隨著全球經(jīng)濟一體化的不斷深入，國際貿(mào)易量持續(xù)增長，促使集裝箱運輸成為海運的主要形式。港口是水陸聯(lián)運的樞紐。集裝箱裝卸效率直接影響港口的吞吐量和競爭力。軌道式集裝箱龍門起重機是港口裝卸的關鍵設備，其性能和可靠性對保障港口生產(chǎn)效率至關重要1。目前，我國軌道式集裝箱龍門起重機制造業(yè)雖取得了長足發(fā)展，但在高端產(chǎn)品領域仍面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)制造工藝存在效率低、精度不高等問題，制約了設備性能的提升。隨著工業(yè)4.0和中國制造2025戰(zhàn)略的實施，智能制造已成大勢所趨。將自動化技術應用于軌道式集裝箱龍門起重機制造，對于提升設備品質(zhì)和增強國際競爭力具有重要意義。

1、軌道式集裝箱龍門起重機概述

1.1結(jié)構(gòu)組成

軌道式集裝箱龍門起重機是由門架、小車、吊具、軌道和電氣控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成的大型港口裝卸設備。門架是起重機的主體結(jié)構(gòu)，采用箱型梁焊接而成，其跨度一般為18～35m,起升高度可超過40m。在門架上設有運行機構(gòu)，通過輪對在軌道上運行，實現(xiàn)起重機的水平移動。小車安裝在門架上，由小車運行機構(gòu)帶動其沿門架橫移。吊具是起吊集裝箱的裝置，通常采用吊具伸縮機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可靈活吊裝集裝箱。起重機的供電來自帶電軌道或電纜卷筒，由18根電纜組成，用于傳輸控制信號。電氣控制系統(tǒng)包括起升、變幅、小車和大車4個傳動系統(tǒng)，可實現(xiàn)單動、聯(lián)動等多種工作模式，并配備防搖擺、防偏載等安全保護裝置。隨著技術進步，軌道式集裝箱龍門起重機的額定起質(zhì)量已從早期的30.5t提高到65.0 t,起升速度從30m·min?1提高到80m·min?1,運行速度從45m·min1提高到150m·min?1,單臺設備年作業(yè)量在15萬～30萬TEU。先進的電氣傳動和控制技術，如交流變頻調(diào)速、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等，大幅提升了設備的可靠性和靈活性。軌道式集裝箱龍門起重機結(jié)構(gòu)復雜、技術含量高，代表了港口裝卸技術的最高水平。

1.2功能特點

軌道式集裝箱龍門起重機是集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的核心設備，具有裝卸效率高、自動化程度高、作業(yè)范圍廣等特點。它具有獨特的軌道式布置，使其能夠在碼頭縱深方向靈活移動，適應不同泊位和貨場的作業(yè)需求。起重機的門架跨度大，可覆蓋2～6列集裝箱和多車道運輸車，單機作業(yè)范圍可達20000 m2。小車可在門架上實現(xiàn)45m·min?1以上的高速橫移，配合高達80 m·min?1的起升速度，使集裝箱在船、車、場間快速流轉(zhuǎn)。先進的吊具定位技術如激光定位、機器視覺等，保證了集裝箱的精確對位和定位，使得定位誤差可控制在±50 mm以內(nèi)。采用模糊比例-積分-微分(Proportion Integral Differential,PID)、自適應控制等智能算法，可實現(xiàn)吊具的防搖控制，有效消除集裝箱擺動，提高裝卸效率和安全性。徑向同步技術可協(xié)調(diào)小車和吊具的運動，使吊具能夠沿理想直線軌跡運動。靈活的操控方式如一鍵式半自動控制、遙控器控制等降低了操作難度。信息化管理系統(tǒng)可實現(xiàn)設備運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、能耗分析等功能，為設備維護和生產(chǎn)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。軌道式集裝箱龍門起重機每小時可裝卸30～40個自然箱，其工作效率是普通門式起重機的1.5～2.0倍，在全球大型集裝箱樞紐港獲得了廣泛應用。隨著自動化技術的不斷發(fā)展，軌道式集裝箱龍門起重機向岸橋協(xié)同作業(yè)、高度智能化的方向發(fā)展，將進一步提升港口的整體運營效率和競爭力。

