1 軌道式梭車在天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的應(yīng)用背景

集裝箱碼頭在經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程中扮演著重要的角色，因此，新興的自動(dòng)化集裝箱碼頭備受國際關(guān)注。近年來，自動(dòng)化集裝箱碼頭發(fā)展日漸成熟，港口經(jīng)營者將其視為提升港口作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。

為滿足大型集裝箱船舶作業(yè)要求和鞏固天津港作為集裝箱干線港的地位，天津港在東疆保稅港區(qū)規(guī)劃 4 個(gè)自動(dòng)化集裝箱泊位，碼頭岸線總長1 441 m，陸域縱深 1 050 m。為適應(yīng)天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭縱深距離較長的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及縮短自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化軌道吊）帶箱運(yùn)行距離，研究人員開發(fā)出新型自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備――軌道式梭車（見圖1）。碼頭堆場(chǎng)內(nèi)的集裝箱水平運(yùn)輸由軌道式梭車完成，集裝箱裝卸作業(yè)由自動(dòng)化軌道吊完成。為測(cè)試軌道式梭車的利用率及可靠性，天津港太平洋國際集裝箱碼頭有限公司開展軌道式梭車試運(yùn)行。

2 軌道式梭車主要技術(shù)參數(shù)及功能

軌道式梭車作為自動(dòng)化集裝箱碼頭過駁和堆場(chǎng)間的運(yùn)輸設(shè)備，是一種典型的技術(shù)和運(yùn)行模式**，其運(yùn)行效率和可靠性直接影響自動(dòng)化集裝箱碼頭的整體作業(yè)效率。自動(dòng)化和智能化的驅(qū)、制、控一體化技術(shù)是保證軌道式梭車可靠且高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

軌道式梭車的主要技術(shù)參數(shù)：（1）高度為1.2 m；（2）長度為15.7 m；（3）寬度為2.75 m；（4）自重為15 t；（5）額定載荷為61 t；（6）工作時(shí)的*大風(fēng)速為20 m/s；（7）加速度為 0.33~0.60 m/s2；（8）運(yùn)行行程為 250 m（試驗(yàn)用）；（9）*快速度約為 300 m/min。

軌道式梭車具備對(duì)集裝箱進(jìn)行任務(wù)解析和狀態(tài)反饋的功能：能夠根據(jù)碼頭操作系統(tǒng)的指令，完成從堆場(chǎng)入口（海側(cè)或陸側(cè)）至出口（陸側(cè)或海側(cè)）指定路線的集裝箱水平運(yùn)輸；能夠自動(dòng)識(shí)別集裝箱的載荷和有效風(fēng)載荷參數(shù)，并根據(jù)碼頭操作系統(tǒng)指令的運(yùn)輸位置，實(shí)時(shí)調(diào)整和設(shè)定其啟動(dòng)加速過程、恒速運(yùn)行過程及制動(dòng)減速過程，實(shí)現(xiàn)智能驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)，以達(dá)到高效和節(jié)能的目標(biāo)；可以實(shí)現(xiàn)各車輪的同步運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)車輪組的打滑狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)整正常運(yùn)行狀態(tài)下的相關(guān)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力矩，有效防止車輪打滑。此外，軌道式梭車所有裝置均具有海邊鹽霧環(huán)境下的防腐功能，設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)不低于IP55，同時(shí)具有各單元驅(qū)動(dòng)失電、運(yùn)行參數(shù)（加速度、額定速度和減速度等）異常、內(nèi)部與外部通信不暢、車輪打滑、車輪不同步等故障監(jiān)控和聯(lián)鎖保護(hù)功能。

3 軌道式梭車在天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的應(yīng)用

3.1 軌道式梭車的主要構(gòu)造

軌道式梭車為箱型焊接結(jié)構(gòu)（見圖 2），主體材料采用Q345B鋼材或Q345C鋼材。該結(jié)構(gòu)能夠滿足運(yùn)載 1 個(gè) 20 英尺集裝箱、2 個(gè) 20 英尺集裝箱、1 個(gè)

40 英尺集裝箱或 1 個(gè) 45 英尺集裝箱的要求。主梁采用工字梁，集裝箱角配件懸于結(jié)構(gòu)外側(cè)，在運(yùn)行方向布置止動(dòng)塊，在長度方向兩側(cè)布置固定擋塊。

運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)軌道式梭車主結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種工況下的應(yīng)力、變形分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使在滿足材料剛度和強(qiáng)度要求的情況下車體質(zhì)量*輕。

軌道式梭車車輪為鐵路專用整體輾鋼車輪（見圖 3），采用單輪緣結(jié)構(gòu)和模鍛成型技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是磨損小、踏面有斜度并可自動(dòng)對(duì)中。軌道式梭車采

用八輪全驅(qū)系統(tǒng)，通過水平安裝形式的三合一減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；電機(jī)功率為22 kW，其通過扭力臂與車身連接，通過空心軸和鎖緊盤與車輪連接；采用

鐵路標(biāo)準(zhǔn)軌距 1 435 mm，具有布置緊湊、便于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

