集装箱吊具设计改造

2 设计思路针对普通门（桥）式起重机吊装集装箱过程中存在的问题，南昌铁路局南昌机械厂进行了广泛的前期调研和资料收集，提出设计开发一种能在水平方向自动调节平衡偏载集装箱，在垂向电动旋转集装箱，在吊装过程中防止集装箱摇摆，在换箱过程中电动开闭吊具转锁的新型集装箱吊具。

同时在吊具上加装称重、测偏载报警装置和视频辅助作业系统，确保装卸安全。

设计思路为将原吊具矩形框架改为工字形结构，在工字形框架中间的箱形梁上设计一可使吊点移动的上架小车，通过机械传动控制方式实现在水平方向自动调节平衡偏载集装箱；在上架小车上安装一回转支承，通过电机传动方式实现在垂向电动旋转集装箱; 在门吊小车四角安装力矩电机，利用恒力矩的原理使防摇钢丝绳保持恒力，防止集装箱在吊装过程中摇摆; 在工字形框架一侧，设计一电机- 皮带- 减速机- 齿轮齿条机构，通过连杆驱动工字形框架四角转锁在换箱过程中电动开闭。

同时在工字形框架四角的转锁箱内加装称重传感器，测量集装箱的重量和偏重程度；在工字形框架四角加装无线摄像头，可以帮助司机在视线被挡住的情况下，通过司机室的屏幕辅助作业。

在门吊小车上安装电缆卷筒，实现吊具上电气设备的供电与控制。

3 技术方案3.1 工字形框架将矩形框架改为工字形框架，选用高强度合金钢焊接成箱形主梁，与两根端梁组合成工字形框架，长度方向可满足20 / 40英尺集装箱吊装需要。

考虑到适用36 t门吊的起重量限制，单个吊具重量不能超过5.5 t，现采用20英尺集装箱与40英尺集装箱吊具分别制作，以减轻吊具重量，同时考虑互换方便。

下一步做成可伸缩式吊具，采用国外优质钢控制吊具重量。

将原矩形框架上的承重吊耳改在上架小车四角，门吊吊钩承吊点投影与上架小车中心重合，从而缩短了承重钢丝绳的长度，降低了吊具整体高度，提高门吊有效作业高度（见图1）。

3.2 自平衡机构以工字形框架为基础，将上架小车套挂在两侧，设计一自平衡机构，通过螺旋传动控制上架小车在工字形框架长度方向上移动，实现吊点位置自动移到集装箱重心位置。

上架小车由走行轮、小车支承部分、丝杆螺母、旋转三合一机构安装底座、回转支承、承重吊耳等组成。

自平衡三合一机构是由电机、减速机和制动器组成，其输出驱动丝杆-丝杆螺母运动，使上架小车在工字形框架长度方向来回移动。

自平衡控制机构是由重锤和T形杆组成“T形摆”，当集装箱偏置时，工字形框架也发生倾斜，由于“T 形摆”始终铅直，则压迫限位开关动作，接通自平衡三合一机构工作电源，使上架小车沿箱形主梁向集装箱重心移动，从而达到集装箱自平衡的目的。

克服集装箱箱体因倾斜而造成的出车和落位困难，防止货物、箱体和车辆破损。

3.3 电动开闭锁机构在箱形主梁一侧，安装一电机- 皮带- 减速机装置，齿轮齿条机构将其旋转运动变为直线运动，控制连杆机构开闭转锁，实现吊具与集装箱的挂钩和脱钩，提高作业效率。

3.4 电动旋转机构在上吊架上安装一电机-减速机-制动器三合一机构，其输出主动齿轮与回转支承从动齿轮啮合，驱动工字形框架和集装箱在水平方向360°范围内做任意角度的旋转。

