基于自重护箱原理的集装箱散货装箱机设计

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自20世纪60年代以来，集装箱运输以势不可挡的趋势迅速改变世界物流发展模式。21世纪初，散货集装箱运输因其高效、安全、环保等优势在我国逐步兴起，其中以北方四港（秦皇岛港、天津港、唐山港、黄骅港）传统块煤集装箱运输业务的周期性波动增长为代表。目前，关于集装箱装箱工艺的研究主要集中于优化件货箱内布局方面，而针对散货集装箱装卸工艺和设备的研究很少，严重制约散货集装箱运输发展。本文以秦皇岛港块煤集装箱业务为例，介绍基于自重护箱原理的集装箱散货装箱机，其借用集装箱和箱内货物的自重将力传导到集装箱侧壁保护板上，从而防止在倾斜装箱时集装箱发生“涨肚”现象。

1　传统散货装箱情况

秦皇岛港自2003年开始开展块煤装箱业务，初期采用在集装箱门水平位置用大块煤垒墙的装箱工艺，自2004年开始采用在块煤堆挖坑后用起重机将集装箱倾斜放入后用装载机将箱装满，再用起重机将集装箱吊出的装箱工艺[1]（见图1）。传统块煤装箱工艺需要在场地上建造固定设施，装箱灵活性较差且效率较低，平均装箱用时左右（见表1）。

图1　传统块煤装箱作业现场

表1 随机统计的秦皇岛港4组块煤装箱作业循环时间s

2　基于自重护箱原理的集装箱散货装箱机设计

由于散货装箱难度较大，必须使用专业设备将集装箱装满，才能达到充分发挥运力、降低成本的目的。为此，秦皇岛港设计一系列装卸箱设备。[2-6]

2.1　块煤筛分装箱工艺

如图2所示：装载机将需要筛分的块煤装到供料站中，供料站由特殊减压料斗[7]和振动给料机组成；振动给料机将块煤均匀给到移动式大倾角波纹挡边输送机中，输送机将块煤给到移动式振动筛中。振动筛是双层筛，其工作原理为：超过的大块煤从最上层筛面落到破碎机里进行破碎，破碎后的煤炭落到堆垛皮带机上，由皮带机堆垛后重新装入供料站；50~之间的块煤是第二层筛面的筛上物，经由溜槽落下后进入料槽，进而进入与装箱机配套的大倾角波纹挡边皮带机内，给集装箱供料；小于的末煤是第二层筛面的筛下物，经由料斗落下后进入堆垛皮带机进行堆垛。

图2　块煤筛分装箱工艺设备配置

2.2　设备运行原理

传统块煤装箱仅将集装箱放入倾斜的基坑中，任由装载机将块煤灌入集装箱内，不设任何保护装置。散货对集装箱侧壁的压强与物料深度成正比，其对集装箱侧壁的压力与物料深度的平方成正比。集装箱设计充分考虑在水平位置装载散货时其对集装箱侧壁的压力作用，因此，在该情况下，箱体完全能够承受上述压力。如图3所示：设煤炭体积质量为　，重力加速度为g，水平状态物料对集装箱侧壁中心的压强p＝1.3　g；当倾斜55装箱时，散货对集装箱侧壁中心的压强p＝2.27　g，是水平装箱时的1.74倍。在倾斜装箱时散货对集装箱侧壁压强的增大是导致传统散货装箱工艺中出现集装箱“涨肚”现象的主要原因。

秦皇岛港每年散货装箱量一般超过10万TEU，因此，有必要考虑在倾斜装箱时对集装箱侧壁的保护问题。为此，秦皇岛港研发多种散货集装箱侧壁保护装置，基于自重护箱原理的装箱机就是其中之一。如图4所示：装箱机行走小车放到换向平台B上，叉车将20英尺空箱放到换向平台B的小车上，换向平台B与换向平台A一起移动；将换向平台B对准大梁，驱动摩擦轮带动小车进入由梁A、梁B和铰点组成的旋转平台上；人工将集装箱开关门器的动臂端部锁轴器固定在集装箱外侧箱门锁杆上；油缸缩回，由主结构平台、梁B和铰点组成的旋转平台带动集装箱旋转；在旋转过程中，集装箱开关门器旋转，空箱逐渐将质量压到3个传力轮上，传力轮通过杠杆铰点和杠杆机构将力传递给靠板；当空箱旋转到位时，开关门器已将集装箱门打开，3个方向的靠板对集装箱起保护作用；启动筛分上料设备，将集装箱装满后关闭筛分上料设备；开关门器将集装箱门关好，集装箱两侧设置站人平台，由人工将集装箱门锁杆锁紧并封好铅封；油缸伸出，旋转平台回转至零位后驱动摩擦轮带动重载集装箱移动到换向平台B上，由叉车将集装箱卸下，完成1个作业循环。

图4　散货装箱机结构

2.3　设备结构

2.3.1　限位及缓冲机构

当装箱机旋转平台往上旋转时，托板压迫有调节功能的弹簧装置向皮带方向压缩；当靠板完全靠到箱体并施加一定作用力后，集装箱托板接触可调机械限位器，集装箱及托板停止向下移动；当三角构架旋转到55停止时，大倾角波纹挡边皮带机开始供料；集装箱装满后，开关门装置关上箱门，油缸伸出三角构架回转至接时，集装箱及托板对传力轮已无压迫力量，靠板对集装箱施加的压力解除，弹簧装置推动集装箱行走一小段距离；靠板离开集装箱，集装箱在摩擦轮的驱动下行驶到换向平台A。

2.3.2　换向平台机构

装箱机的换向平台机构由底座、2个相互连接的平台、平台驱动装置、行走小车驱动摩擦轮等组成。在正常装箱过程中，与集装箱长度方向轴线重合的换向平台是空的，另外一个换向平台已经装好空箱；当集装箱装满回归零位时，摩擦轮驱动满载重箱移位到换向平台A上；摩擦轮驱动换向平台A和B移位，换向平台A离开三角构架对称轴线，换向平台B载着空箱进入与三角构架重合的位置；空箱和行走小车在摩擦轮的驱动下进入三角构架旋转体内，进入下一个作业循环，在装物料的同时，换向平台A上的重箱被卸到运输车上；然后，运输车上的空箱被移至换向平台A上，等待重新进入三角构架旋转体。

装箱机作业时，其主结构平台由6个支腿支撑，以便在作业时保持稳定。装箱机换场行走由行走轮及换场行走轮通过转向机构来实现，其换向行走则由拖头或装载机通过牵引架来实现。

2.3.3　供料装置

装箱机的供料装置由大倾角波纹挡边皮带机、供料站、支撑柱、伸缩油缸等组成。当正常供料时，大倾角波纹挡边皮带机的倾斜角度为50；当行走换场时，油缸收缩，大倾角波纹挡边皮带机的倾斜角度0，整机重心降低，有利于整机行走的稳定性