隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷深入，國(guó)際貿(mào)易量持續(xù)增長(zhǎng)，促使集裝箱運(yùn)輸成為海運(yùn)的主要形式。港口是水陸聯(lián)運(yùn)的樞紐。集裝箱裝卸效率直接影響港口的吞吐量和競(jìng)爭(zhēng)力。軌道式集裝箱龍門起重機(jī)是港口裝卸的關(guān)鍵設(shè)備，其性能和可靠性對(duì)保障港口生產(chǎn)效率至關(guān)重要1。目前，我國(guó)軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造業(yè)雖取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但在高端產(chǎn)品領(lǐng)域仍面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)制造工藝存在效率低、精度不高等問(wèn)題，制約了設(shè)備性能的提升。隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的實(shí)施，智能制造已成大勢(shì)所趨。將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造，對(duì)于提升設(shè)備品質(zhì)和增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1、軌道式集裝箱龍門起重機(jī)概述

1.1結(jié)構(gòu)組成

軌道式集裝箱龍門起重機(jī)是由門架、小車、吊具、軌道和電氣控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成的大型港口裝卸設(shè)備。門架是起重機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，采用箱型梁焊接而成，其跨度一般為18～35m,起升高度可超過(guò)40m。在門架上設(shè)有運(yùn)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)輪對(duì)在軌道上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的水平移動(dòng)。小車安裝在門架上，由小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其沿門架橫移。吊具是起吊集裝箱的裝置，通常采用吊具伸縮機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可靈活吊裝集裝箱。起重機(jī)的供電來(lái)自帶電軌道或電纜卷筒，由18根電纜組成，用于傳輸控制信號(hào)。電氣控制系統(tǒng)包括起升、變幅、小車和大車4個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)等多種工作模式，并配備防搖擺、防偏載等安全保護(hù)裝置。隨著技術(shù)進(jìn)步，軌道式集裝箱龍門起重機(jī)的額定起質(zhì)量已從早期的30.5t提高到65.0 t,起升速度從30m·min?1提高到80m·min?1,運(yùn)行速度從45m·min1提高到150m·min?1,單臺(tái)設(shè)備年作業(yè)量在15萬(wàn)～30萬(wàn)TEU。先進(jìn)的電氣傳動(dòng)和控制技術(shù)，如交流變頻調(diào)速、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等，大幅提升了設(shè)備的可靠性和靈活性。軌道式集裝箱龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高，代表了港口裝卸技術(shù)的最高水平。

1.2功能特點(diǎn)

軌道式集裝箱龍門起重機(jī)是集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的核心設(shè)備，具有裝卸效率高、自動(dòng)化程度高、作業(yè)范圍廣等特點(diǎn)。它具有獨(dú)特的軌道式布置，使其能夠在碼頭縱深方向靈活移動(dòng)，適應(yīng)不同泊位和貨場(chǎng)的作業(yè)需求。起重機(jī)的門架跨度大，可覆蓋2～6列集裝箱和多車道運(yùn)輸車，單機(jī)作業(yè)范圍可達(dá)20000 m2。小車可在門架上實(shí)現(xiàn)45m·min?1以上的高速橫移，配合高達(dá)80 m·min?1的起升速度，使集裝箱在船、車、場(chǎng)間快速流轉(zhuǎn)。先進(jìn)的吊具定位技術(shù)如激光定位、機(jī)器視覺(jué)等，保證了集裝箱的精確對(duì)位和定位，使得定位誤差可控制在±50 mm以內(nèi)。采用模糊比例-積分-微分(Proportion Integral Differential,PID)、自適應(yīng)控制等智能算法，可實(shí)現(xiàn)吊具的防搖控制，有效消除集裝箱擺動(dòng)，提高裝卸效率和安全性。徑向同步技術(shù)可協(xié)調(diào)小車和吊具的運(yùn)動(dòng)，使吊具能夠沿理想直線軌跡運(yùn)動(dòng)。靈活的操控方式如一鍵式半自動(dòng)控制、遙控器控制等降低了操作難度。信息化管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、能耗分析等功能，為設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。軌道式集裝箱龍門起重機(jī)每小時(shí)可裝卸30～40個(gè)自然箱，其工作效率是普通門式起重機(jī)的1.5～2.0倍，在全球大型集裝箱樞紐港獲得了廣泛應(yīng)用。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，軌道式集裝箱龍門起重機(jī)向岸橋協(xié)同作業(yè)、高度智能化的方向發(fā)展，將進(jìn)一步提升港口的整體運(yùn)營(yíng)效率和競(jìng)爭(zhēng)力。

