坡度堆场下集装箱吊取的分析

2022-08-17刘亚欣中交水运规划设计院有限公司青岛分公司李琪中交水运规划设计院有限公司

珠江水运 2022年14期

◎刘亚欣中交水运规划设计院有限公司青岛分公司李琪中交水运规划设计院有限公司

1.背景

集装箱堆场常见面层结构形式有高强联锁块、混凝土大板、箱角条形基础等，根据采用结构形式的不同，部分情况下集装箱堆场会存在一定角度的排水坡。条形基础堆场，通过优化排水结构形式，集装箱堆存可不受排水坡度的影响；堆场铺面若采用高强联锁块或混凝土大板结构形式，集装箱堆存区域则必然存在排水坡度。存在排水坡度的集装箱堆场，其中的作业设备如何顺利着箱、锁定，最终完成起吊，本文将对此过程进行分析探究。

1.1 集装箱尺寸

集装箱尺寸参见国际标准化组织（ISO）颁布的《系列1集装箱分类、外形尺寸和额定质量》（ISO 668-2013），第一系列集装箱的宽度均为2438mm（8ft）。集装箱的长度分为E、A、B、C、D五个系列，公称长度依次为40.5ft（13.716m）、40ft（12.192m）、30ft（9.125m）、20ft（6.058m）、10ft（2.991m）。

集装箱的宽度尺寸是统一的，但其长度规格较多，为便于统计港口吞吐量、装卸设备作业效率等，国际上以20ft长度集装箱作为当量箱进行换算，20ft长度集装箱被称为标准箱，即TEU（twenty equivalent unit），公称长度6.058m。

目前港口装卸的主流集装箱规格为ISO 系列1 的20 ft 和40 ft 集装箱，二者的宽度和高度均为2438 mm，其中20 ft 集装箱长6058 mm，40 ft 集装箱长12192mm，内贸箱中，20ft集装箱居多，外贸箱中，40ft集装箱居多。

1.2 集装箱角件

根据运输货物的不同，集装箱分为诸多种类，以干货集装箱为例，它的数量占集装箱总数的70%～85%，主要组成部分有箱体、端壁、箱门及附件等。角件是附件之一，在集装箱运输过程中，发挥着重要作用。

每个集装箱都有两个右顶角件和两个与之相对应的左顶角件，除端孔外，底角件与顶角件结构相同。顶角件位于集装箱顶部四角，具有顶面、外侧面和外端面。集装箱系列1典型角件的外部尺寸为178mm×162mm×118mm，此尺寸适用于普通铸钢制造工艺生产的箱型。

集装箱宽度方向两角件孔中心距为2259mm，长度方向20ft箱角件孔中心距为5853.5mm。角件的尺寸为，底部孔径尺寸为63.50mm，底部板厚28.5mm。

1.3 集装箱吊具

为适应船舶大型化、码头专业化发展趋势，大部分集装箱装卸设备，如岸边集装箱起重机、轮胎式集装箱龙门起重机、集装箱正面吊运机等，均采用集装箱专用吊具。

常见的集装箱专用吊具，无论具体结构形式如何，基本工作原理是一致的：即吊具四角各设有一个转锁，可完成吊具导向及旋转锁定功能，通过液压或电力形式驱动转锁，使转锁与集装箱角件配合与脱离，从而实现集装箱的吊运与放置。

常见的吊具转锁形式有圆锥形转锁及扁锥形转锁，转锁宽度的公称尺寸为57mm，长度为100mm，转轴尺寸为φ59.5mm。

吊运前，吊具四角的转锁下落进入集装箱顶部四角的角件孔中，转锁落入角件孔后，液压或电力装置驱动使转锁旋转90°，变为闭合状态，此时转锁完成与角件的锁定配合，起重设备可将集装箱吊起。

集装箱专用吊具种类繁多，根据起吊集装箱长度不同，分为20f t吊具、40ft吊具等，新型吊具大都能够沿长度方向伸缩，以适应不同尺寸规格集装箱的吊取作业；根据吊起集装箱的数量，可分为单箱吊具、双箱吊具等；根据吊具的驱动装置，可分为液压吊具、电动吊具等；根据吊具的结构形式，可分为固定式吊具、组合式吊具、伸缩式吊具。

固定式集装箱吊具仅适用于单一规格集装箱的起吊，此种吊具结构形式较为简单，重量轻，通用性差，吊取不同尺寸集装箱时，需更换吊具，影响作业效率；组合式集装箱吊具由两种或以上固定式吊具组合而来，根据驱动装置位置的不同和不同规格吊具的安装关系，组合式吊具可分为吊梁式吊具、主从式吊具、子母式吊具；伸缩式吊具上装有伸缩机构，转锁位置可沿长度方向进行伸缩调节，以适应不同规格集装箱的起吊位置需求。

为适应船舶大型化发展趋势，提高码头装卸效率，减少船舶在港时间，国内部分大吨级码头的岸边集装箱起重机采用多箱吊具。一个多箱吊具可同时起吊两个及以上集装箱，如双40ft集装箱吊具，可同时起吊4个20ft或2个40ft集装箱。青岛港双40ft吊具的岸边集装箱起重机，2021年8月曾创下单机作业效率52.1自然箱/小时的记录。

2.排水坡度下集装箱的吊取

集装箱码头从前沿到后方堆场，装卸集装箱的设备有多种，本文以集装箱码头堆场常见作业设备集装箱正面吊运车（下文简称“正面吊”）为例，对起吊20ft标准箱（TEU）的工况进行分析研究。

