硬开顶箱高效卸货装备设计

周红军

（湖北力帝机床股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

据预测，2021年国际市场干散货需求达53亿吨，其中铁矿石约15亿吨、小宗干散货约20亿吨[1]，发达国家散货集装箱化率已经到达70%～80%，而中国内贸集装箱化率仅有20%左右[2]，散货集装箱化运输有着非常大的发展空间。各类散货运输中矿石具有数量庞大、价值较高、物流环节多、环境污染大、货损大等显著特点，如能采用高效便捷的集装箱化运输，将能产生较好的社会效益和经济效益。矿业发达的澳大利亚从环境保护角度已经开始着手立法逐步推行矿石集装箱化运输。从装卸效率、箱体强度、箱体寿命等技术层面分析，硬开顶箱单箱额定载荷可达30t，是当前最适宜矿石集装箱化运输的载具，见图1；顶装顶卸是最高效的装卸箱方式。

图1 硬开顶集装箱

1 现有硬开顶箱装货卸货设备

现有适用于矿石的装货装备大体可归纳为皮带输送、装载机铲送、抓斗或漏斗抓送三大类[3]，都能非常便利的完成硬开顶箱装箱作业；国内现有的卸货装备都是以ISO标箱为对象，采取端向倾斜卸货的方式[4-5]，加上取箱过程总体效率很低，且不能用于硬开顶箱卸料。现阶段硬开顶箱基本采用人工或借助叉车、抓斗等机具辅助的方式卸货，效率低下，尚无可靠的装备能实现高效卸货作业。对硬开顶箱卸货技术进行探讨，旨在提高卸货效率，解决硬开顶箱物流工艺最后“一公里”环节；针对卸货作业的不同工况需求设计了自动翻转机和自动翻转吊具两种装备。

2 自动翻转机设计

2.1 总体方案

自动翻转机为固定式装备，通常与集装箱起重机、皮带输送系统等配合使用，主要由皮带输送系统、料斗、翻转机主体、开盖小车、PLC控制系统等五大部分组成，见图2。工作时，由起重机吊载集装箱放置在翻转架上，翻转机自动完成称重、开盖、360°旋转等动作，实现侧翻卸货，经过料斗由皮带机输送进行堆垛作业。

图2 自动翻转机

2.2 主要部件设计

翻转架是承载硬开顶箱的主要受力构件，采用箱形梁框架结构，通过两端的轴承座固定在支撑平台上；设置有导向框架，既能用于集装箱落位导向，又能在侧向翻转时起到支撑作用，能有效减小顶侧梁的挠曲变形。此外，在翻转机底平面四角布置了四组锁固机构，中间部位布置了四组柔性激振装置。

柔性激振装置可施加高频振动，使粘附在箱壁上的物料剥离，适用于含水矿物如铜精矿、镍精矿等卸货作业；

旋转驱动机构由回转支承、小齿轮、减速电机等组成；回转支承与翻转架连接，减速电机固定在轴承座上；

电机功率P=Mmax×n/9550，其中转矩Mmax与货物密度、装货高度、旋转中心高等因素相关。取最不利工况，如含水量大的铜精矿ρ=2.5×103Kg/m3时，经运输震实后翻转90°时不能自重流淌；初选箱高为2m旋转中心取距底面0.9m；通过分步距递增计算可知，箱、货的合成重心及合成力矩呈曲线变化状态，见图3。

图3 合成重心及力矩曲线

当装货高度0.75m时，最大转矩Mmax≈71KN·m，n=1.5r/min时，计算可得P=11.15KW；最终选择2台7.5KW4级电机，采用闭环变频调速；立式行星+直交轴组合减速器，总传动比i=960；配备弹簧上闸常闭制动器，额定制动力矩75N·m，制动器安全系数大于2，能保持翻转机在满载时任意角度悬停。

锁固机构见图4。顶杆下端和驱动连杆中部均设有发讯开关。通过电动推杆伸缩推动拐臂旋转，继而带动旋锁转动，实现锁头与集装箱角件的锁固与解锁。用于箱顶盖固定的锁固机构结构相同。

图4 锁固机构

开盖小车类似于室内行车结构，可带载做水平移位和上下升降运动，用于箱顶盖的开盖和合盖操作；主要小车架、小车运行机构、提升梁、提升机构、锁固机构、供电拖链等部件，相关机构上设有发讯开关。其工作原理是提升梁下降，旋锁机构锁定箱盖后提升，再由小车运行机构驱动平移至开盖工位，实现开盖操作；合盖反之操作。

2.3 自动控制流程

翻转机采用通过PLC系统采用自动控制方式，既可远程控制又可由起重机司机本地操作；各工作机构的位置和状态信息均设有发讯开关，并实现电气联锁，确保设备安全运行。硬开顶箱在翻转架上落位后，触发着箱信号，PLC控制锁固机构锁定箱角件，并控制开盖小车完成开盖动作并移开；称重系统、箱号识别系统完成称重计量和统计；旋转机构驱动翻转架带着集装箱绕轴线转动，实现侧向倾转卸料；翻转架旋转360°后复位，再次称重后开盖小车合盖，再由起重机将空箱取走，完成一个卸货工作循环。

