太仓武港码头有限公司 陈利钿

摘 要：研发一款适用于码头的新型绞缆机，辅助大型船舶靠离泊系解缆工作，该绞缆机以锂电池为动力，使用远控方式，具备自动行走、卷缆功能。本项目在提高码头系解缆效率的同时降低了人工操作缆绳时的安全风险。
关键词：码头；靠泊；系解缆；绞缆机

0 引言
在外轮靠泊过程中,需要将外轮船舶缆绳的一端运送到岸上,再由岸上的水手将缆绳的琵琶头套挂至岸上的缆桩。将缆绳运送至岸上主要通过船员抛投撇缆，再由水手人工牵引撇缆完成。该系缆过程每条船需要码头12名水手配合，耗时1小时完成。这种系缆方式费时费力，具有一定的人员落水隐患，并且不符合“绿色码头、智慧码头”的建设标准。
为了响应习总书记关于生产安全的重要指示精神，落实太仓武港码头安全生产主体责任，积极拥护我司“绿色码头、智慧码头”的建设项目，我们考虑自主设计研发一种自动卷缆装置，通过此装置将撇缆拉到缆桩附近，再由水手把绳结套上。
本次研发旨在简化码头系缆过程，降低系缆安全风险，同时解放水手劳动力，加速靠泊速度，提高公司卸船效率，提升客户满意度。

1 设计理念
1.1.自动化操作：该装置应能够实现自动化操作，减少人力参与，提高系揽效率。
1.2.安全性：该装置在设计时应充分考虑安全性因素，避免在操作过程中对船舶和码头设备造成损坏。
1.3.灵活性：该装置应具有一定的灵活性，能够适应不同大小的船舶和不同类型的码头。
1.4.耐用性：该装置应具有较高的耐用性，能够长期保持良好的工作状态。
1.5.易维护：该装置在设计时应考虑到维护的方便性，降低维护成本。
2 设计方案
本装置主要包括行走机构、回转机构、能量动力管理系统、系缆系统、控制系统五个部分组成。
其中，行走机构的作用是系缆装置的载重负载行走平台，可根据不同的工况、路况采用轮式、履带式或者车载式。
针对于路况平整，狭小道路为主的散杂码头，可采用轮式行走机构。其特点是，可以快速在平整狭小空间内转弯、调头；针对于路况平整，道路宽阔的集装箱码头，可采用车载式行走机构。其特点是可以放置在皮卡车后斗或者叉车等平台上，快速改装，可以快速的在码头上移动，方便快捷；针对于路况复杂的散货码头，可采用履带式行走机构。其特点是，可以针对复杂的道路环境，可以安全平稳的通过。
回转机构的作用是，可以使得行走机构可以以任意角度停放在缆绳桩头附近，只需要将回转机构上的系缆系统旋转至特定的角度即可，减少了场地的空间需求。
能量动力管理系统的作用是给装置提供动力的装置，可分为蓄电池和发动机两种。蓄电池式可以采用充放电的形式，节能环保。发动机可采用汽、柴油，为整套装置提供动力来源，方便快捷。
系缆系统主要由自动排绳器、电动绞车组成。自动排绳器的作用是绞车在运行中，系缆绳有序叠放至绞车筒体，防止系缆绳发生打结现象发生。电动绞车的作用是将系缆绳与之连接，然后通过绞车将系缆绳拖卷上来。
控制系统主要作用是通过PLC控制整套系统的行走，机构的回转，能量管理及绞车的动作。
3 参数设计
根据现场卸船机轨道内外侧空间，确定卷缆机外形尺寸
长：150cm
宽：80cm

根据现场带缆经验，以6人带一根缆绳计算，平均每人提供50公斤拉力
卷扬机拉力：F=6*50*9.8=2940N
绞盘直径：D=30cm
绞盘转速：n=30rpm
卷缆功率：

单船卷缆工作时长：30min
单船卷缆能耗：692.5Wh
卷缆车自重：W=1600kg
卷缆车行走速度：v=4km/h
履带与地面摩擦系数取μ=0.5
卷缆车行走功率：

