 结束语

轨道式梭车通过缩短自动化轨道吊的行走距离，改变自动化集装箱码头的平面布局，使堆场作业工艺系统更具灵活性，有利于提升码头海侧堆场集装箱吞吐能力，是自动化集装箱码头较为理想的水平转运设备。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-12-17）

1 轨道式梭车在天津港自动化集装箱码头的应用背景

集装箱码头在经济全球化进程中扮演着重要的角色，因此，新兴的自动化集装箱码头备受国际关注。近年来，自动化集装箱码头发展日渐成熟，港口经营者将其视为提升港口作业效率和经济效益的重要途径。

为满足大型集装箱船舶作业要求和巩固天津港作为集装箱干线港的地位，天津港在东疆保税港区规划4个自动化集装箱泊位，码头岸线总长，陆域纵深。为适应天津港自动化集装箱码头纵深距离较长的设计特点以及缩短自动化轨道式集装箱龙门起重机（以下简称自动化轨道吊）带箱运行距离，研究人员开发出新型自动化集装箱码头水平运输设备――轨道式梭车（见图1）。码头堆场内的集装箱水平运输由轨道式梭车完成，集装箱装卸作业由自动化轨道吊完成。为测试轨道式梭车的利用率及可靠性，天津港太平洋国际集装箱码头有限公司开展轨道式梭车试运行。

图1 轨道式梭车

2 轨道式梭车主要技术参数及功能

轨道式梭车作为自动化集装箱码头过驳和堆场间的运输设备，是一种典型的技术和运行模式创新，其运行效率和可靠性直接影响自动化集装箱码头的整体作业效率。自动化和智能化的驱、制、控一体化技术是保证轨道式梭车可靠且高效运行的关键。

轨道式梭车的主要技术参数：（1）高度为；（2）长度为；（3）宽度为；（4）自重为；（5）额定载荷为；（6）工作时的最大风速为/s；（7）加速度为0.33～/s2；（8）运行行程为（试验用）；（9）最快速度约为/min。

轨道式梭车具备对集装箱进行任务解析和状态反馈的功能：能够根据码头操作系统的指令，完成从堆场入口（海侧或陆侧）至出口（陆侧或海侧）指定路线的集装箱水平运输；能够自动识别集装箱的载荷和有效风载荷参数，并根据码头操作系统指令的运输位置，实时调整和设定其启动加速过程、恒速运行过程及制动减速过程，实现智能驱动、运行和制动，以达到高效和节能的目标；可以实现各车轮的同步运行，实时监控驱动车轮组的打滑状态，并自动调整正常运行状态下的相关驱动和制动力矩，有效防止车轮打滑。此外，轨道式梭车所有装置均具有海边盐雾环境下的防腐功能，设计防护等级不低于IP55，同时具有各单元驱动失电、运行参数（加速度、额定速度和减速度等）异常、内部与外部通信不畅、车轮打滑、车轮不同步等故障监控和联锁保护功能。

3 轨道式梭车在天津港自动化集装箱码头的应用

3.1 轨道式梭车的主要构造

轨道式梭车为箱型焊接结构（见图2），主体材料采用Q345B钢材或Q345C钢材。该结构能够满足运载1个20英尺集装箱、2个20英尺集装箱、1个40英尺集装箱或1个45英尺集装箱的要求。主梁采用工字梁，集装箱角配件悬于结构外侧，在运行方向布置止动块，在长度方向两侧布置固定挡块。运用有限元技术对轨道式梭车主结构进行各种工况下的应力、变形分析，并进行优化设计，使在满足材料刚度和强度要求的情况下车体质量最轻。

图2 轨道式梭车结构

轨道式梭车车轮为铁路专用整体辗钢车轮（见图3），采用单轮缘结构和模锻成型技术，其优点是磨损小、踏面有斜度并可自动对中。轨道式梭车采用八轮全驱系统，通过水平安装形式的三合一减速电机直接驱动；电机功率为，其通过扭力臂与车身连接，通过空心轴和锁紧盘与车轮连接；采用铁路标准轨距，具有布置紧凑、便于安装维护等优点。

