基于自动化技术的轨道式集装箱龙门起重机制造工艺研究

随着全球经济一体化的不断深入，国际贸易量持续增长，促使集装箱运输成为海运的主要形式。港口是水陆联运的枢纽。集装箱装卸效率直接影响港口的吞吐量和竞争力。轨道式集装箱龙门起重机是港口装卸的关键设备，其性能和可靠性对保障港口生产效率至关重要1。目前，我国轨道式集装箱龙门起重机制造业虽取得了长足发展，但在高端产品领域仍面临诸多挑战。传统制造工艺存在效率低、精度不高等问题，制约了设备性能的提升。随着工业4.0和中国制造2025战略的实施，智能制造已成大势所趋。将自动化技术应用于轨道式集装箱龙门起重机制造，对于提升设备品质和增强国际竞争力具有重要意义。

1、轨道式集装箱龙门起重机概述

1.1结构组成

轨道式集装箱龙门起重机是由门架、小车、吊具、轨道和电气控制系统等部分构成的大型港口装卸设备。门架是起重机的主体结构，采用箱型梁焊接而成，其跨度一般为18～35m,起升高度可超过40m。在门架上设有运行机构，通过轮对在轨道上运行，实现起重机的水平移动。小车安装在门架上，由小车运行机构带动其沿门架横移。吊具是起吊集装箱的装置，通常采用吊具伸缩机构和旋转机构，可灵活吊装集装箱。起重机的供电来自带电轨道或电缆卷筒，由18根电缆组成，用于传输控制信号。电气控制系统包括起升、变幅、小车和大车4个传动系统，可实现单动、联动等多种工作模式，并配备防摇摆、防偏载等安全保护装置。随着技术进步，轨道式集装箱龙门起重机的额定起质量已从早期的30.5t提高到65.0 t,起升速度从30m·min⁻¹提高到80m·min⁻¹,运行速度从45m·min¹提高到150m·min⁻¹,单台设备年作业量在15万～30万TEU。先进的电气传动和控制技术，如交流变频调速、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等，大幅提升了设备的可靠性和灵活性。轨道式集装箱龙门起重机结构复杂、技术含量高，代表了港口装卸技术的最高水平。

1.2功能特点

轨道式集装箱龙门起重机是集装箱码头装卸作业的核心设备，具有装卸效率高、自动化程度高、作业范围广等特点。它具有独特的轨道式布置，使其能够在码头纵深方向灵活移动，适应不同泊位和货场的作业需求。起重机的门架跨度大，可覆盖2～6列集装箱和多车道运输车，单机作业范围可达20000 m²。小车可在门架上实现45m·min⁻¹以上的高速横移，配合高达80 m·min⁻¹的起升速度，使集装箱在船、车、场间快速流转。先进的吊具定位技术如激光定位、机器视觉等，保证了集装箱的精确对位和定位，使得定位误差可控制在±50 mm以内。采用模糊比例-积分-微分(Proportion Integral Differential,PID)、自适应控制等智能算法，可实现吊具的防摇控制，有效消除集装箱摆动，提高装卸效率和安全性。径向同步技术可协调小车和吊具的运动，使吊具能够沿理想直线轨迹运动。灵活的操控方式如一键式半自动控制、遥控器控制等降低了操作难度。信息化管理系统可实现设备运行状态监测、故障诊断、能耗分析等功能，为设备维护和生产调度提供数据支持。轨道式集装箱龙门起重机每小时可装卸30～40个自然箱，其工作效率是普通门式起重机的1.5～2.0倍，在全球大型集装箱枢纽港获得了广泛应用。随着自动化技术的不断发展，轨道式集装箱龙门起重机向岸桥协同作业、高度智能化的方向发展，将进一步提升港口的整体运营效率和竞争力。