2、軌道式集裝箱龍門起重機制造工藝現(xiàn)狀問題剖析

當前，我國軌道式集裝箱龍門起重機制造業(yè)雖然取得了長足進步，但在設計、制造、裝配等環(huán)節(jié)仍存在諸多急需解決的問題。在輕量化設計方面，軌道式集裝箱龍門起重機制造主要采用經(jīng)驗公式和有限元分析，難以兼顧復雜結(jié)構(gòu)的強度和質(zhì)量優(yōu)化，致使起重機構(gòu)件冗余，不僅增加了材料成本，還影響了起重性能和能耗。精密加工是制造高端大型起重設備的關鍵，但目前國內(nèi)企業(yè)普遍存在加工設備老舊、工藝水平落后的問題。機加工精度難以滿足日益嚴苛的技術要求，導致零部件互換性差、裝配難度大。在結(jié)構(gòu)件制造方面，人工焊接仍是主流方式。人工焊接存在焊接變形大、效率低等問題，一旦焊接質(zhì)量控制不當，易引發(fā)疲勞開裂等安全事故。自動化焊接設備如焊接機器人的應用程度不高，柔性化、智能化水平有待提高。電氣系統(tǒng)是現(xiàn)代化起重機的“神經(jīng)中樞”,其集成化、模塊化水平直接決定了設備的可靠性和智能化程度。但是，受限于電氣元器件國產(chǎn)化率低、系統(tǒng)集成技術薄弱等因素，許多關鍵部件如變頻器、PLC等高度依賴進口，難以保證系統(tǒng)匹配性和穩(wěn)定性，維護成本高。

3、自動化軌道式集裝箱龍門起重機的制造工藝研究

3.1材料選擇與輕量化設計

材料選擇是軌道式集裝箱龍門起重機制造的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響設備的性能、可靠性和經(jīng)濟性。傳統(tǒng)的起重機主要采用Q235、Q345等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。隨著港口作業(yè)要求的提高，高強度、輕量化材料的應用日益廣泛。汽車起重機行業(yè)廣泛采用的高強度鋼如WELDOX900、STRENX700等，屈服強度在700～900 MPa,較普通鋼材提高1～2倍，在滿足強度要求的同時顯著降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外，鋁合金材料憑借其密度低、比強度高的優(yōu)勢，在起重機的輕量化設計中得到了越來越多的應用。6005A-T6、6061-T6等鋁合金廣泛用于小車結(jié)構(gòu)、平臺等部件，與鋼材相比，質(zhì)量可減輕40%～50%。復合材料如碳纖維復合材料，其比強度、比剛度遠超金屬材料。雖然該材料成本較高，但是在起升機構(gòu)、吊具等關鍵部件中已有應用。表1為典型的輕量化材料及其性能參數(shù)。

表1典型的輕量化材料及其性能參數(shù)

軌道式集裝箱龍門起重機的輕量化設計，是在保證起重性能和安全性的前提下，最大限度地減輕起重機的質(zhì)量，提高起重效率和運行穩(wěn)定性。主梁是龍門吊的最大承力構(gòu)件，其輕量化設計至關重要。通過拓撲優(yōu)化和參數(shù)化設計，優(yōu)化主梁的截面形狀和尺寸，在不降低強度和剛度的情況下，可減輕10%～20%的質(zhì)量。采用高強度鋼材和焊接新工藝，可進一步降低主梁的質(zhì)量。在小車結(jié)構(gòu)設計中，采用鋁合金材替代傳統(tǒng)鋼材，通過優(yōu)化型材截面等方式，可減少30%～40%的質(zhì)量。吊具作為起重機的易損部件，采用碳纖維復合材料，配合功能模塊化和快速裝拆設計，不僅降低了質(zhì)量，還大幅提高了維修效率。此外，在大車運行機構(gòu)、小車運行機構(gòu)等傳動部件中，采用輕量化減速機、鋁合金車輪等，可進一步降低設備的自身質(zhì)量。

3.2精密加工工藝

精密加工是保證軌道式集裝箱龍門起重機精度和性能的關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的機加工方法如銑削、切削、磨削等，已難以滿足日益嚴苛的精度要求。為了實現(xiàn)起重機關鍵部件的高精度制造，數(shù)控加工技術得到廣泛應用。數(shù)控銑削可通過優(yōu)化刀具路徑和切削參數(shù)，實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的高效、高精度加工，如主梁吊耳的加工精度可達IT6級。五軸聯(lián)動加工中心可一次完成多個面的加工，減少了工件裝夾次數(shù)，定位精度可達0.01 mm,廣泛應用于起重機的回轉(zhuǎn)支承、萬向節(jié)等部件的加工。

此外，高速切削技術通過提高主軸轉(zhuǎn)速，配合特種刀具材料如立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,CBN)、聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride,PCBN)等，可將切削速度提高5～10倍，顯著提升加工效率和表面質(zhì)量。以高速銑削加工主梁端梁連接板為例，設置主軸轉(zhuǎn)速為24000 r·min?1、進給速度為7m·min?1時，可將加工時間縮短2/3,且加工表面粗糙度可低于0.8μm。

精密磨削技術如無心磨削、曲軸磨削等，可實現(xiàn)圓柱、軸類等回轉(zhuǎn)體的高精度加工，如小車輪軸的加工精度可達IT4級，圓度、圓柱度誤差小于5μm。激光加工以其熱影響區(qū)小、加工精度高的特點，在主梁接頭的焊前預處理、吊具銷孔的精密加工中獲得了廣泛應用，可將接頭間隙控制在0.05～0.10 mm。總之，合理應用精密加工技術，可從宏觀和微觀兩個層面保證軌道式集裝箱龍門起重機的加工精度，為實現(xiàn)部件互換、裝配自動化奠定基礎。

