铁路集装箱门式起重机轻量化设计研究

杨广全，车德慧

(中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081 )

铁路集装箱门式起重机轻量化设计研究

杨广全，车德慧

(中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081 )

在分析铁路集装箱门式起重机应用现状的基础上，提出为实现铁路集装箱门式起重机的轻量化设计，应考虑采用高强钢制造、优化整机结构、选用集成零部件、改善控制方式、合理匹配技术参数及其他技术途径，并且阐述轻量化设计的主要实现方法，为铁路集装箱门式起重机的设计提供参考。

铁路集装箱；门式起重机；轻量化；设计；装卸作业

对铁路集装箱门式起重机进行整机轻量化设计，不仅可以节省原材料、降低制造成本，而且能够减轻起重机轮压和机构的负荷，降低对货场走行基础建设的要求，减少基础建造的投资成本、运营成本，使铁路集装箱门式起重机达到质量、性能和成本等因素的综合优化，加快铁路集装箱运输的发展。

1 铁路集装箱门式起重机应用现状分析

集装箱运输是开展国内国际贸易、发展“门到门”运输、提高运输效率和效益的重要运输方式，是我国货物运输的主要发展方向之一。随着国际贸易的发展和国内货运量的增长，我国对铁路集装箱运输质量、整体技术水平、总体规模和技术装备提出更高要求。

铁路集装箱门式起重机是集装箱装卸技术设备的重要组成部分，但目前却成为制约铁路集装箱运输发展的主要因素之一。在我国铁路集装箱中心站，除配置有 20 ft、40 ft 的伸缩式吊具，用以装卸 20 ft、40 ft 和 45 ft (依靠 40 ft 处的角件) 国际标准集装箱，基本上还配置有高效的轨道式集装箱专用门式起重机，其额定起重量为 40 t，跨距为 35 m，有效悬臂为7.5 m，主要结构件采用高强钢 Q345B，整机结构采用高强度螺栓连接、现场拼装形式，高压房、上机斜梯和电缆卷盘布置在不同的支腿以保证轮压均衡。起升机构、大小车运行机构采用交流变频调速控制技术，同时采用 8 绳缠绕防摇吊具防止吊具摇晃，提高吊箱效率。

在铁路集装箱办理站，由于集装箱到发量偏小，较多地采用通用门式起重机加挂无动力集装箱吊具的方式，兼顾长大笨重货物和集装箱的装卸作业。目前，这些铁路通用门式起重机存在装卸效率低、安全性能差、配置型号落后、设备陈旧老化、超期服役等问题，容易导致货损、箱损、车损和装卸机械损伤，影响铁路货运服务质量。

为提高铁路集装箱装卸安全质量和服务水平，铁路部门采取了 2 方面措施：一方面，铁路通过配置集装箱专用装卸机械，或者对通用门式起重机进行防摇改造、变频改造等措施，提高集装箱装卸的安全稳定性；另一方面，铁路加大经济实用型集装箱装卸机械的研发力度，以提升铁路中小型货场的集装箱装卸能力。

2 铁路集装箱门式起重机轻量化设计的技术途径

长期以来，铁路集装箱门式起重机的设计多采用以古典力学和数学为基础的半理论半经验设计法、类比法和直觉法等传统的方法，设计过程繁琐、周期长、精确度差、可靠性低，设计出的整机结构偏重。我国铁路在发展集装箱门式起重机时，应充分考虑轻量化和模块化设计需求，减少设备成本、基础设施投资和运营成本[1]。

2.1 采用高强钢制造

实践表明，机械结构的自重对其有效载荷及经济性具有决定性影响。因此，减轻整机自重成为铁路集装箱门式起重机的研究方向。钢具有承重能力佳、加工性能好、经济效益高等特点，已经成为起重机制造行业最重要的结构材料；在等强度条件下，采用高强钢可以减小钢结构所用钢板的厚度或钢结构的截面尺寸，从而减轻钢结构的自重。当采用 Q345B 材料作为起重机钢结构材料代替 Q235B 材料时，据测算起重机钢结构自重可减少约 20%～30%[2]。对于铁路集装箱门式起重机，可以考虑将其主要承载结构件都改用高强钢制造。

（1）门架结构采用高强钢制造。铁路集装箱门式起重机的门架结构自重约占整机自重的 2/3，严重影响整机的有效载荷，采用高强钢可以减轻整机自重。在我国，尽管屈服强度大于 450 MPa 的高强度钢材的应用日益广泛，但还未出现采用此类高强钢制造的铁路集装箱门式起重机。而 Q450NQR1 高强钢在我国铁路货车的主要结构中应用已经很成熟，它在提高钢强度的同时，保证了焊接结构韧性不减，具有良好的焊接工艺，能减少焊接内应力，防止焊接开裂，控制焊接不变形。因此，可以考虑将此类钢材用于铁路集装箱门式起重机的设计中，达到减轻整机自重的效果。

