新型轻型轨道式集装箱起重机的设计

本文选自《起重运输机械》杂志，如需转载，请注明出处

作者：黄进前 侯永强 于海洋 王玉金

摘 要：轨道式集装箱起重机向着重型化、高效化、智能化，节能环保的方向发展，其质量不断增加，使得制造 使用成本不断上升，能耗增加。文中通过分析现有机构、结构的形式特点，提出了减重设计和优化的方向，以及 新型结构和集成化的电控系统，以期降低质量，减少能耗，实现良好的社会效益。

关键词：轨道式集装箱起重机；减重；节能；设计

Abstract: Rail container cranes are developing towards the direction of heavy duty, high efficiency, intelligence, energy conservation and environment protection. The quality of rail container cranes is continuously improved, which makes the manufacturing and use costs continuously rising, so does the energy consumption. By analyzing the formal characteristics of existing mechanisms and structures, in the paper, the direction of weight reduction design and optimization as well as the new structure and integrated electronic control system are put forward, in order to reduce the weight, reduce energy consumption and bring good social benefits.

Keywords: rail container crane; reduce the weight; energy conservation; design

0 引言

轨道式集装箱起重机（简称RMG）是专业装卸国 际标准集装箱专用设备，通过钢轮支撑在轨道上、多以 市电为动力，由大车、小车、门架、供电装置、电气系 统及集装箱专用吊具等组成，广泛应用于海港、内河码 头、铁路货场、物流运输等堆场上。作为堆场集装箱装 卸的主要工具，RMG 向着重型化、高效化、智能化、 节能环保方向发展，对其要求越来越高，质量也越来越 大。另外，用户的特别要求进一步导致了RMG 质量的 大幅提高，导致运行使用能耗增加，使制造和运营成本 有所增加。

随着国家对节能环保、减重、低能耗等产品的推出 越来越重视，传统的老大笨粗RMG 越来越难以适应社 会的发展需要，迫切需要对现有RMG 进行分析优化， 创新设计。不论是在节约社会资源还是节约公司成本， 提升经济效益，新型减重的RMG 都是有必要探索和创 新设计的，这样符合国家的大力提倡建立新型节约型社会的理念。本文主要从起升载荷、起升机构、小车结构、 小车运行机构、大车运行机构、门架结构和电控系统等 方面进行减重设计新型RMG，以期符合国际国内标准。

1 起升载荷的减重设计

RMG的起升载荷主要有集装箱载荷、集装箱吊具、 吊具上架和钢丝绳等，是该设计的主要载荷依据，直接 影响到整机的自重和能耗，故合理的减重设计起升载荷 是最直接、有效减少质量及能耗的措施。

1.1 集装箱载荷

目前，常用的标准集装箱主要有20′箱和40′箱， 40′箱连同货物质量最多达到40 t，20′箱连同货物质 量最多达到32.5 t。然而，用户常常参考别家订购的起 重量来自行订购，故需要充分了解用户所需，再为用户 推荐合理的起重量，以免造成不必要的浪费。如果起重 量有所降低，在同样工作级别下的起升、小车、大车、 门架等均可减重设计。

1.2 集装箱吊具

集装箱吊具是抓放集装箱的主要工具，在装卸过程 中与集装箱一起升降做功，如果吊具能够减重，可使起 升载荷减少。

传统的液压集装箱吊具由于自重大、故障率多、维 护保养复杂等特点备受诟病，随着新材料、新工艺和先 进技术的发展应用，特别是高强钢、等寿命理论在集装 箱吊具上的应用，使集装箱吊具质量逐步减轻，也由传 统的液压控制逐步被电动控制所代替。一些RMG 用的 41 t 全电动伸缩20 ＇/40 ＇吊具自重，国际品牌的最低 5.7 t，国内品牌的最低 7 t，比同型号的液压吊具自重均 值减轻2 t 以上。以循环200 万次估计，仅吊具自重减 重就可以节省200 万 t 次的起升能量。以起升均值速度 15 m/min、起升均值高度7 m 来计算，1 台 RMG 可节 约 84 725 kWh 的能量，节约效果显著。