3.3結(jié)構(gòu)件自動化制造

軌道式集裝箱龍門起重機的結(jié)構(gòu)件制造涉及大量的切割、焊接、裝配等工序，而傳統(tǒng)的手工操作模式已無法適應現(xiàn)代化制造的要求。引入自動化制造技術，可顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動強度和生產(chǎn)成本。在結(jié)構(gòu)件制造中，數(shù)控切割和焊接機器人是兩大關鍵技術。數(shù)控等離子切割機可根據(jù)計算機輔助設計(Computer Aided Design,CAD)模型自動生成切割路徑，切割精度為±0.5 mm,且切割速度是手工切割的5～10倍。以主梁腹板的切割為例，采用數(shù)控等離子切割機，可將1塊6 m×2m×20 mm的鋼板切割時間縮短至20 min,且切口平整，無須二次加工。焊接機器人可實現(xiàn)柔性自動化生產(chǎn)，通過離線編程和傳感器技術，自適應完成復雜結(jié)構(gòu)的焊接，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，同時效率是手工焊接的3～5倍。六軸焊接機器人可靈活完成主梁箱體的角焊縫和側(cè)焊縫。采用雙絲埋弧焊工藝，焊接速度可達80 cm·min1,焊縫成型美觀，合格率在98%以上。

在裝配環(huán)節(jié)，柔性裝配生產(chǎn)線和搬運機器人(Automated Guided Vehicle,AGV)小車可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的自動上下料和運輸。數(shù)字化測量技術如激光跟蹤儀可實現(xiàn)零件的高精度定位和在線檢測，裝配效率可提高50%以上。對于大型部件如主梁總成、小車架的裝配，采用柔性工裝夾具和氣動壓緊裝置，可實現(xiàn)±0.2 mm的裝配精度，且生產(chǎn)節(jié)拍可縮短至2h。引入機器視覺和射頻識(Radio Frequency Identification,RFID)等技術，可實現(xiàn)裝配過程的實時監(jiān)控和質(zhì)量追溯。模塊化設計和標準化接口可促進結(jié)構(gòu)件制造的自動化和智能化，如將回轉(zhuǎn)支承設計為標準模塊，可實現(xiàn)自動化裝配和更換。3D打印技術在吊具、緩沖塊等復雜小件制造中的應用，可顯著縮短生產(chǎn)周期，實現(xiàn)按需生產(chǎn)。

3.4電氣系統(tǒng)集成

軌道式集裝箱龍門起重機的電氣系統(tǒng)涉及電源供應、電機拖動、傳感檢測、自動控制等多個子系統(tǒng)。它的集成化和智能化水平直接決定了設備的可靠性和作業(yè)效率。為了提高電氣系統(tǒng)的集成化水平，基于現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)日益得到推廣應用。利用DeviceNet、PROFIBUS等現(xiàn)場總線將各子系統(tǒng)互聯(lián)，可實現(xiàn)設備層和控制層的無縫通信，使得系統(tǒng)響應時間縮短在20 ms以內(nèi)。例如，采用基于EtherCAT的運動控制系統(tǒng)，可將位置環(huán)控制周期縮短為100μs,速度環(huán)和電流環(huán)控制周期縮短為50μs,顯著提高了起升、變幅等機構(gòu)的動態(tài)性能，同時定位精度為±1 mm。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用基于絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的高壓變頻器，配合永磁同步電機，可將系統(tǒng)效率提高到95%以上，較傳統(tǒng)異步電動機系統(tǒng)節(jié)能20%～30%。在智能化方面，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的智能感知和云平臺技術，通過在線監(jiān)測設備的運行狀態(tài)和能耗數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)故障的預測性維護和能效管理。配備遠程診斷和故障自愈功能，可將故障診斷準確率提高到90%以上，平均修復時間縮短50%。

4、結(jié)語

針對當前軌道式集裝箱龍門起重機制造工藝存在的問題，從材料選擇與輕量化設計、精密加工工藝、結(jié)構(gòu)件自動化制造、電氣系統(tǒng)集成4個方面進行深入研究和系統(tǒng)闡述。其中，輕量化材料應用和優(yōu)化設計可有效降低設備的自身質(zhì)量，精密加工技術保障了關鍵部件的制造精度，自動化制造方法提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，電氣系統(tǒng)的集成化和智能化則進一步提升了設備可靠性和運行效率。通過自動化技術在軌道式集裝箱龍門起重機制造各環(huán)節(jié)的融合應用，必將推動我國港口裝卸技術實現(xiàn)跨越式發(fā)展，使之在集約化、自動化、智能化方面達到國際先進水平，并為建設世界一流的智能化綠色港口提供有力的裝備支撐。