正面吊的结构形式决定，工作中它可以适应前后荷载差别较大的工况，起吊后的集装箱多位于驾驶室前方。集装箱吊具可绕吊臂前端水平轴前后摆动，一般情况下，吊运过程中，吊具四角转锁位于同一高程。

2.1 理想工况下吊取过程分析

理想工况下，假定吊具及集装箱各部件尺寸无制造误差，集装箱四个顶角和四个底角各位于同一高程面，正面吊吊具四角转锁高程也相同。

角件孔径的公称尺寸为63.5mm，转轴尺寸为φ59.5mm，二者尺寸配合关系可类比孔轴间隙配合理解，转锁不闭合状态下（转锁长度方向沿集装箱长度方向，即图1双点划线转锁），可顺利落入集装箱角件的开孔中。

图1 水平工况单个转锁闭锁图示

吊运前，正面吊就位于集装箱长度方向一侧，吊具从上而下进行吊装，吊具四角转锁同时落入集装箱顶部四角角件的孔洞中，完成着箱，着箱后吊具上的位置感应器传出信号，吊具转锁旋转，完成闭锁。闭锁感应器输出信号后，正面吊控制系统开始执行起吊动作，将集装箱吊起。

实际吊取作业中，也会采取后侧转锁先行与箱体接触，前侧转锁随后着箱的抓取方式，这样吊具单次仅需对齐两个角件孔洞，降低了操作难度，同时吊具后侧着箱后，吊具前侧对集装箱作用力臂减小，从而作用力矩减小，大幅减轻了吊具着箱过程中对箱体的撞击。

2.2 排水坡度下起吊过程分析

存在排水坡度的堆场，集装箱的摆放形式，暂按箱体宽度方向平行坡度方向进行起吊分析。

集装箱正面吊运车的臂架及吊具结构形式，能够保证起重设备在坡度场区作业，吊臂平行于坡度方向时，吊具下的4个转锁可保持在同一高程面。因此集装箱宽度方向沿堆场坡度工况的抓取研究，即为分析水平状态的吊具，能否顺利落入不同高程面的角件中，完成着箱及闭锁。

方案分析假设集装箱堆场存在千分之六的排水坡度，即坡角的正切值为0.006，此值远远小于集装箱与堆场间的滑动摩擦系数，因此堆存的集装箱不存在滑动产生位移的风险。集装箱宽度沿坡度方向堆存，此种情况下箱体宽度方向两端角件位于不同高程面，假定起吊前正面吊就位于坡顶方向的长度一侧。

吊取过程中，吊具位于集装箱正上方，将吊具宽度中心线与倾斜摆放的集装箱宽度中心垂直对齐，吊具下落过程中首先与集装箱宽度方向较高一侧角件接触；此时，此侧转锁轴环中心线与角件孔洞中心偏移距离为0.155mm，左侧转锁轴环中心线与角件孔洞中心的偏移距离为0.195mm。理想工况时，转锁轴环与角件孔径的间隙为4mm，单侧间隙2mm，间隙值远大于偏移距离，吊具着箱过程中轴环与孔洞内壁理论上可始终保持间隙，机械部件不发生刚性碰撞。

吊具着箱过程中，吊具坡顶一侧转锁首先落入角件中，此侧转锁与角件位置如图2所示。此时坡底一侧转锁还未完成着箱，在重力作用下，坡底一侧吊具继续下落，转锁可进入角件孔洞，从而完成着箱及锁定。整个过程与水平堆场工况中，吊具后侧锁头先着箱，前侧锁头后着箱的过程基本一致，仅水平与倾斜设备发生对调。

图2 坡度堆场坡顶侧闭锁图示

若将集装箱堆场地面排水坡度增大到10‰，集装箱宽度坡顶一侧与吊具的接触点向箱体中心移动，角件孔洞中心线与转轴中心偏差增大至0.23mm，此侧转锁落入角件过程中，二者可不发生碰撞，能够顺利着箱。坡底一侧吊具转锁亦可在重力作用下落入孔洞，完成着箱。10‰排水坡度的堆场，正面吊依旧能够完成集装箱的吊取作业。

港口堆场地面常用排水坡度为3‰～10‰，此坡度范围下，正面吊可顺利完成集装箱的吊取作业。

2.3 非常规排水坡度下的起吊探究

港口堆场地面常用排水坡度不大于10‰，坡度大于10‰情况下，正面吊能否完成集装箱吊取作业，本文进行了探究。

坡度26‰时，地面倾角1.5°，集装箱吊取过程中，坡顶侧转锁垂直向下进入角件孔洞，着箱过程中，二者始终存在间隙；理想情况下，坡顶侧吊具中间板与箱体接触后，以接触点为圆心，坡底转锁以弧形轨迹落入角件中，轨迹与角件孔洞始终存在间隙。通过分析得出，理想工况下，26‰坡度条件能够满足吊具着箱需求。

坡度44‰时，地面倾角2.5°，集装箱吊取过程中，坡顶侧转锁垂直向下进入角件孔洞，着箱过程中，二者始终存在间隙；理想情况下，坡顶侧吊具中间板与箱体接触后，以接触点为圆心，坡底转锁以弧形轨迹落入角件中，此时轨迹与角件孔洞间隙降至0.68mm。实际生产中，44‰坡度条件正面吊能否完成集装箱吊取，有待实际操作进一步验证。

表1为四组不同坡度下，吊具着箱过程中，转锁与角件二者最小间隙值。