全速轉(zhuǎn)彎型軌道集裝箱門式起重機(jī)設(shè)計(jì)

劉 勇

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司

0 引言

軌道集裝箱門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱軌道吊）采用碼頭岸電，能沿著鋪設(shè)好的軌道高速行走，主要用于大型集裝箱堆場(chǎng)及鐵路集裝箱的裝卸、搬運(yùn)和堆放，具有清潔無(wú)污染，適用固定位置的長(zhǎng)期作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，在世界上各大碼頭均有使用，是港口裝卸運(yùn)輸?shù)某Ｒ?jiàn)設(shè)備。

為提高堆場(chǎng)作業(yè)效率，軌道吊趨于大型化和自動(dòng)化。由于采用軌道式行走，能通過(guò)增加大車車輪數(shù)量的來(lái)提高負(fù)載，軌道吊往往跨度較大、箱區(qū)更多、行走距離更長(zhǎng)，故要求大車速度更快。同時(shí)需要考慮的是，大跨度和高速在提高軌道吊效率的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)大車啃軌的問(wèn)題。同樣的，對(duì)于鐵路軌道吊也是如此。且由于鐵路的特殊性，在部分碼頭的一些操作區(qū)域會(huì)出現(xiàn)弧形軌道，對(duì)于這塊區(qū)域，碼頭往往采用減速的方法緩慢行駛過(guò)去，這明顯降低了軌道吊的效率。

國(guó)外某碼頭自動(dòng)化鐵路軌道吊項(xiàng)目中有一大段弧形軌道，為保證效率，要求帶載65 Lt，在彎道上大車速度仍保持140 m/min，且在入彎和出彎時(shí)都不減速。

1 整機(jī)基本參數(shù)

示例項(xiàng)目為自動(dòng)化鐵路軌道吊，其跨度為51 m，雙懸臂機(jī)型，兩側(cè)外伸均為17 m，吊重為雙箱65 Lt，起升高度12 m，起升速度30/60 m/min；小車速度120 m/min；大車速度140 m/min，許用輪壓42 t/m。整個(gè)項(xiàng)目具有跨度大，懸臂長(zhǎng)，負(fù)載重，許用輪壓小的特點(diǎn)。

圖1 鐵路軌道吊工作區(qū)域

2 各關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于是雙箱65 Lt的大跨度長(zhǎng)懸臂機(jī)型，碼頭的許用輪壓只有42 t/m，限制得非常嚴(yán)格，整機(jī)需控制在520 t左右才能滿足碼頭輪壓。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)首次采用桁架式設(shè)計(jì)，使大跨度、大外伸軌道吊的自重和迎風(fēng)面積大幅減少。結(jié)構(gòu)自重較同類機(jī)型雙箱梁結(jié)構(gòu)減輕約20%，而關(guān)鍵的大梁截面高度由3.7 m減小為1.8 m，迎風(fēng)面積減少約40%，這極大地降低了設(shè)備的自重和輪壓，大車電機(jī)功率也相應(yīng)降低。

為防止大跨度機(jī)型的大車啃軌現(xiàn)象，整機(jī)采用剛?cè)嵬炔贾?，?nèi)圈為柔性腿，外圈為剛性腿。使啃軌力在柔腿鉸點(diǎn)處得到釋放。圖2為軌道吊鋼結(jié)構(gòu)示意。

圖2 軌道吊鋼結(jié)構(gòu)示意

2.2 大車的設(shè)計(jì)

大車在示例項(xiàng)目碼頭上運(yùn)行，會(huì)經(jīng)過(guò)3個(gè)階段，即直道運(yùn)行階段、進(jìn)入彎道階段和離開(kāi)彎道再次進(jìn)入直道階段，要求從直道進(jìn)入彎道時(shí)大車速度不能降下來(lái)，這樣大車的導(dǎo)向非常重要，同時(shí)要求大車在設(shè)計(jì)時(shí)各級(jí)之間需要有相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)。為此開(kāi)發(fā)了適合大車高速轉(zhuǎn)彎的雙自由度四水平輪臺(tái)車。

2.2.1 平衡梁和臺(tái)車設(shè)計(jì)

