1 引言

某集装箱专业装卸码头针对驳船作业配制了数台45 t-35 m型集装箱单臂架门座起重机(以下简称门机)，通过在旋转吊钩下装配液压可伸缩式集装箱吊具完成集装箱装卸。其中，旋转吊钩360°全回转功能设计，旋转速度1.5 r/min，回转驱动采用液压系统实现，液压系统压力8 MPa，液压泵排量23.7 ml/rev，液压马达输出扭矩2 500 Nm，液压驱动电机4 kW,电机转速1 430 r/min。其液压系统在旋转吊钩上的结构布置见图1。利用旋转吊钩横梁内腔作为液压油箱，驱动电机、液压控制系统总成布置安装在吊钩横梁上表面，通过油管输送液压油至吊钩横梁侧面的液压马达，液压马达驱动其下的小齿轮与横梁下面的回转支承大齿圈啮合，在液压系统工作下驱动小齿轮正反转，从而实现集装箱吊具的正反全回转功能需求，通过技术措施协助门机司机快速完成对箱、装船或者装车等集装箱装卸任务[1-2]。

然而，在液压旋转吊钩实际使用过程中，技术人员发现其存在明显的技术缺陷：由于吊具着箱的频繁冲击，液压元件如电磁阀体等固定措施极易断裂，需要频繁更换紧固螺栓，电磁阀体的定型设计亦致使螺栓强度无法增加；频繁冲击致使油管接头极易松脱喷油，油管寿命短；液压系统利用率高，需定期更换液压油液，然而系统设计特点致使液压油更换工艺复杂，严重影响门机出勤率；液压系统运行稳定性低，发热明显，压力常处于波动状态，吊具重载情况下易表现出系统压力不足，吊具回转无法与门机回转机构实现同步自动跟随；部分门机旋转吊钩出现油路堵塞故障；旋转吊钩液压系统故障率高达门机整机故障的40%左右；机检跟踪、抢修和维护所投入的人力物力成本高；液压系统结构复杂，安装方式和精度要求高。为根除上述故障缺陷，保障码头驳船作业，技术人员计划实施技术改造，以实现吊钩(含吊具)旋转自动跟随功能可靠运行，为码头驳船生产提供技术保障。

图1 旋转吊钩液压系统布置俯视图

2 改造原理与方法

技术人员尝试采用其他传动方式替代目前的吊钩液压旋转传动系统。动力传递方式除了液压传动以外，还有电力传动、流体传动、链条传动、摩擦传动、齿轮传动以及皮带式传动等[3-4]。结合门机旋转吊钩钢结构特点、作业工况、吊钩与吊具软硬件连接方式、原有控制回路具体特点等，同时基于目前三合一电动系统总成成型产品(制动器+电动机+减速器)在集装箱起重机设备大车运行机构和小车运行机构上的普遍应用，将门机旋转吊钩替代传动方式基本锁定在了三合一电力传动方式上，选择输出力矩和转速适宜的三合一电动系统总成，直接替代原液压驱动系统。理论分析认为，上述“油改电”是完全可行的，而且能简化结构，使力矩传递更为直接，控制更为便捷，也会有效减轻吊钩自重。

3 改造方案

经过数次分析与完善，基于原液压系统电动机已有电源引至吊钩部位，以及小齿轮上方固有的液压马达安装位置基础及空间等因素考虑，最终确定了详尽的门机旋转吊钩“油改电”改造方案：采用1套三合一电动系统总成(电动机、减速器及制动器)代替原有的液压驱动系统。其中几个关键点在于：三合一电动系统总成安装尺寸设计需最大化利用原液压马达安装基础，并将安装措施强度适当加强；三合一电动系统总成输出力矩在原液压系统基础上适度增大，确保吊具满载情况下，吊钩旋转与门机回转机构实现同步自动跟随；三合一电动系统总成的驱动和制动融入整机的控制系统中，实现起制动平稳无冲击；其他结构及部件尽可能保持原状。“油改电”前后旋转吊钩结构对比见图2。

