门座式起重机原木旋转抓具的应用

◎ 温宏杰，王 磊，刘明辉，赵 杰，张海明，邱兆龙

（山东港口集团青岛港董家口分公司，山东 青岛 266000）

1 背景介绍

我国木材消耗快速增长，已成为全球最大的木材进口国。我国每年要从国外进口大量原木，当下粗放型的原木作业场地装卸工艺和设备工作方式导致了原木工致残率仍然较高，效率低下。原木规格、重量的跨度是巨大的，一般来说，木材的气干密度值可由较小的轻木的0.12 g·cm-3到较大的蛇纹木的 1.20～1.36 g·cm-3，其值域分布广阔。

在港口作业中，门座式起重机作为一个重要的装卸工具，由起升、旋转、变幅和行走机构组成，其中门机的旋转机构上还装有可俯仰的倾斜单臂架或组合臂架及司机室，门机行走机构作为作业中不可或缺的一部分，能够使门机在轨道上运行，可以把货物送到指定的角度和位置。门机随着港口业的发展而发展，门座式起重机是港口码头上数量和使用频率最多、机构最多、结构较为复杂、最典型的电动装卸机械。它具有较好的工作性能和独特的结构，通用性强，被广泛应用在港口码头。门座式起重机的工作结构具有较高的运转速度，使用率高，台时效率也很高，一般可达100 t·h-1以上。它的结构是立体的，占用码头面积较少，具有高大的门架和较长距离的伸臂，因而具有较大的起升高度和工作幅度，能满足港口、码头、船舶和车辆的机械化装卸、转载，充分使用港口、码头场地，适应船舶的空载、满载作业，以及地面车辆的通行要求，还具有高速灵活、安全可靠的装卸能力，对提高装卸生产率，减轻繁重的体力劳动具有重大的意义。

在港口传统原木货种装卸作业过程中，门机大多使用传统原木抓具，该抓具直接与门机4根主钩钢丝绳连接，门机通过控制中间两根开闭钢丝绳的起升和下落来实现抓斗的开闸和闭闸，司机需要反复的开闭闸才能够抓紧抱牢原木，过程烦琐，浪费时间。并且传统的抓具不具备旋转功能，船舱内的原木不平行于轨道时，需要门机司机操控门机的旋转来控制抓斗的方向，找钩不精确、需要反复的碰撞抓斗才能摆正角度，仅能通过司机的操作实现小幅度旋转摆幅。传统的原木抓具仅能抓取平行于门机轨道摆放的原木货物，若船舱内摆放有垂直于门机轨道的货物，则需要其他流动性机械配合将垂直的货物调整至平行于轨道的方向后，门机再使用原木抓具进行抓取，影响作业效率，上述作业流程有以下几点不足。①舱内需要挖掘机进行配合，门机需要反复更换索具吊装机械，影响作业效率。②货物存在高空落物的风险，若舱内机械、人员站位不当可能造成机损、人员受伤。③门机使用钢丝控制抓斗开闭闸，当原木抓的牢时会出现闭合钢丝绳受力较大，可能出现单机受力超负荷。④人员误操作或设备出现故障，可能出现抓斗双机不平衡导致抓斗开口，货物撒落[1]。

为解决传统原木装卸作业过程中存在的不足，相关研发人员经分析研究制造一种可以进行360°旋转功能的原木抓具，该原木抓具可以在舱内旋转，抓取任意角度的原木。此外，这种原木抓具还使原本需要门机+挖掘机+指挥手的作业模式精简为仅需门机独自作业即可，省去了挖掘机和司机的环节，降低了作业成本，兼顾提高作业效率，有效解决了人机分离的本质安全问题、钢丝绳单机超负荷现象、抓斗自动开斗现象，保障作业人员人身安全、作业机械安全、船舶自身安全和货物自身安全，落实生产作业安全当先的准则。

基本方案为一种可以单独使用的可360°旋转的电动钩头和由电能控制液压系统实现开闸和闭闸的原木抓具组成。其特征为电动旋转钩头由两套电机+减速箱、回转轴承、中心滑环、吊钩和编码器；通过使用变频器驱动两台电动机带有减速箱连接齿轮，通过司机操作按钮，给PLC一个电信号，输出给变频器驱动电机正向和反向的旋转，使得旋转钩头可360°方向旋转，能够实现钩头的旋转速度可变频调节，回转装置中设有中心导电滑环，在相对转动过程中动力与通信信号的传输，确保钩头能够360°旋转；原木抓具由电动机、油泵、液压油缸、蓄能器、斗瓣和行程开关组成；吊具钩头通过链条、卸扣与门机主钩钢丝连接，通过安装在门机上的电缆提供动力及通信控制信号；吊具钩头与原木抓具之间通过轴销连接，通过电缆连接传输动力及通信控制信号。