常規(guī)滑板式轉(zhuǎn)彎技術(shù)已無(wú)法滿足高速轉(zhuǎn)彎的要求。因長(zhǎng)期高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下滑動(dòng)軸承磨損嚴(yán)重，壽命不長(zhǎng)，而且其摩擦阻力大，會(huì)造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力大，不利于輕量化設(shè)計(jì)。它需要頻繁潤(rùn)滑來(lái)保證回轉(zhuǎn)性能，一旦潤(rùn)滑不充分就會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)不順暢，瞬間增加回轉(zhuǎn)阻力，在高速狀態(tài)下，會(huì)引起較大的沖擊，嚴(yán)重的甚至造成卡死無(wú)法過(guò)彎等情況；

對(duì)于彎曲軌道，大車車輪不能有輪緣，否則在過(guò)彎時(shí)會(huì)造成輪緣磨損嚴(yán)重，損壞車輪。針對(duì)這些情況，采用了每角6輪的設(shè)計(jì)，每角大車分為3級(jí)，從上到下依次為：大車平衡梁、中平衡梁和臺(tái)車。在各級(jí)之間采用回轉(zhuǎn)軸承的設(shè)計(jì)，利用雙自由度來(lái)滿足大車全速轉(zhuǎn)彎且行程較長(zhǎng)時(shí)臺(tái)車平衡梁間出現(xiàn)的較大角度位移。如圖3所示，大車平衡梁與鋼結(jié)構(gòu)下橫梁采用3排滾子回轉(zhuǎn)軸承, 大車平衡梁與中平衡梁之間采用單排滾子回轉(zhuǎn)軸承,中平衡梁與臺(tái)車之間采用滑動(dòng)軸承。整機(jī)的大車，其內(nèi)側(cè)外側(cè)的基距也不同，分別為18 m和16.5 m，這是根據(jù)內(nèi)外圈彎曲半徑計(jì)算而出的結(jié)果。

圖3 軌道吊大車布置形式

2.2.2 ADAMS仿真與分析

對(duì)此大車結(jié)構(gòu)進(jìn)行ADAMS仿真分析，模擬出大車在3段軌道上的運(yùn)行情況，并得出各級(jí)結(jié)構(gòu)間最大的轉(zhuǎn)角及偏移，各級(jí)間最大偏角2°。圖4為ADAMS仿真模型及數(shù)據(jù)

據(jù)臨潁縣志記載，小商河原名小溵河,殷商時(shí)期，因商王武丁經(jīng)過(guò)這里，并在此活動(dòng)停留，于是后人稱該段潁河為小溵河。河上建石拱橋一座，時(shí)稱小溵橋。北宋初年，為避宋太祖趙弘殷名諱，改殷為商，橋也隨之更名為小商橋。由于其結(jié)構(gòu)合理，石質(zhì)優(yōu)良，又經(jīng)唐武德、元大德、元皇慶、清康熙多次維修，至今保存完好。

圖4a、圖4b為基本模型，圖4c、圖4d為模擬軌道吊大車在3個(gè)階段時(shí)轉(zhuǎn)角偏移情況。假設(shè)點(diǎn)A、A′是前點(diǎn)（Leading point），即首先進(jìn)入彎道的點(diǎn)，A在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上，A′在平衡梁上。B、B′為后點(diǎn)(Following point)，即隨后進(jìn)入彎道的點(diǎn)，B在起重機(jī)結(jié)構(gòu)上，B′在主平衡梁上。見(jiàn)圖4b。

當(dāng)車輪在直軌上時(shí)，A點(diǎn)和A′點(diǎn)或B點(diǎn)和B′點(diǎn)重合。但是當(dāng)起重機(jī)進(jìn)入彎道點(diǎn)時(shí)，A點(diǎn)會(huì)偏離A′點(diǎn)，B點(diǎn)會(huì)偏離B′點(diǎn)。A和A′之間的距離是前點(diǎn)的偏移量，B和B′之間的距離是后點(diǎn)的偏移量。整個(gè)3階段的偏移量見(jiàn)圖4c。從曲線2中減去曲線1，得到前點(diǎn)偏移與后點(diǎn)偏移間的偏差。如圖4d所示，最大偏差為12.2 mm。出現(xiàn)最大偏差的位置是時(shí)間段5～10 s、70～75 s，這2個(gè)位置正是軌道吊大車從直道進(jìn)入彎道，以及從彎道進(jìn)入直道的位置。