1.3 吊具上架和钢丝绳

为了便于维护和更换吊具，RMG 上常常配有吊具 上架。吊具通过吊具上架的旋锁连接，钢丝绳连接在吊 具上架上，通过起升机构卷筒运动实现吊具的升降。这 种结构形式常常用于工作级别较高或停机维修影响作业 的场合，但随着吊具的可靠性越来越高，维护保养越来 越规范，对于工作级别较低或停业不太影响作业的情况 下，可与用户沟通采用滑轮吊具一体式的结构，即将吊 具上架的滑轮直接做到吊具上，这样可减重1 t 以上， 以循环200 万次估计，采用滑轮吊具一体式结构能够节 省 200 万次的起升能量，可节约42 362 kWh 的能量， 节约效果明显。

2 起升机构的减重设计

起升机构是小车的主要组成部分，一般约占整个小 车自重的 35%，而小车的自重又是影响门架设计的主要 因素，所以起升机构的减重设计对整体RMG 的减重也 很关键。

目前市场上主要流行的起升机构布置有：单电机单 减速器单卷筒的1 倍率起升机构（见图1）、单电机单 减速器单卷筒的2 倍率起升机构（见图2）、双电机双 减速器双卷筒的2 倍率起升机构（见图3）、双电机双减速器双卷筒的3 倍率起升机构（见图4）、单电机单 减速器双卷筒的 3 倍率起升机构（见图 5）。

由以上几种起升机构布置可知，在同种吨位、速度 等参数相同的情况下，图 1 布置由于倍率是1, 所有起 升载荷均在卷筒上，承受扭矩最大，钢丝绳直径和卷筒 也最大，其优势在于双向防摇，防摇效果很好；图 2 和 图 3 布置采用倍率2，起升载荷的1/2 在卷筒上，钢丝 绳和卷筒直径次之，虽然受力小，但不具备防摇功能，若想防摇需要加装独立的防摇装置，质量及维护保养增 加，故其应用越来越少；图 4 和图5 布置采用倍率3， 起升载荷的1/3在卷筒上，钢丝绳和卷筒直径可以最小， 且具备双向阻力防摇功能，质量也最轻。

由所配置的电机、减速器和电控可知，在同种总功 率情况下，经咨询比价，双电机和双减速器的价格比单 电机和单减速器的价格高，控制上双电机需要双变频器 控制，电控上双电机也比单电机成本高，故采用图5 所 示起升机构布置形式的性价比最高，质量也最优。

3 小车结构的减重设计

RMG 主要应用于堆场，为提高场地利用率，往往 带有悬臂，涉及到40 ＇集装箱过腿的问题。为了保证 40 ＇集装箱过腿，小车的轨距往往很大，一般在14.5 m 以上，自重在 35 t 左右，自重较大，通常此时门架结 构采用 U 形结构（见图 6）。

若能降低小车自重，且保证40 ＇集装箱过腿，对 门架的减重设计将会明显有利。所以，通过研究岸桥结 构形式，创新地应用在RMG 上，形成图7 所示新型门架结构形式。

这种形式不仅可以缩短小车轨距，还可统一无悬臂 RMG 和 20 ＇集装箱过腿的RMG，实现了不同结构需 求且统一了小车的标准化模式。经综合考虑和20 ＇集 装箱过腿暂取小车轨距为 8 m，小车轨距由 14.5 m 可以 缩短为8 m，小车由原来的35 t 左右减到25 t 左右，减 重约 29%，减重效果明显，且对后续的小车运行节能和 门架减重设计带来显著益处。

4 小车运行机构的减重设计

为防止小车溜车或打滑，常常采用4 轮全驱动，但 对某些工作级别不高、小车运行速度不大的RMG，没 必要4 轮全驱，可采用2 轮驱动即1/2 驱动，这样就减 少2套驱动装置，使成本和维护保养量有所降低。另外， 由于小车轨距的统一，小车减重29%，即将近10 t，以 小车速度60 m/min，运行距离约15 m，循环200 万次 估计，小车可节省200 万次的运行能量，约节约18 215 kWh 的能量，节约效果明显。