2、軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造工藝現(xiàn)狀問(wèn)題剖析

當(dāng)前，我國(guó)軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造業(yè)雖然取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但在設(shè)計(jì)、制造、裝配等環(huán)節(jié)仍存在諸多急需解決的問(wèn)題。在輕量化設(shè)計(jì)方面，軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造主要采用經(jīng)驗(yàn)公式和有限元分析，難以兼顧復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和質(zhì)量?jī)?yōu)化，致使起重機(jī)構(gòu)件冗余，不僅增加了材料成本，還影響了起重性能和能耗。精密加工是制造高端大型起重設(shè)備的關(guān)鍵，但目前國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍存在加工設(shè)備老舊、工藝水平落后的問(wèn)題。機(jī)加工精度難以滿足日益嚴(yán)苛的技術(shù)要求，導(dǎo)致零部件互換性差、裝配難度大。在結(jié)構(gòu)件制造方面，人工焊接仍是主流方式。人工焊接存在焊接變形大、效率低等問(wèn)題，一旦焊接質(zhì)量控制不當(dāng)，易引發(fā)疲勞開(kāi)裂等安全事故。自動(dòng)化焊接設(shè)備如焊接機(jī)器人的應(yīng)用程度不高，柔性化、智能化水平有待提高。電氣系統(tǒng)是現(xiàn)代化起重機(jī)的“神經(jīng)中樞”,其集成化、模塊化水平直接決定了設(shè)備的可靠性和智能化程度。但是，受限于電氣元器件國(guó)產(chǎn)化率低、系統(tǒng)集成技術(shù)薄弱等因素，許多關(guān)鍵部件如變頻器、PLC等高度依賴進(jìn)口，難以保證系統(tǒng)匹配性和穩(wěn)定性，維護(hù)成本高。

3、自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)的制造工藝研究

3.1材料選擇與輕量化設(shè)計(jì)

材料選擇是軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響設(shè)備的性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)的起重機(jī)主要采用Q235、Q345等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。隨著港口作業(yè)要求的提高，高強(qiáng)度、輕量化材料的應(yīng)用日益廣泛。汽車起重機(jī)行業(yè)廣泛采用的高強(qiáng)度鋼如WELDOX900、STRENX700等，屈服強(qiáng)度在700～900 MPa,較普通鋼材提高1～2倍，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)顯著降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外，鋁合金材料憑借其密度低、比強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，在起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。6005A-T6、6061-T6等鋁合金廣泛用于小車結(jié)構(gòu)、平臺(tái)等部件，與鋼材相比，質(zhì)量可減輕40%～50%。復(fù)合材料如碳纖維復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比剛度遠(yuǎn)超金屬材料。雖然該材料成本較高，但是在起升機(jī)構(gòu)、吊具等關(guān)鍵部件中已有應(yīng)用。表1為典型的輕量化材料及其性能參數(shù)。

表1典型的輕量化材料及其性能參數(shù)

軌道式集裝箱龍門起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，是在保證起重性能和安全性的前提下，最大限度地減輕起重機(jī)的質(zhì)量，提高起重效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。主梁是龍門吊的最大承力構(gòu)件，其輕量化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化主梁的截面形狀和尺寸，在不降低強(qiáng)度和剛度的情況下，可減輕10%～20%的質(zhì)量。采用高強(qiáng)度鋼材和焊接新工藝，可進(jìn)一步降低主梁的質(zhì)量。在小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用鋁合金材替代傳統(tǒng)鋼材，通過(guò)優(yōu)化型材截面等方式，可減少30%～40%的質(zhì)量。吊具作為起重機(jī)的易損部件，采用碳纖維復(fù)合材料，配合功能模塊化和快速裝拆設(shè)計(jì)，不僅降低了質(zhì)量，還大幅提高了維修效率。此外，在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)等傳動(dòng)部件中，采用輕量化減速機(jī)、鋁合金車輪等，可進(jìn)一步降低設(shè)備的自身質(zhì)量。

3.2精密加工工藝

精密加工是保證軌道式集裝箱龍門起重機(jī)精度和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的機(jī)加工方法如銑削、切削、磨削等，已難以滿足日益嚴(yán)苛的精度要求。為了實(shí)現(xiàn)起重機(jī)關(guān)鍵部件的高精度制造，數(shù)控加工技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控銑削可通過(guò)優(yōu)化刀具路徑和切削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效、高精度加工，如主梁吊耳的加工精度可達(dá)IT6級(jí)。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可一次完成多個(gè)面的加工，減少了工件裝夾次數(shù)，定位精度可達(dá)0.01 mm,廣泛應(yīng)用于起重機(jī)的回轉(zhuǎn)支承、萬(wàn)向節(jié)等部件的加工。

此外，高速切削技術(shù)通過(guò)提高主軸轉(zhuǎn)速，配合特種刀具材料如立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,CBN)、聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride,PCBN)等，可將切削速度提高5～10倍，顯著提升加工效率和表面質(zhì)量。以高速銑削加工主梁端梁連接板為例，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為24000 r·min?1、進(jìn)給速度為7m·min?1時(shí)，可將加工時(shí)間縮短2/3,且加工表面粗糙度可低于0.8μm。