单船卷缆车行走能耗：444.5Wh
单机单船带缆能耗W=692.5+444.5=1137Wh
锂电池能量密度：150Wh/kg
锂电池最低重量：7.58kg

其他：
采用橡胶履带底盘设计，能够在复杂或不易到达的环境中进行运输和操作。其履带设计可以提供良好的地面适应性，能够在复杂地形中行进，保证良好的移动性能。同时，由于底盘重心低、支撑面积大，不易发生倾覆或滑动。
卷揽装置设有拉力传感器，能够实时监测缆绳的受力情况，当受力超过一定阈值时，能够及时发出警报并释放缆绳，避免缆绳断裂或其他突发状况的发生，从而提高设备的安全性。
整车采用三元铁锂磷酸电池作为整车的动力来源，减少噪音和污染，符合当下绿色航运的发展趋势。
整车设有过载保护、短路保护等安全功能，确保设备、水手及船员的安全。
本装置设有机侧操作及遥控操作两种模式，采用CAN总线通信协议，可以满足小车、卷揽装置、摇杆等实时通信。

图1 移动式绞缆机示意图

4 项目实施效果
以我公司20万吨级散货码头为例，传统人工系缆作业，当一条船舶靠岸时，为提高系缆效率，需要2组水手同时前往船艏、船艉系缆桩位置进行系缆作业，每组水手6人，共需12人。
使用电动履带式卷缆小车后，人、机结合只需配备2辆卷缆小车，每辆卷缆小车配水手3人，共需6人即可完成系缆作业。
应用电动履带式卷缆小车后，所需的系缆人员减少到传统拉缆工艺的1/2，共减少系缆水手6人。以人工成本以每人6000元/月计算，每年可节省人工费用43.2万元。
码头系缆作业比较频繁，通过人工将缆绳拖拽至岸边，危险性大，容易引发人员落水、拉伤跌落等意外的安全生产事故发生，而使用本卷缆小车后，系缆水手只需辅助作业即可，劳动强度大大降低，同时极大地提高了系缆效率和保证了人员的安全，相应也可减少潜在的安全生产事故发生带来的损失。由此计算，当投入本产品设备后，我们即可半年收回设备成本，具有较高的投资回报率。

图2 移动式绞缆机成品

①机侧摇杆 ②车载大灯 ③车载电源开关 ④车载电源余量显示
⑤遥控器 ⑥调速旋钮 ⑦转盘倒顺开⑧前大灯开关 ⑨后大灯开关

图3 移动式绞缆机现场操作照片

5 创新点综述
本项目在国内外属于首次设计研发，创新点如下：
(1)安全性：绞缆机具备远控功能，无需水手在岸边手动带缆，极大降低了人员落水、拉伤跌落等意外的安全生产事故发生的可能性，码头带缆作业安全性得到极大的提高；
(2)高效率：绞缆机具备电驱动行走、收放缆功能，具备4km/h行走速度，提供2940N带缆能力，30m/min收缆速度，相较于人工收缆，使用绞缆机不仅减轻工人劳动强度，收缆效率同样得到较大提高，30分钟即可完成一条常规船舶6根缆绳的系缆任务；
(3)低成本：应用电动履带式绞缆机后，所需的系缆人员减少到传统拉缆工艺的 1/2，可减少系缆水手6人，减少人力成本的开支，属于一次投入长期收益的研发项目。
(4)绿色环保：绞缆机使用电池及电机作为动力驱动，尾气排放及碳排放量均为零，为公司绿色发展提供有力支持。

6 结语
本设计从解决码头大型船舶靠离泊带缆问题着手，自主设计了一款全新的移动式绞缆设备，该设备具备码头带缆所需的行走、收放缆能力，根据现场人工带缆经验，确定了卷缆小车的各项参数，完成生产制造后，该绞缆机进行了实地操作，运行测试效果良好。这款集远控、自动行走、卷缆功能于一体的带缆辅助设备在国内外属于首次设计研发，该设备采用国产的零部件，合理的结构设计，先进的自动化控制技术，使得设备具有紧凑、轻便、易于维护等特点，方便码头的使用和管理，本设计目前已获得国家实用新型专利。