（2）集装箱吊具采用高强钢制造。吊具自重的减轻能提高设备的使用寿命，降低能耗。可以通过力学手段设计吊具箱形结构，制造时采用高强度钢，以减轻吊具自重。Bromma 吊具采用高强钢制造，在选择构造材料时综合考虑了钢材的强度、焊接性和可成型性等因素，同时采用模块化设计以降低设计周期，提高零部件的可靠性和互换性。常规起重量为 41 t 的港口机械吊具自重一般在 8.5 t，上海某港机厂为研发限重在 6.1 t 以内的超轻型液压吊具，在设计中采取了以下措施：①设计梁高为 600 mm；②使用 5 mm 的高强度钢板制作箱型梁；③端梁腹板采用 3 mm 高强度钢板折弯对称形式，伸缩梁截面设计区别于常规设计，有效减轻吊具自重，降低起重机的能耗、故障率和使用成本。

（3）司机室采用高强钢制造。随小车一起移动的司机室增加了起重小车的自重，从而增加了对门架主梁的移动载荷，对整机自重影响较大，考虑采用高强钢薄板制造，以减轻起重小车自重。

2.2 优化整机结构

（1）采用无悬臂式结构。在我国，传统的铁路通用门式起重机一般都带有悬臂，能在不增大主梁截面的前提下，仅依靠延长主梁长度扩展门吊的覆盖面积，并且将汽车通道安排在悬臂下，经济合理。但是，在集装箱大型化发展的趋势下，将集装箱移到门式起重机悬臂下需要穿过门式起重机的支腿，因而必须将支腿内部空间加宽，这使集装箱门式起重机变得庞大、笨重，不仅消耗大量钢材，而且增大运行机构的驱动功率，增加作业成本。采用无悬臂集装箱门式

起重机，支腿内部空间不必加宽，只需要满足稳定性要求即可，整机自重随之大幅度降低[3]。

（2）借鉴国外经验。芬兰科尼集团的 BOXHUNTER集装箱门式起重机是一种新型的轮胎式集装箱门式起重机，司机室和起升卷扬装置分别安装在起重机两侧的门架底梁上，能够较大程度地减轻整机自重。司机室利用成熟的视频摄像机和激光扫描技术控制起重机的运行，降低门架上部载荷。起重机起升卷扬装置沿另一侧的支腿外侧设有起升配重，该配重抵消了吊具的自重，降低了小车的移动载荷。小车轻巧简单，也有助于减轻整机自重。除此之外，BOXHUNTER 还采用模块化设计，将部件装入常规集装箱装运，降低运输成本，值得我国借鉴。

（3）采用一体化控制技术。轻型电动轮胎式集装箱门式起重机应用四卷筒控制技术，起升机构与小车运行机构共用驱动装置，而且将驱动装置和卷筒安装在门架底梁上，既降低小车自重和整机重心，又实现整机结构轻型化，满足经济性和实用性的双重要求[4]。与通用型轮胎式集装箱门吊相比，该设备自重降低 40%。

（4）采用悬挂式小车。在无悬臂结构的轮胎式集装箱门式起重机中采用悬挂式小车 (没有小车架)，结构简单、轻巧、紧凑，质量轻，能够有效减轻整机自重，使传动装置设计更加紧凑。

2.3 选用集成零部件

在机械结构上尽量减少零部件使用数量，确保在整机性能不变的前提下减轻自重。可以将铁路集装箱门式起重机的大车、小车、驱动采用“三合一”减速器，直接与车轮连接，达到结构紧凑、体积小、质量轻、装拆方便、运行平稳的效果；也可以借鉴独立成套电动葫芦起升机构的欧式起重机，将起升减速器内藏于卷筒内部，电机通过梅花形联轴器带动减速器，减速器外壳直接带动卷筒升降以减少体积、保证质量，同时做到结构紧凑、安装简便[5]；还可以利用 SEW、NORD 等公司的模块化设计理念，将电机与带直流线圈的励磁盘式制动器融合构成制动电机，之后再与减速器进行法兰连接形成三合一驱动机构，从而驱动起重机的运行机构[6]。

在起重机金属结构方面，考虑采用焊接轨道的偏轨箱形梁结构，将小车轨道计入主梁截面，以达到在保证与压板式轨道具有相同性能的前提下，使焊接轨道降低主梁高度、减小主梁截面尺寸、减轻门架结构自重的效果[7]。

2.4 改善控制方式

在《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008) 中，将起重机配置的调速控制系统完善程度与结构静态刚性相关联，从而降低对起重机静、动态刚性的要求。按照《起重机设计规范》中对电动起重机的规定，当自行式小车(或电动葫芦)位于门架主梁跨中位置时，额定起升载荷及自行式小车 (或电动葫芦) 自重载荷在该处产生的垂直静挠度 f 与起重机跨度 S 的关系为：①对低定位精度要求的起重机、具有无级调速控制特性的起重机，以及采用低起升速度和低加速度能达到可接受定位精度的起重机必须满足 f ≤S/500；②使用简单控制系统能达到中等定位精度特性的起重机须满足 f ≤S/750；③需要高定位精度特性的起重机必须满足 f ≤S/1 000[8]。设计铁路集装箱门式起重机时应当综合考虑这些规定，合理改善起重机控制方式，尽可能减轻整机自重，节约能源。