航天材料及工艺研究所研究员焦好军做“我国铝合金焊丝现状和展望”的报告，报告重点总结了我国铝合金焊丝设计、生产和应用现状，指出了存在的问题，并从设计、高端焊丝、标准和新型焊丝等几方面展望了我国铝合金焊丝的发展趋势。

3.1 三合一电动系统总成参数计算和选定

2016年5月初，待市场上订购的三合一电动系统总成采购回港后，技术人员在已选定实施改造的门机的旋转吊钩上，相继拆除原液压系统电动机、油泵、阀组、液压驱动马达及有关管件；测绘三合一电动系统总成安装尺寸并夹具钻孔；清除液压油，焊接密封吊钩横梁油箱孔，完成三合一电动系统总成安装和接线；控制回路增加接触器，并对相关程序进行修改和完善。现场整个改造实施耗时2个工作日，门机恢复作业后，持续跟踪使用状态3个月。实践证明，原液压旋转吊钩存在的诸多技术缺陷所引发的故障率高、维护投入大等问题全部得到根除，三合一电动系统运行状态稳定，技术性能和安全性能满足门机高利用率装卸生产所需，门机旋转吊钩“油改电”技术改造完全达到预定目标。

在对原液压系统有关参数计算的基础上，充分调研市场以及查核样本，最终确定电机输出功率2.2 kW的某品牌的三合一电动系统总成可满足上述“油改电”技术方案要求，其系统驱动扭矩输出值为2 780 Nm，在满足使用需求的同时预留适当冗余。

图2 “油改电”前后旋转吊钩结构对比图

3.2 三合一电动系统安装

这里引入了需求价格弹性的概念，以反映随着价格的变化电动汽车的充电需求的变化。根据需求价格弹性概念[14]，对于任何电动汽车i，定义需求价格弹性系数euv为Tv时段电价变动对Tu时段电动汽车充电需求的影响：

3.3 三合一电动系统总成驱动控制

三合一电动系统总成的驱动控制改造原则为：最大程度借用原液压驱动系统控制回路。原液压系统司机操作指令通过主机PLC输出信号，依次控制中间继电器、接触器，最终控制液压系统电动机及电磁阀，并通过电磁阀控制液压马达正反转来相应驱动小齿轮。“油改电”之后，唯一的控制问题在于三合一电动系统中电动机正反转方向的控制上。细化分析后，确定了通过增加一路接触器，实现控制回路中两路接触器分别控制电动机的正转和反转的思路，同时对控制程序进行适当修改和完善。

分别采集旋转吊钩上液压马达安装座安装尺寸、三合一电动系统总成安装尺寸，若二者尺寸相符，便可直接实施安装紧固；若二者尺寸不符，则现场测绘，并借助安装孔打孔夹具，在原液压马达安装座安装尺寸基础上，增开螺栓安装孔。

4 改造实施及效果

基于原旋转吊钩液压系统技术参数，按旋转吊钩承载50 t(额定起重量35 t、吊具自重约15 t)进行计算，齿轮副之间的摩擦力取0.05，则回转阻力为25 kN；因旋转吊钩回转支承之回转半径为376 mm，故吊钩回转扭矩N为9 400 Nm；回转支承与驱动小齿轮的速比为4.7，可计算得出回转驱动小齿轮的扭矩为2 000 Nm。

5 结语

改造跟踪期结束，技术改造资料梳理定稿及归档之后，技术人员结合码头驳船作业计划，逐台完成了码头所有门机液压旋转吊钩的“油改电”改造。所有吊钩改造后，全部投产使用已超1年，三合一电动系统运行稳定。

参 考 文 献

[1] 马乔林.港口设备管理[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 交通部水运司. 港口起重运输机械设计手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 管彤贤. 21世纪集装箱机械的技术进步[J].起重运输机械，2003(4):7-9.

[4] 夏建旺.散货码头装卸工艺及设备研究[J].山西建筑，2010 , 36(9):362-363.