36 t普通用門吊改造為集裝箱專用門吊的設計與計算

顧勝周 上海鐵路局貨運處

36 t普通用門吊改造為集裝箱專用門吊的設計與計算

顧勝周 上海鐵路局貨運處

通隨著鐵路集裝箱運輸的不斷發展，對集裝箱裝卸作業的需求越來越大，原有鐵路貨場的主要裝卸設備是通用門式起重機，套用簡易吊架來完成集裝箱裝卸作業，裝卸車效率低下，已不能滿足使用要求。為此，以鐵路貨場通用36 t門式起重機為基礎，改為集裝箱專用門式起重機的改造方案設計計算過程，通過此改造方案，可以基本滿足鐵路貨運提高裝卸車效率、減少箱破的要求，該改造方案的成功實施同時為鐵路貨場充分利用原有設備、減少投資、實現設備更新換代提供了一個全新的選擇。

通用門吊；改造；集裝箱專用門吊；設計與計算

1 問題的提出

鐵路貨場裝卸機械的配備一般以大型門式起重機（簡稱門吊）為主，輔以小型機械。門吊的最大起重量以36 t為最多，而集裝箱運輸以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、尺寸和額定質量》）。早期鐵路貨場一般配備ZD型簡易集裝箱吊架，則36 t門吊吊鉤下最大載荷達到約35 t，因此36 t門吊在起吊40英尺集裝箱時，已處滿負荷狀態。不過36 t門式起重機配用ZD型吊架，有配備簡易，自重輕，方便等特點，但存在以下缺點：①集裝箱不能自動轉向。需要轉向時，靠起重工用牽引繩或長柄司索鉤牽引，易造成集裝箱碰撞支腿或其它物體，導致貨損或設備的損壞，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，則經常更換吊具，作業時間較長；③裝卸作業效率低下，一般專用集裝箱門吊完成一個箱次只需2 min左右的，而其則需5 min-6 min，甚至更長才能完成。

為提高集裝箱裝卸作業效率，減少由于設備因素帶來的貨損、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用門吊，解決長期以來設備裝卸能力不足、作業效率低下的一系列問題。經過市場調研，目前市售JMD系列集裝箱專用門吊總價在900萬元以上，顯然集裝箱裝卸作業全部更新為JMD系列集裝箱專用門吊從資金投入和經濟效益的投入與產出而言不現實，也不可行。為此，上海局組織專門技術力量會同有關科研院校進行科研攻關，決定實施將原36t通用型門吊改造成鐵路專用集裝箱門吊，結合作業現場實際需求，提出設備技術要求如下：

（1）專用門吊設計必須符合國家的相關規范要求和鐵路運輸的安全技規。

（2）專用門吊卸車效率不低于900 t/h（約合30標箱/h）。

（3）專用門吊配用集裝箱專用吊架，可滿足集裝箱旋轉，20英尺、40英尺互換的要求。

（4）專用門吊有效懸臂為7 m時，能滿足40英尺集裝箱在懸臂端轉向要求。

2 項目方案設計

通過論證和研究，確定項目的技術方案：

（1）項目主體方案采用鐵路貨場XD36-00U型通用門式起重機，小車軌距為8 m、有效懸臂為8 m門式起重機，該機型能滿足40英尺集裝箱在懸臂端轉向。

（2）起升機構整體布局為定制QJRSD560減速箱帶φ700雙卷筒。

（3）防搖裝置采用XWY5-35-5.5傳動裝置帶4組φ270防搖卷筒。

（4）整機門架結構根據驗算結論確定加強方案。

（5）整機電控系統采用全變頻控制。

3 項目實施方案

因本項目方案主體XD36-00U型通用門吊為鐵路貨場成熟機型，本文主要介紹在主體為XD36-00U型通用門吊基礎上進行改造時門架結構的主梁強度驗算及起升機構的設計計算。

3.1 門架結構的主梁強度驗算

3.1.1 改造后32 t集裝箱專用門式起重機金屬結構主要技術參數

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

跨度LK=26 m懸臂L1=11 m有效懸臂l=8 m

3.1.2 校核計算

（1）校核計算原則：根據對原門式起重機的檢測及設計經驗，認為支腿、上橫梁、下橫梁的富余量都較大，只要主梁校核計算通過，則認為原門式起重機門架結構的強度符合改造要求。

（2）主梁按改造后工況校核計算：以原主梁的截面技術參數，按現有的工況進行校核計算，以確定主梁是否能在設計規范內承載。

根據設計經驗對于大跨度、長懸臂的門吊如果剛性計算能通過，強度計算就可以通過，本門吊跨度26 m、懸臂11 m就適用此類經驗，所以下面對該門吊主梁的剛度進行驗算。

①主梁截面技術參數如圖1所示。

圖1 主梁截面技術參數

圖2 支腿截面技術參數

根據該門吊結構應按一次超靜定計算:

