36 t普通用门吊改造为集装箱专用门吊的设计与计算

顾胜周 上海铁路局货运处

36 t普通用门吊改造为集装箱专用门吊的设计与计算

顾胜周 上海铁路局货运处

通随着铁路集装箱运输的不断发展，对集装箱装卸作业的需求越来越大，原有铁路货场的主要装卸设备是通用门式起重机，套用简易吊架来完成集装箱装卸作业，装卸车效率低下，已不能满足使用要求。为此，以铁路货场通用36 t门式起重机为基础，改为集装箱专用门式起重机的改造方案设计计算过程，通过此改造方案，可以基本满足铁路货运提高装卸车效率、减少箱破的要求，该改造方案的成功实施同时为铁路货场充分利用原有设备、减少投资、实现设备更新换代提供了一个全新的选择。

通用门吊；改造；集装箱专用门吊；设计与计算

1 问题的提出

铁路货场装卸机械的配备一般以大型门式起重机（简称门吊）为主，辅以小型机械。门吊的最大起重量以36 t为最多，而集装箱运输以20英尺和40英尺为最多，其最大总重为30.48 t（《GB／T 1413-2008集装箱 分类、尺寸和额定质量》）。早期铁路货场一般配备ZD型简易集装箱吊架，则36 t门吊吊钩下最大载荷达到约35 t，因此36 t门吊在起吊40英尺集装箱时，已处满负荷状态。不过36 t门式起重机配用ZD型吊架，有配备简易，自重轻，方便等特点，但存在以下缺点：①集装箱不能自动转向。需要转向时，靠起重工用牵引绳或长柄司索钩牵引，易造成集装箱碰撞支腿或其它物体，导致货损或设备的损坏，甚至造成安全事故；②20英尺和40英尺集装箱的吊具不通用，需辅助人工更换，如相间作业，则经常更换吊具，作业时间较长；③装卸作业效率低下，一般专用集装箱门吊完成一个箱次只需2 min左右的，而其则需5 min-6 min，甚至更长才能完成。

为提高集装箱装卸作业效率，减少由于设备因素带来的货损、箱损等日益突出的矛盾，上海局决定增配一批铁路集装箱专用门吊，解决长期以来设备装卸能力不足、作业效率低下的一系列问题。经过市场调研，目前市售JMD系列集装箱专用门吊总价在900万元以上，显然集装箱装卸作业全部更新为JMD系列集装箱专用门吊从资金投入和经济效益的投入与产出而言不现实，也不可行。为此，上海局组织专门技术力量会同有关科研院校进行科研攻关，决定实施将原36t通用型门吊改造成铁路专用集装箱门吊，结合作业现场实际需求，提出设备技术要求如下：

（1）专用门吊设计必须符合国家的相关规范要求和铁路运输的安全技规。

（2）专用门吊卸车效率不低于900 t/h（约合30标箱/h）。

（3）专用门吊配用集装箱专用吊架，可满足集装箱旋转，20英尺、40英尺互换的要求。

（4）专用门吊有效悬臂为7 m时，能满足40英尺集装箱在悬臂端转向要求。

2 项目方案设计

通过论证和研究，确定项目的技术方案：

（1）项目主体方案采用铁路货场XD36-00U型通用门式起重机，小车轨距为8 m、有效悬臂为8 m门式起重机，该机型能满足40英尺集装箱在悬臂端转向。

（2）起升机构整体布局为定制QJRSD560减速箱带φ700双卷筒。

（3）防摇装置采用XWY5-35-5.5传动装置带4组φ270防摇卷筒。

（4）整机门架结构根据验算结论确定加强方案。

（5）整机电控系统采用全变频控制。

3 项目实施方案

因本项目方案主体XD36-00U型通用门吊为铁路货场成熟机型，本文主要介绍在主体为XD36-00U型通用门吊基础上进行改造时门架结构的主梁强度验算及起升机构的设计计算。

3.1 门架结构的主梁强度验算

3.1.1 改造后32 t集装箱专用门式起重机金属结构主要技术参数

起重量Q起=32 t（额定载荷）+8.5 t（吊架自重）=40.5 t小车自重G小=23 t主梁总长L0=48 m

跨度LK=26 m悬臂L1=11 m有效悬臂l=8 m

3.1.2 校核计算

（1）校核计算原则：根据对原门式起重机的检测及设计经验，认为支腿、上横梁、下横梁的富余量都较大，只要主梁校核计算通过，则认为原门式起重机门架结构的强度符合改造要求。

（2）主梁按改造后工况校核计算：以原主梁的截面技术参数，按现有的工况进行校核计算，以确定主梁是否能在设计规范内承载。

根据设计经验对于大跨度、长悬臂的门吊如果刚性计算能通过，强度计算就可以通过，本门吊跨度26 m、悬臂11 m就适用此类经验，所以下面对该门吊主梁的刚度进行验算。

①主梁截面技术参数如图1所示。

图1 主梁截面技术参数

图2 支腿截面技术参数

根据该门吊结构应按一次超静定计算:

小车位于跨中时主梁在跨中的挠度

小车位于悬臂时主梁在悬臂端的挠度

3.1.3 结论

根据校核结果，原门吊主梁截面尺寸，无需作变动就可满足改造后工况要求。考虑到本项目为在原有机型36 t通用门式起重机上改造为32 t集装箱专用门吊，其主梁承载负荷有所提高，主梁小车轨道上总负荷（小车自重+吊架自重+吊重负荷）从原来的55 t提高到改造后的63.5 t，综合西南交通大学机械工程研究所建议及其有限元方法分析校核计算结果、《起重机设计规范GB3811-2008》及相关要求，增加采用XD36-01-00A主梁加强方案（如图3所示），加强后的32 t-26 m集装箱门式起重机的门架结构的最大Von Mises应力及变形均在许用范围以内，门架结构的刚度、强度均满足使用要求。

西南交通大学机械工程研究所在进行有限元分析校核计算时，对整机无风静载和有风动载工况以及非工作状态的暴风工况三种工况下的抗倾覆稳定性同时进行了校核计算，结论为满足要求，能够通过稳定性校核。

图3 主梁加强方案示意图

3.2 集装箱小车起升机构设计计算

本方案设计为起升机构配用集装箱专用吊架，配用吊架自重8.5 t，为常州振华港机制造，产品型号SR-FLER-B119，产品性能为全电动、全旋转、可伸缩吊具，吊具下起重量32 t，吊具下起升高度为9 m，可满足标准集装箱“堆二过三”，配备

的专用集装箱吊具可起吊20英尺集装箱和40英尺集装箱。起升机构设计计算过程如下：

3.2.1 起升机构方案

原起升机构为：电动机-软齿面单出轴减速器-单卷筒结构，现改为：电动机-中硬齿面双出轴减速器-双卷筒结构，原电机整修后可以继续利用。新增中硬齿面减速器一台，φ500制动器一台，Φ700×L1350卷筒二套，24NAT6×19W+ FC1670ZS317钢丝绳四套。改造前后起升机构部分技术参数对照如表1所示。

3.2.2 主要部件的设计与校核计算

（1）钢丝绳的选用与强度校核计算

①钢丝绳最大拉力Smax：

式中：Q--额定起升载荷，Q=320 kN；

Q0--吊具重量，Q0=85 kN；

α--进入卷筒的钢丝绳分支数，对于双联卷筒，α= 2；

q--滑轮组倍率，q=4；

ηh--滑轮组效率，ηh=0.99。

②钢丝绳选择

选择24NAT6×19W+FC1670ZS317钢丝绳，d=24 mm，钢丝绳破断拉力S0=317 kN，

,校核通过。

钢丝绳型号为：24NAT6×19W+FC1670ZS 317

（2）卷筒的设计与起升速度的验算

①卷筒直径

取D0=700 mm（卷筒名义直径），卷绕直径D=700+24= 724 mm

②卷筒转速：

式中：υ--起升速度，υ=10.4 m/min。

（3）电动机的功率的校核

①机构效率

减速机效率：ηj=0.95

卷筒效率：ηt=0.98

机构效率：η=ηj ηt ηh=0.95×0.98×0.99=0.92②电动机静功率

电动机静功率：

选择电动机为YZB315S-8,Ne=75kW,ne=735 r/min，最大转矩倍数Tm=3.1。

③电动机过载验算

式中：H--系数，取H=2.2；

m--电动机个数，m=1；

④电动机发热验算

式中：G--稳态系数，对于起升机构，G=0.8；

（4）传动比的计算与减速机选用

②减速器：按QJRSD560-80-IX C减速器考虑，减速机实际传动比is=78.54，工作级别M5时的许用功率为55 kW,输出扭矩为60 kN·m。

（5）制动力矩的计算与制动器选择

制动器按2个计算，计算制动力矩：

式中：k--安全系数，k=1.25；

η'--制动时的机构效率，η'≈η=0.92；

选择制动器YWZ4-500/200,制动力矩3 150 N·m。

3.3 大、小车运行机构的设计

经过大、小车轮压计算、电机功率及过载、发热验算，以及减速器速比、机构效率、制动力矩等数据校验（计算过程同上，不再列举），大、小车运行机构基本符合设计要求，只需大修处理。即原大车运行不设防风制动，根据《铁路装卸设备技术规范》，本方案设计将大车运行机构改为二级制动，原电机YZ180单出轴改为YZ180双出轴，增设防风制动。需增加Φ300制动轮4只，YWZ-300/45制动器4台。

3.4 吊具的选用

根据现有集装箱吊具的选配，常州振华港机制造的SRFLER-B119集装箱专用吊具，其重量、20英尺/40英尺自动伸缩装置等符合本门吊的设计要求。

4 结束语

按此方案，我局已对3台36 t通用门吊实施了项目改造，使用单位经半年以上使用，总体反映设计新型、构思轻巧、制作精良、使用方便。由于在本方案设计、制造过程中，要求改造单位起升用中硬齿面减速器、集装箱专用吊架，同时采用好的品牌配套机电产品，使得整机运行平稳、噪声小，保证了设备的使用性能和可靠性。从根本上改变了由XD36通用门吊加ZD型简易吊架的传统作业效率低下的集装箱装卸车方式，技术上取得了较大突破，且整机改造的费用仅为JMD集装箱专用门式起重机的20%，能在取得较好经济效益的同时大幅提高装卸车作业效率，为铁路货场设备升级换代，充分利用现有资源，最大限度发挥作用，做了有益的尝试。

[1]《起重机设计手册》编写组.起重机设计手册.机械工业出版社，1980年3月.

[2]王金诺，曲季浦.起重机金属结构.西南交通大学，1980年11月.

[3]张质文，虞和谦，王金诺，包起帆.起重机设计手册.铁道出版社，1998年3月.

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2015-02-09