軌道式梭車采用直流滑觸線供電系統(tǒng)（見圖4）。在傳統(tǒng)電纜供電方式下，電纜必須通過拖鏈的保護(hù)才能避免因直接與設(shè)備或地面摩擦而造成的磨損，若拖鏈的轉(zhuǎn)彎半徑過小，容易造成電纜折斷，從而導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命縮短以及故障點(diǎn)的增加。滑觸線供電方式是通過集電器與滑觸線接觸供電的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點(diǎn)。集電器固定在軌道中間車架下方的空間內(nèi)，并保證其 2 個(gè)電極與滑觸線接觸良好。滑觸線供電方式的優(yōu)點(diǎn)為：（1）電流輸送連續(xù)、安全、穩(wěn)定；（2）節(jié)能；（3）不受雨雪霜凍影響；（4）無線通信采用非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式，可靠性高；（5）維護(hù)成本低；（6）造價(jià)低，投資少。

3.2 軌道式梭車的驅(qū)控技術(shù)

軌道式梭車采用安川驅(qū)動(dòng)控制器，其驅(qū)控原理為：根據(jù)電機(jī)控制需要，選用智能驅(qū)控一體化控制器，將Intel X86 架構(gòu)的中央處理器和芯片組作為系統(tǒng)處理器，將高性能數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列作為運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)處理器，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)完成對(duì)電機(jī)運(yùn)行的控制；此外，還可以通過信號(hào)輸入/輸出端口，對(duì)其他外設(shè)硬件（如制動(dòng)器）實(shí)施控制。

軌道式梭車采用易福門移動(dòng)控制器。該控制器屬于重載型，自帶輸入和輸出端口各 16 個(gè)，其通道功能可自由配置，通過上位機(jī)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊方式進(jìn)行通信。軌道式梭車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（見圖 5）采用技術(shù)成熟的三合一減速電機(jī)，運(yùn)用速度同步方法控制其同步運(yùn)行，以保證軌道式梭車高速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和可靠性。軌道式梭車采用八輪驅(qū)動(dòng)方式，分四角布置：每個(gè)角布置 2 個(gè)車輪組，用平衡梁連接，以使壓力均勻分布；每個(gè)車輪各帶 1 套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。8 套驅(qū)動(dòng)

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好處在于：在其中 2 套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效的情況下，可低速（200 m/min）驅(qū)動(dòng)軌道式梭車進(jìn)入維修點(diǎn)。

3.3 軌道式梭車的通信及導(dǎo)航定位

軌道式梭車通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)級(jí)調(diào)頻電臺(tái)橋接的方式。調(diào)頻電臺(tái)的作用是向軌道式梭車發(fā)送指令，以達(dá)到對(duì)其控制的目的。在軌道式梭車上安裝工業(yè)級(jí)調(diào)頻電臺(tái)，并在軌道上架設(shè)帶有中心調(diào)頻電臺(tái)的立桿。由于調(diào)頻電臺(tái)的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于軌道范圍，因此，從科學(xué)選點(diǎn)角度出發(fā)，將立桿架設(shè)點(diǎn)選擇在軌道中心，以保證整條軌道的無線信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)均衡；但考慮到試運(yùn)行梭車軌道較短，故將中心調(diào)頻電臺(tái)設(shè)置在軌道端部立桿上（見圖 6）。該立桿高度為6 m，直徑約為20 cm，中心調(diào)頻電臺(tái)安裝在2 m左右的高度，箱內(nèi)配置 220 V 電源、收發(fā)器、光電模塊等設(shè)備。

軌道式梭車通過無線方式與中心調(diào)頻電臺(tái)通信，中心調(diào)頻電臺(tái)通過光纖通信鏈路與控制室連接，實(shí)現(xiàn)在控制室遠(yuǎn)程控制軌道式梭車和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｔ撗b置支持遠(yuǎn)距離傳輸，具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組建方式，傳輸信號(hào)穩(wěn)定，其帶寬足以保證軌道式梭車接收指令的實(shí)時(shí)性和有效性。軌道式梭車無線通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

軌道式梭車通過 BTG 天線實(shí)現(xiàn)**定位。電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號(hào)可接入 BTG 天線進(jìn)行冗余檢測(cè)，也可并行接入驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)和位置信號(hào)的采集。BTG天線檢測(cè)到的位置是軌道式梭車的實(shí)際位置，正常情況下電機(jī)編碼器反饋的位置信號(hào)應(yīng)與此一致。當(dāng)軌道式梭車出現(xiàn)車輪打滑情況時(shí)，BTG天線檢測(cè)到的位置值與電機(jī)編碼器采集到的位置信號(hào)會(huì)出現(xiàn)偏差。此時(shí)，軌道式梭車自動(dòng)調(diào)整加速度，使車身趨于平穩(wěn)，待到下一個(gè)固定校驗(yàn)點(diǎn)時(shí)重新使兩者同步。

4 結(jié)束語

軌道式梭車通過縮短自動(dòng)化軌道吊的行走距離，改變自動(dòng)化集裝箱碼頭的平面布局，使堆場(chǎng)作業(yè)工藝系統(tǒng)更具靈活性，有利于提升碼頭海側(cè)堆場(chǎng)集裝箱吞吐能力，是自動(dòng)化集裝箱碼頭較為理想的水平轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。