36 t普通用門(mén)吊改造為集裝箱專(zhuān)用門(mén)吊的設(shè)計(jì)與計(jì)算

顧勝周 上海鐵路局貨運(yùn)處

36 t普通用門(mén)吊改造為集裝箱專(zhuān)用門(mén)吊的設(shè)計(jì)與計(jì)算

顧勝周 上海鐵路局貨運(yùn)處

通隨著鐵路集裝箱運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，對(duì)集裝箱裝卸作業(yè)的需求越來(lái)越大，原有鐵路貨場(chǎng)的主要裝卸設(shè)備是通用門(mén)式起重機(jī)，套用簡(jiǎn)易吊架來(lái)完成集裝箱裝卸作業(yè)，裝卸車(chē)效率低下，已不能滿(mǎn)足使用要求。為此，以鐵路貨場(chǎng)通用36 t門(mén)式起重機(jī)為基礎(chǔ)，改為集裝箱專(zhuān)用門(mén)式起重機(jī)的改造方案設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，通過(guò)此改造方案，可以基本滿(mǎn)足鐵路貨運(yùn)提高裝卸車(chē)效率、減少箱破的要求，該改造方案的成功實(shí)施同時(shí)為鐵路貨場(chǎng)充分利用原有設(shè)備、減少投資、實(shí)現(xiàn)設(shè)備更新?lián)Q代提供了一個(gè)全新的選擇。

通用門(mén)吊；改造；集裝箱專(zhuān)用門(mén)吊；設(shè)計(jì)與計(jì)算

1 問(wèn)題的提出

鐵路貨場(chǎng)裝卸機(jī)械的配備一般以大型門(mén)式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)吊）為主，輔以小型機(jī)械。門(mén)吊的最大起重量以36 t為最多，而集裝箱運(yùn)輸以20英尺和40英尺為最多，其最大總重為30.48 t（《GB／T 1413-2008集裝箱 分類(lèi)、尺寸和額定質(zhì)量》）。早期鐵路貨場(chǎng)一般配備ZD型簡(jiǎn)易集裝箱吊架，則36 t門(mén)吊吊鉤下最大載荷達(dá)到約35 t，因此36 t門(mén)吊在起吊40英尺集裝箱時(shí)，已處滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)。不過(guò)36 t門(mén)式起重機(jī)配用ZD型吊架，有配備簡(jiǎn)易，自重輕，方便等特點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn)：①集裝箱不能自動(dòng)轉(zhuǎn)向。需要轉(zhuǎn)向時(shí)，靠起重工用牽引繩或長(zhǎng)柄司索鉤牽引，易造成集裝箱碰撞支腿或其它物體，導(dǎo)致貨損或設(shè)備的損壞，甚至造成安全事故；②20英尺和40英尺集裝箱的吊具不通用，需輔助人工更換，如相間作業(yè)，則經(jīng)常更換吊具，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)；③裝卸作業(yè)效率低下，一般專(zhuān)用集裝箱門(mén)吊完成一個(gè)箱次只需2 min左右的，而其則需5 min-6 min，甚至更長(zhǎng)才能完成。

為提高集裝箱裝卸作業(yè)效率，減少由于設(shè)備因素帶來(lái)的貨損、箱損等日益突出的矛盾，上海局決定增配一批鐵路集裝箱專(zhuān)用門(mén)吊，解決長(zhǎng)期以來(lái)設(shè)備裝卸能力不足、作業(yè)效率低下的一系列問(wèn)題。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，目前市售JMD系列集裝箱專(zhuān)用門(mén)吊總價(jià)在900萬(wàn)元以上，顯然集裝箱裝卸作業(yè)全部更新為JMD系列集裝箱專(zhuān)用門(mén)吊從資金投入和經(jīng)濟(jì)效益的投入與產(chǎn)出而言不現(xiàn)實(shí)，也不可行。為此，上海局組織專(zhuān)門(mén)技術(shù)力量會(huì)同有關(guān)科研院校進(jìn)行科研攻關(guān)，決定實(shí)施將原36t通用型門(mén)吊改造成鐵路專(zhuān)用集裝箱門(mén)吊，結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，提出設(shè)備技術(shù)要求如下：