图3 轨道式梭车车轮

轨道式梭车采用直流滑触线供电系统（见图4）。在传统电缆供电方式下，电缆必须通过拖链的保护才能避免因直接与设备或地面摩擦而造成的磨损，若拖链的转弯半径过小，容易造成电缆折断，从而导致设备的使用寿命缩短以及故障点的增加。滑触线供电方式是通过集电器与滑触线接触供电的，具有结构紧凑、安装方便等特点。集电器固定在轨道中间车架下方的空间内，并保证其2个电极与滑触线接触良好。滑触线供电方式的优点为：（1）电流输送连续、安全、稳定；（2）节能；（3）不受雨雪霜冻影响；（4）无线通信采用非接触式数据传输方式，可靠性高；（5）维护成本低；（6）造价低，投资少。

图4 直流滑触线供电系统

3.2 轨道式梭车的驱控技术

轨道式梭车采用安川驱动控制器，其驱控原理为：根据电机控制需要，选用智能驱控一体化控制器，将Intel X86 架构的中央处理器和芯片组作为系统处理器，将高性能数字信号处理器和现场可编程逻辑门阵列作为运动控制和驱动处理器，在实现驱动的同时完成对电机运行的控制；此外，还可以通过信号输入/输出端口，对其他外设硬件（如制动器）实施控制。

轨道式梭车采用易福门移动控制器。该控制器属于重载型，自带输入和输出端口各16个，其通道功能可自由配置，通过上位机转以太网模块方式进行通信。轨道式梭车驱动机构（见图5）采用技术成熟的三合一减速电机，运用速度同步方法控制其同步运行，以保证轨道式梭车高速运行时的平稳性和可靠性。轨道式梭车采用八轮驱动方式，分四角布置：每个角布置2个车轮组，用平衡梁连接，以使压力均匀分布；每个车轮各带1套驱动机构。8套驱动机构设计的好处在于：在其中2套驱动机构失效的情况下，可低速（200 m/min）驱动轨道式梭车进入维修点。

图5 轨道式梭车驱动机构

3.3 轨道式梭车的通信及导航定位

轨道式梭车通信网络采用工业级调频电台桥接的方式。调频电台的作用是向轨道式梭车发送指令，以达到对其控制的目的。在轨道式梭车上安装工业级调频电台，并在轨道上架设带有中心调频电台的立杆。由于调频电台的覆盖范围远大于轨道范围，因此，从科学选点角度出发，将立杆架设点选择在轨道中心，以保证整条轨道的无线信号强度相对均衡；但考虑到试运行梭车轨道较短，故将中心调频电台设置在轨道端部立杆上（见图6）。该立杆高度为6 m，直径约为20 cm，中心调频电台安装在左右的高度，箱内配置电源、收发器、光电模块等设备。

图6 无线通信立杆

轨道式梭车通过无线方式与中心调频电台通信，中心调频电台通过光纤通信链路与控制室连接，实现在控制室远程控制轨道式梭车和数据传输的功能。该装置支持远距离传输，具备点对点、点对多点网络组建方式，传输信号稳定，其带宽足以保证轨道式梭车接收指令的实时性和有效性。轨道式梭车无线通信系统拓扑结构如图7所示。

图7 轨道式梭车无线通信系统拓扑结构

轨道式梭车通过BTG天线实现精确定位。电机编码器反馈的脉冲信号可接入BTG天线进行冗余检测，也可并行接入驱动器实现速度闭环和位置信号的采集。BTG天线检测到的位置是轨道式梭车的实际位置，正常情况下电机编码器反馈的位置信号应与此一致。当轨道式梭车出现车轮打滑情况时，BTG天线检测到的位置值与电机编码器采集到的位置信号会出现偏差。此时，轨道式梭车自动调整加速度，使车身趋于平稳，待到下一个固定校验点时重新使两者同步。

4 结束语

轨道式梭车通过缩短自动化轨道吊的行走距离，改变自动化集装箱码头的平面布局，使堆场作业工艺系统更具灵活性，有利于提升码头海侧堆场集装箱吞吐能力，是自动化集装箱码头较为理想的水平转运设备。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-12-17）