电动超高架的设计思路和优点
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摘 要：电动超高架可以解决传统超高架配合不同集装箱吊具使用时的通用性问题，同时又能提高其使用的安全性和便捷性，文章就电动超高架的设计思路和产品优势进行了探讨。
关键词：电动超高架;传统超高架;旋锁;顶销;PLC;太阳能充电
中图分类号：U653.929 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）16-0083-02
Abstract： The electric super viaduct can solve the problem of generality when the traditional super viaduct is used with different container cranes， and at the same time， it can improve the safety and convenience of its use. In this paper， the design idea and product advantages of the electric super viaduct are discussed.
Keywords： electric super viaduct; traditional super viaduct; lock; top pin; PLC; solar charging
1 概述
随着码头起重设备的增多，作为集装箱码头作业过程中至关重要的设备——集装箱吊具，在需要更新和增添时，经常会面临互换性的问题。而本文中提及的超高架，是特种集装箱吊具的一种，英文名Over Height Frame，专门用于起吊框架箱，传统设计的超高架也经常会遇到互换性的问题。
简单描述一下传统超高架，其实就是在集装箱吊具基础上去掉了动力系统、伸缩驱动、开闭锁驱动和导板机构，再把旋锁箱部分向下延伸至2米左右，甚至2.7米左右。当装载的货物高度超出框架箱时，常规集装箱吊具就必须挂一个超高架再去起吊框架箱，由于超高架四条“腿”比较长，吊架可以避开货物的高度实现与框架箱角配件的连接。超高架本身不具备伸缩和开闭锁动作驱动装置，其伸缩完全依靠吊具伸缩的带动，超高架开闭锁动作的实现就略微复杂一些，需要一个激活步骤，即吊具先提起超高架吊离它的底座，再将超高架放到底座的激活孔位上，然后吊具开锁，此时超高架的挂钩会挂上吊具的挂耳，激活步骤完成，激活之后超高架的开闭锁动作会和吊具保持同步。同理，如果想要超高架脱离吊具，必须得反向操作一次。在空载状态超高架连接吊具的时候，吊具和超高架之间依靠四个角的挂钩连接。而不同吊具的挂耳位置和尺寸可能存在不同，此时超高架就会无法通用。
2 设计思路
为了解决超高架的互换性问题，本文作者提出了电动超高架的设计思路，并参与设计制作了实物产品，已投入实际作业中使用，下面就简要介绍一下设计思路。
电动超高架按照功能上大致分为五部分：连接机构，开闭锁驱动机构，控制装置，充电装置，指示装置。
2.1 连接机构
基于常规集装箱吊具旋锁及旋锁间尺寸均按照ISO标准执行，超高架实现通用性就以此为着手点。电动超高架以吊具旋锁作为连接机构，取消传统超高架的挂钩连接方式。
2.2 开闭锁驱动机构
采用电机加减速器驱动超高架开闭锁动作，为了超高架更加灵便地与吊具连接，超高架不用传统的电缆方式供电，而是采用电池为自身供电，故电机采用直流电机，超高架左右两侧各设一套开闭锁驱动机构，每套机构用于驱动单侧两套旋锁。超高架四角每根旋锁位置同常规吊具一样，配备了独立的顶销装置和限位开关检测装置，确保其使用的安全性。
2.3 控制装置
电动超高架拥有一套独立的控制系统，包含PLC、电机控制器和传感器。PLC是整个超高架大脑，通过编制好的程序控制整个超高架的动作和状态指示;电机控制器的作用在于切换开闭锁电机正反转，以及防止机械卡死引起过流造成电机的损坏;传感器分布在超高架四个旋锁附近，用于检测开锁、闭锁、着箱的状态，以及超高架连接机构内，用于检测吊具旋锁开锁和闭锁状态。
2.4 充电装置
前文提到电动超高架的电源取自于自身配备的电池，由于当前锂电池技术的局限，在户外恶劣环境工况下，选用能够胜任的锂电池组的成本相当高，故在此配备铅酸蓄电池较为合情合理。根据计算，一对70Ah的铅酸蓄电池组在正常使用频率下两年内，满电状态可以提供超高架持续使用八小时。为能方便高效地充电，电动超高架配备两组充电装置，一组为太阳能充电装置，不管超高架在使用作业时，还是闲置待机时，只要有足够的气候条件，两块总面积一平方米左右的太阳能充电板都能为蓄电池自动充电;另一组充电装置则是常规的插头充电，超高架对角的两条腿上各有一个插座和显示屏，用于连接供电的插头，并能够显示电量状态，充电器内置于超高架控制箱内，也就是说充电插头并非电源适配器插头，而是普通供电插头就可以提供电源充电。