5 大车运行机构的减重设计

大车运行机构主要由驱动装置、车轮组、台车架、 平衡梁等组成。为了保证用户轨道基础的经济性，常常 要求大车轮压不大于25 t。为了防止大车打滑，大车常 常要求采用1/2 驱动。大车的减重设计可采用CAE 分 析拓扑优化台车架和平衡梁，为了保证最大轮压需要合 理选取车轮数量，只能以轮压进行优化大车机构。另外， 为了有效利用RMG，应合理规划集装箱的堆放区域，避免集装箱在箱区之间的周转移动，提高堆场的效率。 如果大车频繁移动，成本上很不经济，故应合理布置箱 区，选择合理的大车速度。

6 门架结构的减重设计

门架结构是RMG 的主要组成部分，它是整台RMG 的骨架，用以支撑RMG 的电器设备和起升载荷，承受 和传递作用在RMG 上的各种载荷。RMG 门架结构的工 作特点是受力复杂、自重大、消耗材料多，对于大型的 RMG 门架结构自重往往是整机自重的 60％以上，成本比 例也较高。因此，在满足总体要求和性能要求的前提下， 应充分利用材料、减轻自重、优化工艺、降低成本。

6.1 起升高度

RMG 主要装卸堆场集装箱，起升高度一般根据用户 堆箱层数确定。在计算起升高度时，往往采取超高箱按 照3 m 的高度进行估算，其实际超高箱是9.5 英尺约2 896 mm。若以堆4过5来计算，按照估算数值起升高度为15.5 m， 预留箱底净空500 mm，但按照实际箱高尺寸为14.98 m， 则可节约至少0.52 m 的支腿高度。同时，由于支腿高度的 减短，也实现了减重增加了门架刚性的效果。

6.2 结构形式

门架形式由┏ ┓形代替了传统的U 形结构。由于 小车自重的减少，新型门架的主梁也减重明显，但却增 加了马鞍，一消一涨，使门架自身减重并不理想。以实 际产品为例，RMG41 t-35 m A7 两侧有效悬臂7.5 m、 起升高度15 m 来比较，经 CAE 分析设计（见图8）后 门架自重理论上减少3% 5%，效果不明显，但质量 不会比传统的 U 形结构大。 若有效悬臂比较大时，为节省结构质量，不论U 形还是┏ ┓形均需增加拉杆，这样U 形结构需要增加 上横梁和拉杆而┏ ┓形结构则只需增加拉杆。所以， 在这种情况下的┏ ┓形结构门架减重优势明显，经测 算该新型门架结构减重可达 10% 以上（见图 9）。

6.3 门架刚度

由于受旧国家标准的影响，用户往往要求钢结构的 刚度不小于1/1 000，故在设计时即使满足了强度和疲劳， 还需要增加截面来满足刚度的要求。然而根据最新的国

家标准规定：使用简单控制系统能达到中等定位精度特 性的起重机： f ≤ 1/750［1］，明显低于 1/1 000 的要求， 即使在国际标准FEM 中也无此要求，故该要求没有太 大必要，按照最新标准设计即可减少门架质量。

7 电控系统集成化

随着科技的进步，控制方法及控制理论的突破， 使得电控设备的体积越来越小，集成度也越来越高。 目前，我国已成功推出了起重CTS 系统，即全变频 +PLC+CANopen 总线通讯控制方案，其核心是集成化 的软件控制，具备21 种控制功能。通过集成化的CTS 系统，可将部分控制系统合理地布置在小车、大车上， 不仅结构紧凑，维护方便，还能节约大量动力电缆，有 效降低整机电控的成本。同时，由于集成化的软件控制， 大大节约了电气元器件的数量，使得电气室体积大大 减少。

8 结束语

通过对RMG 的机构、结构、电控的分析，提出了 一些减重的设计方向及控制方案，实现了一定的节能效 果。经过多台的产品设计和交付使用，跟踪反馈效果比较理想。经过合理的减重设计，该型RMG 在市场竞争 上具有很大优势，其深入推广应用不仅可以提高市场竞 争力，还符合国家建立新型节约型社会的理念，有着深 远的社会效益。

参考文献

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来源：起重运输机械