变频调速控制方式相比于传统的转子回路串接电阻有级调速控制方式，具有调速平稳、机械冲击小、节能良好、故障率低、维修量小等特点[9]，能够实现重载慢速、空载快速的功能。采用变频调速控制方式可以优化铁路集装箱门式起重机的工作性能，提高起重机整机寿命和定位精度，改善劳动强度和人机关系，降低电机及减速器功率，缓解动态冲击和惯性载荷，有效减轻结构自重[5]。

2.5 合理匹配技术参数

铁路集装箱门式起重机的工作级别、使用频繁程度与门式起重机运行机构的负荷、运行速度、养护维修等技术参数密切相关。

对于铁路大型货场，由于日均集装箱到发量较大，可以考虑采用较高的起升速度和大小车运行速度，以提高装卸效率，压缩列车在站停留时间。例如，城厢、王家营西等集装箱中心站的轨道式集装箱门式起重机的技术参数设定如下：工作级别为 A8，

起升速度为 20 m/min (满载)、40 m/min (空载)，小车运行速度为 110 m/min，大车运行速度为 60 m/min (满载)、120 m/min (空载)。

对于铁路中小型货场，由于集装箱装卸量较小，可以适当降低集装箱门式起重机工作级别、起升速度和运行速度，减少机构负荷和结构的动载系数，合理匹配技术参数，改善整机性能，降低作业成本。

2.6 其他

（1）优化制造方法。零部件、滑轮、减速器壳体尽量以焊代铸，减轻自重，并且选用合理的焊接方法，减少焊材消耗量。另外，在选用卷筒时，铁路集装箱门式起重机应选用焊接卷筒。

（2）应用轻型材料。采用高强度尼龙制造滑轮或作为滑轮的衬垫，以减少钢丝绳与滑轮的摩擦。钢丝绳直径的规格决定滑轮和卷筒的最小直径，可以采用抗拉强度 1 960 MPa 的高强度镀锌钢丝绳，既减少绳重，又有利于铁路集装箱门式起重机起升机构的优化和起重小车的模块化[10]。

2.7 轻量化设计的实现方法

（1）极限状态设计方法。极限状态设计方法以概率统计法为基础，以承载能力的极限状态和正常使用的极限状态等为依据，铁路集装箱门式起重机设计的结构和构件应满足各类极限状态的限制[8]，并且采用分项载荷系数考虑结构的安全性。与许用应力设计法的安全系数凭经验确定相比，极限状态设计法的分项载荷系数是根据各载荷变量的统计特征在概率分析基础上通过优选确定，由此设计的结构件更加符合实际情况，能够在保证机械结构性能情况下，有效地减轻整机自重、节约材料。

（2）结构优化方法。结构优化方法通过建立多目标结构优化模型，采用有限元分析工具，对各个工况下的载荷进行计算，以实现起重机结构自重最小的目标。采用结构优化设计方法，不仅避免传统设计方法凭借经验、类比、直觉的方式，而且有效减轻了整机自重，提高了起重机结构的安全性、可靠性和使用寿命。

（3）模块化设计方法。模块化设计是绿色制造和轻量化设计的重要技术特征，对铁路集装箱门式起重机功能部件进行模块划分，对起重小车、卷筒组、车轮组、运行机构、钢丝绳、主梁等开展模块化设计，可以实现专业化生产，降低生产成本。

3 结束语

我国集装箱多式联运发展缓慢，集装箱运量占全社会货运量比例较低[11]。目前，我国铁路正在加快发展集装箱运输，尤其是宽度为 2 550 mm 的铁路内陆集装箱，但是铁路集装箱办理站数量不足和装卸机械能力不足等问题一直困扰着铁路集装箱的发展。解决问题的有效途径是利用既有中小型铁路货场，研发应用经济实用的铁路集装箱装卸机械和装卸工艺。铁路集装箱门式起重机的轻量化设计能够有效提高铁路货场的装卸作业技术水平，为我国铁路集装箱运输发展提供技术支撑，达到节能降耗、降低运营成本的目的。

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（责任编辑 金艳萍）

Thoughts on Light-Weight Design of Railway Container Gantry Crane

YANG Guang-quan, CHE De-hui
(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Based on analyzing present application of railway container gantry crane, this paper puts forward that some methods should be considered in order to realize lightweight design of the crane, such as applying high-tensile steel, optimizing overall structure, selecting integrated components, improving control mode and reasonably matching technical parameters and other technical approaches. The paper also expounds the main methods of realizing the light-weight design so as to provide reference for the design of railway container crane.

Railway Container; Gantry Crane; Light-Weight; Design; Loading & Unloading Operation

1004-2024(2016)07-0052-05

U169.63；U294.27+5

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.07.11

2016-07-05

杨广全 (1977—)，男，陕西渭南人，博士研究生。车德慧 (1960—)，男，广东揭阳人，大学本科。

中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(Z2015-X003)