随着青岛港到港原木货类增加，山东港口集团青岛港董家口分公司也开始从事原木货类的接卸作业。原木卸船主要使用门机配备专用抓斗作业，在装卸作业主要靠抓斗来进行，对于原木这种货类，全国各大港口多数在用10 t、16 t门座式起重机对原木进行作业，对于大吨位的原木船只来说，用小吨位的门机进行作业所需工作时间长，效率低。山东港口集团青岛港董家口分公司现有门机载荷为25 t，起升机构使用4根钢丝绳，即俗称四索。25 t四索原木抓斗斗容大，抓取货物量大，较10 t、16 t载荷而言在作业时间与作业效率上有非常大的优势。同时，对于原木这种货类来说，其外形属于细长型。由于船只装载原木是顺着船体方向，即与门机轨道方向平行，正常双颚抓斗，双颚打开方向对于门座式起重机来说是左右方向。而原有原木抓斗又是类似于双颚形式，在抓斗作业时，斗齿的打开方向与其他抓斗双颚打开方向一致，在抓取原木时打开的斗齿正好位于原木的两端，正常作业时只有在人工辅助的情况下抓斗斗齿才会摆正，从而将其抓起，同时在抓起后由于抓斗满负荷会自摆回原来的位置致使原木的一端对着门座式起重机，这种情况给抓斗作业带来了很多不便，四索抓斗旋转90°非常难以控制，人工辅助也不安全，作业效率也受到很大影响。因此，提供一种结构简单、设计合理、性能安全可靠以及操作简便的用于装卸门机上的25 t四索原木抓斗是该领域技术人员亟待解决的问题之一[2]。

2 原木旋转抓具的构造

2.1 电控系统

对司机室内配电柜进行改造，安装一套电动旋转钩头控制专用变频器、PLC系统，对门机操作手柄进行改造，替换为含有多个操作按钮的航空主令，同时在门机臂架系统上安装一套由主吊杆底部延伸至象鼻梁端部的电缆+配电箱+插座+配重生根点组成的配套基础供电系统，实现对电动旋转钩头和原木抓具动力电源的输送及控制信号的传递。在旋转大齿圈处安装一个编码器，用来和电动钩头旋转齿圈处安装的编码器反馈回来的旋转速度进行对比，从而实现电动钩头同门机的旋转速度相同，实现自动跟随功能。同时对门机原有PLC程序、变频器参数进行一定优化修改，实现旋转钩头相关程序同门机原有程序无缝完美对接[3]。

2.2 电动旋转钩头

旋转电动钩头由两套驱动电机+减速箱、回转轴承、中心滑环、吊钩、吊耳及链条、编码器、上机电缆和电缆储存框组成，可以360°旋转，并且可单独作为钩头使用。

2.3 液压原木抓具

液压原木抓具由电动机、油泵、液压油缸、蓄能器和斗瓣组成，使用电能控制液压系统实现开闭闸。

3 原木旋转抓具的工作原理

3.1 组装方式

吊具钩头通过链条、卸扣与门机主钩钢丝连接，通过安装在门机上的电缆提供动力及通信控制信号；吊具钩头与原木抓具之间通过轴销连接，通过电缆连接传输动力及通信控制信号，吊具可实现自动跟随功能，抓斗可以始终保持一个方向跟随门机自动旋转[4]。

3.2 工作原理

通过司机在司机室操作油泵的开启，操作钩头的旋转按钮，给PLC一个电信号，输出给变频器驱动电机正向和反向的旋转，两台电动机带有减速箱连接齿轮，使得旋转钩头可360°方向旋转，变频器驱动能够实现钩头的旋转速度可变频调节，平稳启动和制动，回转装置中设有中心导电滑环，确保相对转动过程中动力与通信信号的传输，编码器能够反馈旋转速度到PLC同门机的旋转速度相比较实现自动跟随功能。操控开闭闸按钮，给PLC一个电信号，能够控制原木抓具上的电磁阀的通断来实现抓具的开闭闸控制，抓具上的行程开关控制开闭范围，触发限位后停止 开闭闸。