2、轨道式集装箱龙门起重机制造工艺现状问题剖析

当前，我国轨道式集装箱龙门起重机制造业虽然取得了长足进步，但在设计、制造、装配等环节仍存在诸多急需解决的问题。在轻量化设计方面，轨道式集装箱龙门起重机制造主要采用经验公式和有限元分析，难以兼顾复杂结构的强度和质量优化，致使起重机构件冗余，不仅增加了材料成本，还影响了起重性能和能耗。精密加工是制造高端大型起重设备的关键，但目前国内企业普遍存在加工设备老旧、工艺水平落后的问题。机加工精度难以满足日益严苛的技术要求，导致零部件互换性差、装配难度大。在结构件制造方面，人工焊接仍是主流方式。人工焊接存在焊接变形大、效率低等问题，一旦焊接质量控制不当，易引发疲劳开裂等安全事故。自动化焊接设备如焊接机器人的应用程度不高，柔性化、智能化水平有待提高。电气系统是现代化起重机的“神经中枢”,其集成化、模块化水平直接决定了设备的可靠性和智能化程度。但是，受限于电气元器件国产化率低、系统集成技术薄弱等因素，许多关键部件如变频器、PLC等高度依赖进口，难以保证系统匹配性和稳定性，维护成本高。

3、自动化轨道式集装箱龙门起重机的制造工艺研究

3.1材料选择与轻量化设计

材料选择是轨道式集装箱龙门起重机制造的关键环节，直接影响设备的性能、可靠性和经济性。传统的起重机主要采用Q235、Q345等普通碳素结构钢。随着港口作业要求的提高，高强度、轻量化材料的应用日益广泛。汽车起重机行业广泛采用的高强度钢如WELDOX900、STRENX700等，屈服强度在700～900 MPa,较普通钢材提高1～2倍，在满足强度要求的同时显著降低了结构质量。此外，铝合金材料凭借其密度低、比强度高的优势，在起重机的轻量化设计中得到了越来越多的应用。6005A-T6、6061-T6等铝合金广泛用于小车结构、平台等部件，与钢材相比，质量可减轻40%～50%。复合材料如碳纤维复合材料，其比强度、比刚度远超金属材料。虽然该材料成本较高，但是在起升机构、吊具等关键部件中已有应用。表1为典型的轻量化材料及其性能参数。

表1典型的轻量化材料及其性能参数

轨道式集装箱龙门起重机的轻量化设计，是在保证起重性能和安全性的前提下，最大限度地减轻起重机的质量，提高起重效率和运行稳定性。主梁是龙门吊的最大承力构件，其轻量化设计至关重要。通过拓扑优化和参数化设计，优化主梁的截面形状和尺寸，在不降低强度和刚度的情况下，可减轻10%～20%的质量。采用高强度钢材和焊接新工艺，可进一步降低主梁的质量。在小车结构设计中，采用铝合金材替代传统钢材，通过优化型材截面等方式，可减少30%～40%的质量。吊具作为起重机的易损部件，采用碳纤维复合材料，配合功能模块化和快速装拆设计，不仅降低了质量，还大幅提高了维修效率。此外，在大车运行机构、小车运行机构等传动部件中，采用轻量化减速机、铝合金车轮等，可进一步降低设备的自身质量。

3.2精密加工工艺

精密加工是保证轨道式集装箱龙门起重机精度和性能的关键环节。传统的机加工方法如铣削、切削、磨削等，已难以满足日益严苛的精度要求。为了实现起重机关键部件的高精度制造，数控加工技术得到广泛应用。数控铣削可通过优化刀具路径和切削参数，实现复杂结构的高效、高精度加工，如主梁吊耳的加工精度可达IT6级。五轴联动加工中心可一次完成多个面的加工，减少了工件装夹次数，定位精度可达0.01 mm,广泛应用于起重机的回转支承、万向节等部件的加工。

此外，高速切削技术通过提高主轴转速，配合特种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，可将切削速度提高5～10倍，显著提升加工效率和表面质量。以高速铣削加工主梁端梁连接板为例，设置主轴转速为24000 r·min⁻¹、进给速度为7m·min⁻¹时，可将加工时间缩短2/3,且加工表面粗糙度可低于0.8μm。