小車位于跨中時主梁在跨中的撓度

小車位于懸臂時主梁在懸臂端的撓度

3.1.3 結論

根據校核結果，原門吊主梁截面尺寸，無需作變動就可滿足改造后工況要求。考慮到本項目為在原有機型36 t通用門式起重機上改造為32 t集裝箱專用門吊，其主梁承載負荷有所提高，主梁小車軌道上總負荷（小車自重+吊架自重+吊重負荷）從原來的55 t提高到改造后的63.5 t，綜合西南交通大學機械工程研究所建議及其有限元方法分析校核計算結果、《起重機設計規范GB3811-2008》及相關要求，增加采用XD36-01-00A主梁加強方案（如圖3所示），加強后的32 t-26 m集裝箱門式起重機的門架結構的最大Von Mises應力及變形均在許用范圍以內，門架結構的剛度、強度均滿足使用要求。

西南交通大學機械工程研究所在進行有限元分析校核計算時，對整機無風靜載和有風動載工況以及非工作狀態的暴風工況三種工況下的抗傾覆穩定性同時進行了校核計算，結論為滿足要求，能夠通過穩定性校核。

圖3 主梁加強方案示意圖

3.2 集裝箱小車起升機構設計計算

本方案設計為起升機構配用集裝箱專用吊架，配用吊架自重8.5 t，為常州振華港機制造，產品型號SR-FLER-B119，產品性能為全電動、全旋轉、可伸縮吊具，吊具下起重量32 t，吊具下起升高度為9 m，可滿足標準集裝箱“堆二過三”，配備

的專用集裝箱吊具可起吊20英尺集裝箱和40英尺集裝箱。起升機構設計計算過程如下：

3.2.1 起升機構方案

原起升機構為：電動機-軟齒面單出軸減速器-單卷筒結構，現改為：電動機-中硬齒面雙出軸減速器-雙卷筒結構，原電機整修后可以繼續利用。新增中硬齒面減速器一臺，φ500制動器一臺，Φ700×L1350卷筒二套，24NAT6×19W+ FC1670ZS317鋼絲繩四套。改造前后起升機構部分技術參數對照如表1所示。

3.2.2 主要部件的設計與校核計算

（1）鋼絲繩的選用與強度校核計算

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--進入卷筒的鋼絲繩分支數，對于雙聯卷筒，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。

鋼絲繩型號為：24NAT6×19W+FC1670ZS 317

（2）卷筒的設計與起升速度的驗算

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卷筒轉速：

式中：υ--起升速度，υ=10.4 m/min。

（3）電動機的功率的校核

①機構效率

減速機效率：ηj=0.95

卷筒效率：ηt=0.98

機構效率：η=ηj ηt ηh=0.95×0.98×0.99=0.92②電動機靜功率

電動機靜功率：

選擇電動機為YZB315S-8,Ne=75kW,ne=735 r/min，最大轉矩倍數Tm=3.1。

③電動機過載驗算

式中：H--系數，取H=2.2；

m--電動機個數，m=1；

④電動機發熱驗算

式中：G--穩態系數，對于起升機構，G=0.8；

（4）傳動比的計算與減速機選用

②減速器：按QJRSD560-80-IX C減速器考慮，減速機實際傳動比is=78.54，工作級別M5時的許用功率為55 kW,輸出扭矩為60 kN·m。

（5）制動力矩的計算與制動器選擇

制動器按2個計算，計算制動力矩：

式中：k--安全系數，k=1.25；

η'--制動時的機構效率，η'≈η=0.92；

選擇制動器YWZ4-500/200,制動力矩3 150 N·m。

3.3 大、小車運行機構的設計

經過大、小車輪壓計算、電機功率及過載、發熱驗算，以及減速器速比、機構效率、制動力矩等數據校驗（計算過程同上，不再列舉），大、小車運行機構基本符合設計要求，只需大修處理。即原大車運行不設防風制動，根據《鐵路裝卸設備技術規范》，本方案設計將大車運行機構改為二級制動，原電機YZ180單出軸改為YZ180雙出軸，增設防風制動。需增加Φ300制動輪4只，YWZ-300/45制動器4臺。

3.4 吊具的選用

根據現有集裝箱吊具的選配，常州振華港機制造的SRFLER-B119集裝箱專用吊具，其重量、20英尺/40英尺自動伸縮裝置等符合本門吊的設計要求。

4 結束語

按此方案，我局已對3臺36 t通用門吊實施了項目改造，使用單位經半年以上使用，總體反映設計新型、構思輕巧、制作精良、使用方便。由于在本方案設計、制造過程中，要求改造單位起升用中硬齒面減速器、集裝箱專用吊架，同時采用好的品牌配套機電產品，使得整機運行平穩、噪聲小，保證了設備的使用性能和可靠性。從根本上改變了由XD36通用門吊加ZD型簡易吊架的傳統作業效率低下的集裝箱裝卸車方式，技術上取得了較大突破，且整機改造的費用僅為JMD集裝箱專用門式起重機的20%，能在取得較好經濟效益的同時大幅提高裝卸車作業效率，為鐵路貨場設備升級換代，充分利用現有資源，最大限度發揮作用，做了有益的嘗試。

[1]《起重機設計手冊》編寫組.起重機設計手冊.機械工業出版社，1980年3月.

[2]王金諾，曲季浦.起重機金屬結構.西南交通大學，1980年11月.

[3]張質文，虞和謙，王金諾，包起帆.起重機設計手冊.鐵道出版社，1998年3月.

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2015-02-09