圖4 ADAMS仿真模型及數(shù)據(jù)

由于這種偏移和偏差很小，在-6～13 mm之間，實(shí)際設(shè)計(jì)中平衡梁和起重機(jī)結(jié)構(gòu)之間的設(shè)計(jì)可設(shè)計(jì)成只有轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有平移的形式。偏移及偏差可通過(guò)大車水平輪與導(dǎo)軌之間的間隙來(lái)補(bǔ)償，如圖5所示。

圖5 水平輪間距示意

2.2.3 大車水平輪設(shè)計(jì)

一般在直道上運(yùn)行，大車速度為140 m/min的軌道吊在已采用柔性腿的情況下是不需要水平輪的，為了保證正常入彎和在彎道的正常行走，大車需要采用水平輪結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)向，但與普通高速大車水平輪布置不同的是，水平輪不能安裝在臺(tái)車中心位置。如果安裝在中心位置，由于各級(jí)平衡梁之間都配有回轉(zhuǎn)軸承，此時(shí)水平輪是起不到彎道導(dǎo)向作用的。所以開(kāi)發(fā)了前后置4水平輪結(jié)構(gòu)，即在每組臺(tái)車前后安裝2組共4個(gè)水平輪的形式，預(yù)防臺(tái)車在彎曲軌道上行走時(shí)車輪啃軌，并起到入彎導(dǎo)向作用。

水平輪間隙根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，按照?qǐng)D5水平輪間距示意所示設(shè)計(jì)。同時(shí)由于在彎道上水平輪幾乎全程接觸軌道起導(dǎo)向作用，其設(shè)計(jì)時(shí)受力和直徑大小根據(jù)相應(yīng)工況按FEM車輪來(lái)核算。

水平輪的受力是多方面引起的，包括水平輪和彎曲軌道之間的間隙引起的沖擊載荷、風(fēng)載荷、小車的慣性載荷和吊載的載荷，以及臺(tái)車轉(zhuǎn)向所需的載荷。在軌道上臺(tái)車的旋轉(zhuǎn)所需的載荷主要取決于車輪和水平輪的間距、垂直于車輪的載荷以及車輪在彎軌上行走時(shí)的滾動(dòng)+滑動(dòng)摩擦力。車輪和水平輪的間距和車輪的垂直載荷可以根據(jù)標(biāo)書要求或者FEM來(lái)進(jìn)行計(jì)算。難點(diǎn)在于車輪滾動(dòng)同時(shí)帶有滑動(dòng)的這個(gè)情況下摩擦系數(shù)的選取。根據(jù)BS EN 15011 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)起重機(jī)處于彎曲軌道時(shí)，摩擦系數(shù)μ為0.25?？梢匀≡撝底鳛閰⒖迹缬斜匾赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)得到真實(shí)的摩擦系數(shù)值。

2.3 大車電控的設(shè)計(jì)

針對(duì)彎道，大車車輪在不同半徑上的速度是不同的，如圖1所示。隨著起重機(jī)進(jìn)入彎道，控制系統(tǒng)需逐漸降低內(nèi)側(cè)車輪的速度，在內(nèi)側(cè)和外側(cè)車輪上施加恒定的差值。隨著起重機(jī)駛出彎道又需要逐漸提高內(nèi)側(cè)車輪的速度。這樣才能使起重機(jī)保持垂直于軌道，避免起重機(jī)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。

為此，電控在大車上布置了下列控制設(shè)備：起重機(jī)每一側(cè)布置1個(gè)驅(qū)動(dòng)器；起重機(jī)每一側(cè)有1個(gè)電動(dòng)機(jī)安裝有脈沖編碼器，用于速度和位置反饋；起重機(jī)每一側(cè)大車從動(dòng)輪安裝1個(gè)絕對(duì)位置編碼器，用于位置的反饋；起重機(jī)每一側(cè)沿著導(dǎo)軌安裝一個(gè)光電限位，通過(guò)金屬板來(lái)感應(yīng)，用于校準(zhǔn)定位系統(tǒng)；起重機(jī)的兩側(cè)沿著導(dǎo)軌以10～12 m的距離安裝Flag板，用于校準(zhǔn)定位系統(tǒng)。