精密磨削技术如无心磨削、曲轴磨削等，可实现圆柱、轴类等回转体的高精度加工，如小车轮轴的加工精度可达IT4级，圆度、圆柱度误差小于5μm。激光加工以其热影响区小、加工精度高的特点，在主梁接头的焊前预处理、吊具销孔的精密加工中获得了广泛应用，可将接头间隙控制在0.05～0.10 mm。总之，合理应用精密加工技术，可从宏观和微观两个层面保证轨道式集装箱龙门起重机的加工精度，为实现部件互换、装配自动化奠定基础。

3.3结构件自动化制造

轨道式集装箱龙门起重机的结构件制造涉及大量的切割、焊接、装配等工序，而传统的手工操作模式已无法适应现代化制造的要求。引入自动化制造技术，可显著提高生产效率和产品质量，降低劳动强度和生产成本。在结构件制造中，数控切割和焊接机器人是两大关键技术。数控等离子切割机可根据计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)模型自动生成切割路径，切割精度为±0.5 mm,且切割速度是手工切割的5～10倍。以主梁腹板的切割为例，采用数控等离子切割机，可将1块6 m×2m×20 mm的钢板切割时间缩短至20 min,且切口平整，无须二次加工。焊接机器人可实现柔性自动化生产，通过离线编程和传感器技术，自适应完成复杂结构的焊接，且焊接质量稳定，同时效率是手工焊接的3～5倍。六轴焊接机器人可灵活完成主梁箱体的角焊缝和侧焊缝。采用双丝埋弧焊工艺，焊接速度可达80 cm·min¹,焊缝成型美观，合格率在98%以上。

在装配环节，柔性装配生产线和搬运机器人(Automated Guided Vehicle,AGV)小车可实现结构件的自动上下料和运输。数字化测量技术如激光跟踪仪可实现零件的高精度定位和在线检测，装配效率可提高50%以上。对于大型部件如主梁总成、小车架的装配，采用柔性工装夹具和气动压紧装置，可实现±0.2 mm的装配精度，且生产节拍可缩短至2h。引入机器视觉和射频识(Radio Frequency Identification,RFID)等技术，可实现装配过程的实时监控和质量追溯。模块化设计和标准化接口可促进结构件制造的自动化和智能化，如将回转支承设计为标准模块，可实现自动化装配和更换。3D打印技术在吊具、缓冲块等复杂小件制造中的应用，可显著缩短生产周期，实现按需生产。

3.4电气系统集成

轨道式集装箱龙门起重机的电气系统涉及电源供应、电机拖动、传感检测、自动控制等多个子系统。它的集成化和智能化水平直接决定了设备的可靠性和作业效率。为了提高电气系统的集成化水平，基于现场总线和以太网技术的网络化控制系统日益得到推广应用。利用DeviceNet、PROFIBUS等现场总线将各子系统互联，可实现设备层和控制层的无缝通信，使得系统响应时间缩短在20 ms以内。例如，采用基于EtherCAT的运动控制系统，可将位置环控制周期缩短为100μs,速度环和电流环控制周期缩短为50μs,显著提高了起升、变幅等机构的动态性能，同时定位精度为±1 mm。在变频调速系统中，采用基于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的高压变频器，配合永磁同步电机，可将系统效率提高到95%以上，较传统异步电动机系统节能20%～30%。在智能化方面，采用基于物联网的智能感知和云平台技术，通过在线监测设备的运行状态和能耗数据，可实现故障的预测性维护和能效管理。配备远程诊断和故障自愈功能，可将故障诊断准确率提高到90%以上，平均修复时间缩短50%。

4、结语

针对当前轨道式集装箱龙门起重机制造工艺存在的问题，从材料选择与轻量化设计、精密加工工艺、结构件自动化制造、电气系统集成4个方面进行深入研究和系统阐述。其中，轻量化材料应用和优化设计可有效降低设备的自身质量，精密加工技术保障了关键部件的制造精度，自动化制造方法提高了生产效率和质量，电气系统的集成化和智能化则进一步提升了设备可靠性和运行效率。通过自动化技术在轨道式集装箱龙门起重机制造各环节的融合应用，必将推动我国港口装卸技术实现跨越式发展，使之在集约化、自动化、智能化方面达到国际先进水平，并为建设世界一流的智能化绿色港口提供有力的装备支撑。