4 原木旋转抓具的具体工作流程

4.1 电动旋转钩头与门机的连接组装

门机从事原木货种装卸的可电动旋转的钩头+液压抓斗组成的抓具见图1所示。

图1 门机从事原木货种装卸的可电动旋转的钩头+液压抓斗组成的抓具结构示意图

作业人员使用卸扣将门机主钩钢丝绳与电动旋转钩头平衡梁上的吊耳进行连接，操作司机将电动旋转钩头起升至门机最高点，作业人员爬到吊杆的端部使用绳子将电动旋转钩头动力源的电缆通过插头与门机象鼻梁端部的插座连接箱连接好并进行固定，电缆的连接可以传递旋转钩头和原木抓具的动力电源、控制信号和通信信号的传递。

4.2 电动旋转钩头与液压抓斗的连接组装

操作司机将电动旋转钩头落至合适高度，将电动旋转钩头通过连接轴I将电动旋转钩头与液压抓斗实现物理连接，将液压抓斗上的电缆插头与电动旋转钩头上的配电箱插座连接，实现液压抓斗的开闭闸控制。完成上述安装作业后，司机可以在驾驶室操控实现原木抓具的各项功能。司机只需要通过改造后的航空主令，便能控制电动钩头的360°旋转和原木抓具的开闸和闭闸，可同时实现门机+旋转抓具的多种组合动作连贯动作，节省装卸时间。例如，司机可在门机起升过程中操控液压抓斗开闭闸和抓斗的旋转，在起升和下降过程中随时旋转抓具的角度到达合适的位置。这种组装方式改善了操控难易程度、加强了装卸的连贯和流程性，提高了装卸的效率。

4.3 两个斗齿铰座和宽斗齿的两个斗齿铰座连接

窄斗齿上端的连接铰座内挂在中梁箱体内侧，宽斗齿上端的连接铰座内挂在中梁箱体的外侧，这样就使得两斗齿形成双颚的形式。中梁滑轮总成上设有钢丝绳控制器，上承梁的滑轮总成通过钢丝绳与中梁的滑轮总成连接，形成斗齿开闭滑轮组系。每个开合活动支架的下端面分别以多个连接杆连接抓斗斗齿。钢丝绳控制器是一个弧形管，下端以轴活动连接在中梁箱体侧板上，上端部闭合活动包裹在钢丝绳上。抓取范围大、容积大、强度高、切入角度好、摩擦阻力小、抗拉强度高、中梁结构严谨及控制灵活，有效避免了作业中钢丝绳出滑轮槽的问题，抓斗通过对平衡梁的扭转以及上梁滑轮组和中梁滑轮组的相应扭转，保证了抓斗在作业时原木的两端在门机的两侧而不是对着门机。保证抓斗在抓取出原木位置是与门座式起重机的位置在空间上保持平行，而不是垂直关系，从而大大降低了危险作业系数，避免了人工辅助作业的危险[5]。

5 原木旋转抓斗的优势

5.1 提高效率

创新采用旋转钩头+液压原木抓具的组合，通过采用液压控制，实现原木抓具360°旋转，门机可以抓取船舱内任意角度、位置的原木货物，免去了舱内挖掘机等其他机械配合作业的过程，抓取原木一次性抓满不会出现超负荷现象，能够提升装卸效率为40%，一台门机每年装卸40万方原木，消耗电能为22.4kW·h，每年能节省电费9万余元左右。

5.2 降低风险

该旋转抓具开闭闸由液压系统控制，门机4根钢丝绳受力平衡，杜绝了旧有原木抓斗可能出现单机超负荷的隐患风险。在大大降低舱内作业机械、人员成本的同时有效避免由于舱内人机配合不当造成高空落物等风险。

5.3 应用多样性

因港口接卸的货种复杂性，针对不同的作业货种时如五金、袋装物、件杂货等，也可单独使用电动旋转钩头进行作业，可以实现货物在舱内360°旋转任意角度摆放，免去人员接触货物，解决人货分离，保障安全。

5.4 节约成本、提高收益

通过上述方式，能够节省一台挖掘机和一名司机的成本，每台挖掘机每年接卸原木为30万m3，消耗燃油为9.3万L，大约燃油成本为65万元、维护成本为13万余元、挖掘机司机人工成本为15万元。提升装卸效率能够降低的能耗费用9万元，能够保障作业人员人身安全，落实生产作业安全当先的准则，能够与实际生产相结合，提高工作效率，每年为企业带来收益约100万元以上。