3 自动翻转吊具改进设计

翻转吊具是用于实现硬开顶箱空中侧翻卸货的机具。该装备早期由澳大利亚与国内企业合作制造并申请专利[6]，见图5，国内亦有类似产品。这类吊具采取插入集装箱从两端顶吊的固定方式，被抓取集装箱四周都必须留出至少800mm的空间，增加了吊箱操作环节，极大限制了翻转吊具的使用范围，存在很大缺陷在此基础上对翻转吊具的结构进行了改进。

图5 国外翻转吊具

3.1 总体方案

新型翻转吊具设计的重点在于解决硬开顶箱密集堆码时的取箱问题，以适应任意堆放模式。总体设计参照现有吊具结构，增加了提升机构，使取箱的锁固机构伸出吊具下平面，实现便利的对位取箱。工作机构中设置着箱、开/闭锁、升降、旋转、开/闭盖等多重发讯开关，与起重机的起升或移位等机构进行联锁保护，防止误动作发生洒料或意外事故。采用全液压驱动，传动系统内置在吊架箱梁内，为全封闭结构，能有效防止漏油污染事故。主要由吊架、旋转架、锁固机构、提升机构、开盖机构、旋转机构、液压系统、电控系统、称重系统等部件组成，见图6。

3.2 改进设计

（1）提升机构主要包括提升架和提升油缸，参见图6A放大。提升架布置在旋转架内侧，可沿布置在旋转架内的导向柱上下移动，通过四件提升油缸驱动；提升油缸为多级液压缸，提升速度可达3.5m/min，最大提升行程可达2m，设有可调限位开关，可适用于箱高2.2m以下不同箱型作业需要。此外，在提升架四角设有旋锁机构，用于与硬开顶箱顶角件连接。

图6 翻转吊具

（2）旋转机构由回转支承、回转减速马达、小齿轮等组成，旋转速度n=1.5r/min，驱动功率计算方法与翻转机相同；经核算配置4套WKH2.5-2000减速马达，结构紧凑、传动平稳可靠。主要部件设计与现有产品类似或前述翻转机类似，不再赘述。

3.3 自动控制流程

吊具通过滑轮组与起重机的起升机构和电控系统连接，对旋锁、提升、开盖、称重等动作采用PLC自动控制，能有效减轻起重机司机的操作强度。起重机带吊具运行到待卸货集装箱上方，对位、着箱后发讯，提升架内的旋锁机构锁定硬开顶箱顶角件，提升机构驱动提升架带硬开顶箱上升至旋转上限位；称重后开盖机构自动提起箱顶盖至开盖上限位；起重机司机操作吊具运行至卸货工位上方，旋转机构驱动旋转架带着硬开顶箱绕轴线旋转，实现侧向倾转卸料；旋转360°后，开盖机构下降合盖后再次称重，提升架和空箱在重力作用下下降至下限位；起重机移动到落箱工位放下空箱，完成一个卸货工作循环。

4 两种卸货装备的应用探讨

这两种装备都能满足20英尺、单箱额定载荷30t、箱高不大于2.2m的硬开顶箱自动卸货要求，功能特点上略有差异。

（1）自动翻转机可与带集装箱吊具的起重机协同作业，如门座起重机、场桥、岸桥、行车等；出料端可以根据客户装备状况，添置料斗和转料皮带机与堆场的堆料机连接完成卸料堆垛作业。作业流程为：取箱→卸货→落箱，除起重机由专职司机操作外，全过程均采用自动化控制，无需人工辅助；可应用于港口码头、铁路货场等的中转堆场作业，也可以应用于矿石冶炼企业的终端原料库卸货作业。

单机卸货效率可达17箱/h，折算卸货量可达510t/h，多个翻转机与一台集装箱起重机协同作业时可进一步提高卸货效率。此外，还可根据需求开发适用于40英尺或双20英尺的翻转机，进一步提高卸货效率或扩展到其他散货的装卸领域。

还可根据需要配备负压吸尘系统，对主机进行封闭处理，用于易扬尘的物料卸货作业，对出料端的皮带输送系统采取封闭式设计，满足环保要求。

（2）自动翻转吊具本质上属于起重机专用机具，集取箱、卸料等多功能于一体，可直接与场桥、岸桥、行车等起重机配套，稍作改制还可用于门座起重机。但对起重机的能力提出了更高的要求，起重能力应不小于50t；此外在高度比较敏感的场合，对起升高度也需要予以关注。卸货时，采用起重机可以从集卡、铁路货车、集装箱船或集装箱堆场上取箱，通过翻转吊具直接进行卸货堆垛作业，还能用于港口码头的大型散货装船作业。作业流程为：取箱→卸货→落箱，除起重机由专职司机操作外，其余卸货过程也无需人工辅助。单机卸货效率可达13箱/h，折算最大卸货量可达390t/h。

除旋锁外，吊具任何部位均不低于集装箱顶面以下，可适用于现有集装箱在码头、运输船，以及铁路平车、高边车的密集堆码模式的取箱和堆箱作业。

5 结语

两种卸货装备的研发有助于切实提高散货集装箱的卸货效率，实现硬开顶箱在中转和终端卸货低成本、高效化和规模化目标，适用于现有堆场的专业化改造或扩建；还能布置在冶炼厂的原料库房内。硬开顶箱物流系统应用于任何大宗散货运输在技术上是可行的。当然物流模式的选择更多取决于经济性、环保性、安全性等因素，需要物流企业在路线规划、货源对冲等方面拓展渠道，进一步降低物流成本，相关装备的研发和应用也可以结合实际条件进行适当调整，以适应不同货物装卸需求。