精密磨削技術(shù)如無(wú)心磨削、曲軸磨削等，可實(shí)現(xiàn)圓柱、軸類等回轉(zhuǎn)體的高精度加工，如小車輪軸的加工精度可達(dá)IT4級(jí)，圓度、圓柱度誤差小于5μm。激光加工以其熱影響區(qū)小、加工精度高的特點(diǎn)，在主梁接頭的焊前預(yù)處理、吊具銷孔的精密加工中獲得了廣泛應(yīng)用，可將接頭間隙控制在0.05～0.10 mm?？傊?，合理應(yīng)用精密加工技術(shù)，可從宏觀和微觀兩個(gè)層面保證軌道式集裝箱龍門起重機(jī)的加工精度，為實(shí)現(xiàn)部件互換、裝配自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

3.3結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化制造

軌道式集裝箱龍門起重機(jī)的結(jié)構(gòu)件制造涉及大量的切割、焊接、裝配等工序，而傳統(tǒng)的手工操作模式已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化制造的要求。引入自動(dòng)化制造技術(shù)，可顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。在結(jié)構(gòu)件制造中，數(shù)控切割和焊接機(jī)器人是兩大關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)控等離子切割機(jī)可根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)模型自動(dòng)生成切割路徑，切割精度為±0.5 mm,且切割速度是手工切割的5～10倍。以主梁腹板的切割為例，采用數(shù)控等離子切割機(jī)，可將1塊6 m×2m×20 mm的鋼板切割時(shí)間縮短至20 min,且切口平整，無(wú)須二次加工。焊接機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)，通過(guò)離線編程和傳感器技術(shù)，自適應(yīng)完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)效率是手工焊接的3～5倍。六軸焊接機(jī)器人可靈活完成主梁箱體的角焊縫和側(cè)焊縫。采用雙絲埋弧焊工藝，焊接速度可達(dá)80 cm·min1,焊縫成型美觀，合格率在98%以上。

在裝配環(huán)節(jié)，柔性裝配生產(chǎn)線和搬運(yùn)機(jī)器人(Automated Guided Vehicle,AGV)小車可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)上下料和運(yùn)輸。數(shù)字化測(cè)量技術(shù)如激光跟蹤儀可實(shí)現(xiàn)零件的高精度定位和在線檢測(cè)，裝配效率可提高50%以上。對(duì)于大型部件如主梁總成、小車架的裝配，采用柔性工裝夾具和氣動(dòng)壓緊裝置，可實(shí)現(xiàn)±0.2 mm的裝配精度，且生產(chǎn)節(jié)拍可縮短至2h。引入機(jī)器視覺(jué)和射頻識(shí)(Radio Frequency Identification,RFID)等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和質(zhì)量追溯。模塊化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化接口可促進(jìn)結(jié)構(gòu)件制造的自動(dòng)化和智能化，如將回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)模塊，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配和更換。3D打印技術(shù)在吊具、緩沖塊等復(fù)雜小件制造中的應(yīng)用，可顯著縮短生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)。

3.4電氣系統(tǒng)集成

軌道式集裝箱龍門起重機(jī)的電氣系統(tǒng)涉及電源供應(yīng)、電機(jī)拖動(dòng)、傳感檢測(cè)、自動(dòng)控制等多個(gè)子系統(tǒng)。它的集成化和智能化水平直接決定了設(shè)備的可靠性和作業(yè)效率。為了提高電氣系統(tǒng)的集成化水平，基于現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)日益得到推廣應(yīng)用。利用DeviceNet、PROFIBUS等現(xiàn)場(chǎng)總線將各子系統(tǒng)互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備層和控制層的無(wú)縫通信，使得系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短在20 ms以內(nèi)。例如，采用基于EtherCAT的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可將位置環(huán)控制周期縮短為100μs,速度環(huán)和電流環(huán)控制周期縮短為50μs,顯著提高了起升、變幅等機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)定位精度為±1 mm。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用基于絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的高壓變頻器，配合永磁同步電機(jī)，可將系統(tǒng)效率提高到95%以上，較傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能20%～30%。在智能化方面，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知和云平臺(tái)技術(shù)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和能耗數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)測(cè)性維護(hù)和能效管理。配備遠(yuǎn)程診斷和故障自愈功能，可將故障診斷準(zhǔn)確率提高到90%以上，平均修復(fù)時(shí)間縮短50%。

4、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造工藝存在的問(wèn)題，從材料選擇與輕量化設(shè)計(jì)、精密加工工藝、結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化制造、電氣系統(tǒng)集成4個(gè)方面進(jìn)行深入研究和系統(tǒng)闡述。其中，輕量化材料應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效降低設(shè)備的自身質(zhì)量，精密加工技術(shù)保障了關(guān)鍵部件的制造精度，自動(dòng)化制造方法提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，電氣系統(tǒng)的集成化和智能化則進(jìn)一步提升了設(shè)備可靠性和運(yùn)行效率。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)在軌道式集裝箱龍門起重機(jī)制造各環(huán)節(jié)的融合應(yīng)用，必將推動(dòng)我國(guó)港口裝卸技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，使之在集約化、自動(dòng)化、智能化方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并為建設(shè)世界一流的智能化綠色港口提供有力的裝備支撐。