（1）專(zhuān)用門(mén)吊設(shè)計(jì)必須符合國(guó)家的相關(guān)規(guī)范要求和鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩家?guī)。

（2）專(zhuān)用門(mén)吊卸車(chē)效率不低于900 t/h（約合30標(biāo)箱/h）。

（3）專(zhuān)用門(mén)吊配用集裝箱專(zhuān)用吊架，可滿(mǎn)足集裝箱旋轉(zhuǎn)，20英尺、40英尺互換的要求。

（4）專(zhuān)用門(mén)吊有效懸臂為7 m時(shí)，能滿(mǎn)足40英尺集裝箱在懸臂端轉(zhuǎn)向要求。

2 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

通過(guò)論證和研究，確定項(xiàng)目的技術(shù)方案：

（1）項(xiàng)目主體方案采用鐵路貨場(chǎng)XD36-00U型通用門(mén)式起重機(jī)，小車(chē)軌距為8 m、有效懸臂為8 m門(mén)式起重機(jī)，該機(jī)型能滿(mǎn)足40英尺集裝箱在懸臂端轉(zhuǎn)向。

（2）起升機(jī)構(gòu)整體布局為定制QJRSD560減速箱帶φ700雙卷筒。

（3）防搖裝置采用XWY5-35-5.5傳動(dòng)裝置帶4組φ270防搖卷筒。

（4）整機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)根據(jù)驗(yàn)算結(jié)論確定加強(qiáng)方案。

（5）整機(jī)電控系統(tǒng)采用全變頻控制。

3 項(xiàng)目實(shí)施方案

因本項(xiàng)目方案主體XD36-00U型通用門(mén)吊為鐵路貨場(chǎng)成熟機(jī)型，本文主要介紹在主體為XD36-00U型通用門(mén)吊基礎(chǔ)上進(jìn)行改造時(shí)門(mén)架結(jié)構(gòu)的主梁強(qiáng)度驗(yàn)算及起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1 門(mén)架結(jié)構(gòu)的主梁強(qiáng)度驗(yàn)算

3.1.1 改造后32 t集裝箱專(zhuān)用門(mén)式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

起重量Q起=32 t（額定載荷）+8.5 t（吊架自重）=40.5 t小車(chē)自重G小=23 t主梁總長(zhǎng)L0=48 m

跨度LK=26 m懸臂L1=11 m有效懸臂l=8 m

3.1.2 校核計(jì)算

（1）校核計(jì)算原則：根據(jù)對(duì)原門(mén)式起重機(jī)的檢測(cè)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為支腿、上橫梁、下橫梁的富余量都較大，只要主梁校核計(jì)算通過(guò)，則認(rèn)為原門(mén)式起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合改造要求。

（2）主梁按改造后工況校核計(jì)算：以原主梁的截面技術(shù)參數(shù)，按現(xiàn)有的工況進(jìn)行校核計(jì)算，以確定主梁是否能在設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)承載。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于大跨度、長(zhǎng)懸臂的門(mén)吊如果剛性計(jì)算能通過(guò)，強(qiáng)度計(jì)算就可以通過(guò)，本門(mén)吊跨度26 m、懸臂11 m就適用此類(lèi)經(jīng)驗(yàn)，所以下面對(duì)該門(mén)吊主梁的剛度進(jìn)行驗(yàn)算。

①主梁截面技術(shù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 主梁截面技術(shù)參數(shù)

圖2 支腿截面技術(shù)參數(shù)

根據(jù)該門(mén)吊結(jié)構(gòu)應(yīng)按一次超靜定計(jì)算:

小車(chē)位于跨中時(shí)主梁在跨中的撓度

小車(chē)位于懸臂時(shí)主梁在懸臂端的撓度

3.1.3 結(jié)論

根據(jù)校核結(jié)果，原門(mén)吊主梁截面尺寸，無(wú)需作變動(dòng)就可滿(mǎn)足改造后工況要求。考慮到本項(xiàng)目為在原有機(jī)型36 t通用門(mén)式起重機(jī)上改造為32 t集裝箱專(zhuān)用門(mén)吊，其主梁承載負(fù)荷有所提高，主梁小車(chē)軌道上總負(fù)荷（小車(chē)自重+吊架自重+吊重負(fù)荷）從原來(lái)的55 t提高到改造后的63.5 t，綜合西南交通大學(xué)機(jī)械工程研究所建議及其有限元方法分析校核計(jì)算結(jié)果、《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008》及相關(guān)要求，增加采用XD36-01-00A主梁加強(qiáng)方案（如圖3所示），加強(qiáng)后的32 t-26 m集裝箱門(mén)式起重機(jī)的門(mén)架結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力及變形均在許用范圍以?xún)?nèi)，門(mén)架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度均滿(mǎn)足使用要求。

西南交通大學(xué)機(jī)械工程研究所在進(jìn)行有限元分析校核計(jì)算時(shí)，對(duì)整機(jī)無(wú)風(fēng)靜載和有風(fēng)動(dòng)載工況以及非工作狀態(tài)的暴風(fēng)工況三種工況下的抗傾覆穩(wěn)定性同時(shí)進(jìn)行了校核計(jì)算，結(jié)論為滿(mǎn)足要求，能夠通過(guò)穩(wěn)定性校核。

圖3 主梁加強(qiáng)方案示意圖

3.2 集裝箱小車(chē)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

本方案設(shè)計(jì)為起升機(jī)構(gòu)配用集裝箱專(zhuān)用吊架，配用吊架自重8.5 t，為常州振華港機(jī)制造，產(chǎn)品型號(hào)SR-FLER-B119，產(chǎn)品性能為全電動(dòng)、全旋轉(zhuǎn)、可伸縮吊具，吊具下起重量32 t，吊具下起升高度為9 m，可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)集裝箱“堆二過(guò)三”，配備

的專(zhuān)用集裝箱吊具可起吊20英尺集裝箱和40英尺集裝箱。起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下：

3.2.1 起升機(jī)構(gòu)方案

原起升機(jī)構(gòu)為：電動(dòng)機(jī)-軟齒面單出軸減速器-單卷筒結(jié)構(gòu)，現(xiàn)改為：電動(dòng)機(jī)-中硬齒面雙出軸減速器-雙卷筒結(jié)構(gòu)，原電機(jī)整修后可以繼續(xù)利用。新增中硬齒面減速器一臺(tái)，φ500制動(dòng)器一臺(tái)，Φ700×L1350卷筒二套，24NAT6×19W+ FC1670ZS317鋼絲繩四套。改造前后起升機(jī)構(gòu)部分技術(shù)參數(shù)對(duì)照如表1所示。

3.2.2 主要部件的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算

（1）鋼絲繩的選用與強(qiáng)度校核計(jì)算

①鋼絲繩最大拉力Smax：

式中：Q--額定起升載荷，Q=320 kN；

Q0--吊具重量，Q0=85 kN；

α--進(jìn)入卷筒的鋼絲繩分支數(shù)，對(duì)于雙聯(lián)卷筒，α= 2；

q--滑輪組倍率，q=4；

ηh--滑輪組效率，ηh=0.99。

②鋼絲繩選擇

選擇24NAT6×19W+FC1670ZS317鋼絲繩，d=24 mm，鋼絲繩破斷拉力S0=317 kN，

,校核通過(guò)。

鋼絲繩型號(hào)為：24NAT6×19W+FC1670ZS 317

（2）卷筒的設(shè)計(jì)與起升速度的驗(yàn)算

①卷筒直徑

取D0=700 mm（卷筒名義直徑），卷繞直徑D=700+24= 724 mm

②卷筒轉(zhuǎn)速：

式中：υ--起升速度，υ=10.4 m/min。

（3）電動(dòng)機(jī)的功率的校核

①機(jī)構(gòu)效率

減速機(jī)效率：ηj=0.95

卷筒效率：ηt=0.98

機(jī)構(gòu)效率：η=ηj ηt ηh=0.95×0.98×0.99=0.92②電動(dòng)機(jī)靜功率

電動(dòng)機(jī)靜功率：

選擇電動(dòng)機(jī)為YZB315S-8,Ne=75kW,ne=735 r/min，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tm=3.1。