2.5 指示装置
指示装置是指低功耗型指示灯组，灯组数量可以根据实际需求配置，每组指示灯设计为六个指示灯，分别为四个角的着箱指示、全体开锁、全体闭锁的状态指示。
有了以上五个部分的硬件构成，再来简单介绍一下设计工況：（1）连接和启动。超高架左右两侧各有两套弹簧机构和限位开关组成的检测装置，当吊具落在超高架上闭锁时，锁头压缩弹簧装置使常开的机械限位导通，常闭的感应限位有感应。此处两个限位开关虽然都是在吊具闭锁时被触发，但作用是完全不同的，超高架两侧任一机械限位开关触发，都会使控制系统通电;而感应限位则是作为超高架旋锁的触发信号。（2）伸缩。吊具和超高架正常连接后，超高架可以跟随吊具伸缩。（注意：当超高架有任一顶销信号或者闭锁信号时，不允许司机操作吊具伸缩）（3）开闭锁。每当超高架两侧的感应限位都检测到吊具旋锁从开锁到闭锁时，控制器输出指令给电机控制器，驱动超高架旋锁动作一次（开锁到闭锁或者闭锁到开锁），如超高架没有完全着箱信号，则不触发动作指令。为了保护超高架旋锁电机，如超高架旋锁动作在3秒内不到位，系统自动让旋锁回到上一个状态位置，如需再次让超高架旋锁动作，需操作吊具重新开锁再闭锁一次;如果超高架旋锁不仅3秒内动作未到位，而且自动回位也没能在3秒内到位，系统会做出保护，电机停转，电机单次动作最多持续3秒。超高架有全部顶销信号，但既没开锁信号又没闭锁信号时，吊具闭锁只能触发超高架旋锁开锁动作。（4）手动控制。在对角门腿的显示屏和充电插座位置，配置分别为POWER On、开锁、闭锁、着箱旁路的手动操作按钮，用于紧急故障处理和维修调试。即使不连接吊具的情况下，只要按下POWER ON按钮，超高架就会进入通电状态。超高架在闭锁状态时，按下着箱旁路按钮，系统程序判定从按下按钮起5S内有着箱信号，所有着箱灯都会亮5秒，但不能解除顶销机械联锁，超高架没有闭锁信号时，按此按钮不起作用。（5）休眠和充电。当超高架连续15分钟没有检测到吊具旋锁动作，超高架会自动进入休眠状态，即控制系统断电，指示灯全部熄灭，门腿电量显示屏进入省电模式，但不影响充电装置正常运作。两种充电模式不能同时进行，当手动充电时，继电器会关断太阳能充电系统的回路，以保护太阳能充电装置不被反向电流损坏。（6）指示灯状态显示。每组指示灯由六个灯组成，分两排，排列方式如下： 黄（着箱1）-绿（开锁）-黄（着箱2）
黄（着箱3）-红（闭锁）-黄（着箱4）
虽然只有六个灯，但能够显示多种状态如表1。
3 产品优势
电动超高架从结构组成上要比传统超高架复杂，制作成本也要高出不少，那么除了能解决互换性问题之外，还有如下的价值优势：
（1）免去了传统超高架连接吊具用的挂钩，挂钩方式不仅效率低，挂钩本身有没有完全挂住是没有自动检测手段的，也就是说，在传统超高架与吊具连接操作时不仅需要人观察判定连接的可靠性，而且在使用过程中挂钩脱出或者损坏极容易发生安全事故。而电动超高架采用吊具旋锁连接，其可靠性不言而喻，是传统超高架不能比拟的。（2）电动超高架拥有吊具一样的旋锁和顶销状态检测手段，而传统超高架没法直接检测其旋锁状态，只能通过吊具的旋锁状态推断超高架旋锁的状态，如果中间连杆出现问题，根本没法知晓，存在很大的安全隐患;传统超高架没有直接检测顶销的装置，也就没有电气联锁，安全性上较电动超高架逊色很多。（3）传统超高架必须配合超高架底座才能激活使用，意味着每次使用起来操作比较繁琐，必须两人以上才能够完成，并且需要连同整个底座至使用地点，客户购买时也需要同时购买底座，增加了相应的产品购买成本和运输成本。而电动超高架使用简单，起重机司机单人就能操作，无需地面人员配合;并且电动超高架可以拆成两个门架和一根伸缩梁，组装方便，电气上也采用快速接头连接，便于运输交货，运输成本也低。（4）电动超高架具备完善的状态指示，比起传统超高架没有任何自身状态检测，可谓是进步了很多，可以有效地避免各种作业中的安全事故发生。
4 结束语
以上是对电动超高架设计思路和产品优势的简单介紹，我们可以想象该产品在未来市场的应用前景相当光明，再经过一段时间一系列的测试、使用经验的反馈总结和技术升级（例如电源形式升级，充电形式升级）之后，相信很有希望完全替代传统超高架的存在。
参考文献：
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[2]张延宗，杨瑞，贾志平.港口集装箱吊具的形式和应用[J].集装箱化，2007（09）：8.
[3]王文强.集装箱装卸机械吊具性能及应用分析[J].物流工程与管理，2011（09）：48.
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