同時(shí)電控上通過(guò)下列方式來(lái)進(jìn)行控制：兩側(cè)大車電機(jī)通過(guò)Electric shaft來(lái)連接和控制，并由上述的輔助設(shè)備來(lái)精確定位大車位置，控制兩側(cè)大車之間的相對(duì)位置（保持起重機(jī)筆直運(yùn)行不啃軌）。在彎曲軌道上應(yīng)用相同的系統(tǒng)，但隨后對(duì)內(nèi)外側(cè)不同的彎曲半徑進(jìn)行了速度補(bǔ)償。進(jìn)入彎道時(shí)，內(nèi)側(cè)速度參考值會(huì)減小以匹配半徑差異，Electric shaft功能將保持不變，但要進(jìn)行調(diào)整以始終保持起重機(jī)垂直于軌道。離開(kāi)彎道時(shí)，內(nèi)側(cè)的速度參考值又會(huì)增加直到兩側(cè)相同。

2.4 大車電纜卷盤的設(shè)計(jì)

卷盤在過(guò)電纜坑時(shí)，一般都采用減速通過(guò)的方式。供貨商為保證過(guò)坑不減速的要求，在靠近電纜坑附近時(shí)采用力矩控制方式，以精確地控制電纜的張力。電纜擺桿從收到放，采用了2種不同的力矩。

在彎道時(shí)控制電纜張力，讓電纜盡量自然的鋪放在地面，而不受較多的額外張力，這樣可以使電纜按照大車的行走路線自然彎曲。

同時(shí)在場(chǎng)地上可以增加一些簡(jiǎn)易的防護(hù)裝置或只在直道入彎和出彎位置增加類似喇叭口的導(dǎo)槽，保證電纜順利進(jìn)入彎道。本項(xiàng)目并未增加這些裝置，在彎道上運(yùn)行依然正常。

綜上，采用桁架式鋼結(jié)構(gòu)來(lái)減輕質(zhì)量，減小輪壓；采用剛?cè)嵬确乐勾罂缍鹊目熊壃F(xiàn)象；用雙自由度臺(tái)車設(shè)計(jì)來(lái)滿足彎軌大車行走；而采用前后置水平輪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使大車入彎更順滑。

3 碼頭實(shí)際數(shù)據(jù)

碼頭的5臺(tái)自動(dòng)化鐵路軌道吊自2015年運(yùn)抵用戶碼頭，交機(jī)后使用至今已超6 a，每臺(tái)工作時(shí)間均超過(guò)1萬(wàn)h，裝卸箱量超過(guò)30萬(wàn)TEU，表1所示為2臺(tái)使用最頻繁的機(jī)器數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)可以知大車運(yùn)行時(shí)間均超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)，整機(jī)運(yùn)行近2萬(wàn)h。機(jī)器在彎道區(qū)域運(yùn)行情況良好，大車未出現(xiàn)過(guò)度磨損和啃軌現(xiàn)象。

表1 軌道吊運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

從效率上看，軌道吊大車行走距離為±460 m，假設(shè)原先在彎道運(yùn)行時(shí)大車需減為半速運(yùn)行，現(xiàn)在能保證在250 m的彎道上全速運(yùn)行，效率將提高21.5%。

4 結(jié)論

1）桁架式結(jié)構(gòu)可以有效地減少整機(jī)質(zhì)量，對(duì)于減少輪壓很有幫助，當(dāng)然其制作上比傳統(tǒng)的箱梁要復(fù)雜，焊縫接頭也更多；剛?cè)嵬仍O(shè)計(jì)可以減小大跨度軌道吊啃軌。

2）對(duì)于彎曲軌道、大車速度較快的軌道吊，采用回轉(zhuǎn)軸承代替滑板是合理的，能有效減小大車啃軌并提高壽命；

3）設(shè)計(jì)中仿真必不可少，因大車各級(jí)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和位移無(wú)法計(jì)算出來(lái)，通過(guò)仿真給水平輪等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)，使前后置水平輪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在入彎時(shí)發(fā)揮重要作用；

4）大車高速不減速過(guò)彎技術(shù)，可滿足不規(guī)則的鐵路中心站場(chǎng)地使用需求，同時(shí)仍保有同等的大車作業(yè)效率，提高了產(chǎn)品適應(yīng)性、增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。