③電動(dòng)機(jī)過(guò)載驗(yàn)算

式中：H--系數(shù)，取H=2.2；

m--電動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)，m=1；

④電動(dòng)機(jī)發(fā)熱驗(yàn)算

式中：G--穩(wěn)態(tài)系數(shù)，對(duì)于起升機(jī)構(gòu)，G=0.8；

（4）傳動(dòng)比的計(jì)算與減速機(jī)選用

②減速器：按QJRSD560-80-IX C減速器考慮，減速機(jī)實(shí)際傳動(dòng)比is=78.54，工作級(jí)別M5時(shí)的許用功率為55 kW,輸出扭矩為60 kN·m。

（5）制動(dòng)力矩的計(jì)算與制動(dòng)器選擇

制動(dòng)器按2個(gè)計(jì)算，計(jì)算制動(dòng)力矩：

式中：k--安全系數(shù)，k=1.25；

η'--制動(dòng)時(shí)的機(jī)構(gòu)效率，η'≈η=0.92；

選擇制動(dòng)器YWZ4-500/200,制動(dòng)力矩3 150 N·m。

3.3 大、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)大、小車(chē)輪壓計(jì)算、電機(jī)功率及過(guò)載、發(fā)熱驗(yàn)算，以及減速器速比、機(jī)構(gòu)效率、制動(dòng)力矩等數(shù)據(jù)校驗(yàn)（計(jì)算過(guò)程同上，不再列舉），大、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)基本符合設(shè)計(jì)要求，只需大修處理。即原大車(chē)運(yùn)行不設(shè)防風(fēng)制動(dòng)，根據(jù)《鐵路裝卸設(shè)備技術(shù)規(guī)范》，本方案設(shè)計(jì)將大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)改為二級(jí)制動(dòng)，原電機(jī)YZ180單出軸改為YZ180雙出軸，增設(shè)防風(fēng)制動(dòng)。需增加Φ300制動(dòng)輪4只，YWZ-300/45制動(dòng)器4臺(tái)。

3.4 吊具的選用

根據(jù)現(xiàn)有集裝箱吊具的選配，常州振華港機(jī)制造的SRFLER-B119集裝箱專(zhuān)用吊具，其重量、20英尺/40英尺自動(dòng)伸縮裝置等符合本門(mén)吊的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

按此方案，我局已對(duì)3臺(tái)36 t通用門(mén)吊實(shí)施了項(xiàng)目改造，使用單位經(jīng)半年以上使用，總體反映設(shè)計(jì)新型、構(gòu)思輕巧、制作精良、使用方便。由于在本方案設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，要求改造單位起升用中硬齒面減速器、集裝箱專(zhuān)用吊架，同時(shí)采用好的品牌配套機(jī)電產(chǎn)品，使得整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小，保證了設(shè)備的使用性能和可靠性。從根本上改變了由XD36通用門(mén)吊加ZD型簡(jiǎn)易吊架的傳統(tǒng)作業(yè)效率低下的集裝箱裝卸車(chē)方式，技術(shù)上取得了較大突破，且整機(jī)改造的費(fèi)用僅為JMD集裝箱專(zhuān)用門(mén)式起重機(jī)的20%，能在取得較好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)大幅提高裝卸車(chē)作業(yè)效率，為鐵路貨場(chǎng)設(shè)備升級(jí)換代，充分利用現(xiàn)有資源，最大限度發(fā)揮作用，做了有益的嘗試。

[1]《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1980年3月.

[2]王金諾，曲季浦.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu).西南交通大學(xué)，1980年11月.

[3]張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，包起帆.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).鐵道出版社，1998年3月.

責(zé)任編輯：宋 飛

來(lái)稿時(shí)間：2015-02-09