此功能方便集装箱平稳无碰撞过门吊支腿和准确对位摆放，避免了起重机与集装箱的碰撞，很容易实现铁路装箱要求集装箱箱门朝内摆放的作业要求。

3.5 防摇机构在门吊横移小车四角一定位置安装4台力矩电机，电机输出端安装一钢丝绳卷筒，钢丝绳环绕在卷筒上，另一端挂接在上架小车的承重吊耳上。

当集装箱摇晃时，4根钢丝绳受力不均，引起力矩电机承受力矩发生变化，电机正转或反转，张紧或缓解钢丝绳，最终使钢丝绳保持恒力，防止集装箱摇摆，减少了集装箱在吊运过程中的相互碰撞。

3.6 称重、偏重装置在工字形框架四角的转锁箱内加装称重传感器，通过无线发射接收装置和软件自动处理来确定集装箱的重量和偏重程度，并可实现自动打印功能。

此装置对超重、偏载严重的集装箱能及早发现，防止超偏载箱误装上车，确保铁路行车安全。

3.7 视频辅助作业装置在工字形框架四个角上加装无线摄像头，通过无线发射接收装置显示在司机室的屏幕上，可以帮助司机在视线被挡住的情况下，安全快捷作业，同时能辅助司机堆码箱和对位。

针对现有普通吊钩式门吊专用于装卸集装箱的货场，可以利用自平衡旋转集装箱吊具改造现有门吊；只要改造起重小车的卷扬系统，使之与集装箱专用门吊的四吊点相似，加上吊具的旋转功能，便成为简易的下旋式集装箱专用门吊。

4 相关力学计算工字型框架采用有限元程序ANSYS 计算其强度与刚度，主梁板用板壳元SHELL63 来离散，焊缝实体采用SOLID45 进行划分。

以上计算为结构设计提供了有效参考，并尽量减轻了自重。

旋转阻力矩的计算在本项目的设计计算中比较重要，考虑因素也较多，此处以20 英尺集装箱吊具为例分别进行计算。

在通常情况下，旋转式取物装置的起重滑轮组可看作是由2 根钢丝绳组成的双线悬挂装置，当取物装置旋转时，在反作用力矩的作用下，悬挂发生扭转，进而成为取物装置的抗扭支撑。

这里采用4 根防摇钢丝绳作为抗扭支撑，使旋转更为平稳。

旋转阻力矩M 阻包括回转支承摩擦阻力矩M 摩、集装箱倾斜引起的阻力矩M 倾、风力产生的阻力矩M 风和惯性阻力矩M 惯，即:M 阻＝M 摩＋M 倾＋M 风＋M 惯（1）回转支承摩擦阻力矩。

M 摩＝ 0.5 ×U 换×D ×N ＝ 0.5 ×0.01×1 ×65.3×9 800＝3 200 N·m式中: U 换为换算摩擦系数，U 换＝ 0.01;D 为滚动体中心圆直径，D ＝ 1 m; N 为滚动体法向反力之绝对值总和，有N＝V/sin a＋4H/（ ×cos a）＝65.3 t ，其中: V 为旋转支承装置所受的总垂直力，V ＝36 t;H 为旋转支承装置所受的总水平力，H ＝ 9.3 t;a 为滚动体的接触角，a ＝ 60°。

（2）由于集装箱偏重倾斜造成的旋转阻力矩。

M 倾max ＝G ×L × sin q式中: G 为取物装置、臂架、转台等旋转部分各构件的总质量; L为相应于上述重物的重心至回转支承轴线的距离;q 为起重机的倾斜角。

由于集装箱偏重倾斜的旋转不同于起重机在有坡度的路面上吊装货物旋转，也不同于浮式起重机在船倾一定角度时吊装货物旋转，不存在重物位置势能的改变，故集装箱倾斜只会增加回转支承的摩擦阻力矩（前面已经考虑了），不存在其他的附加旋转阻力矩，故M 倾max ＝ 0 。

（3）由风力产生的旋转阻力矩。

M 风max ＝P 风×S 旋×R 旋sin b式中: P 风为计算风压，取250 N/m; S 旋为旋转部分迎风面积; R 旋为风力作用点至旋转中心距离; b 为起重机从风向平面转过的角度。

当集装箱按重量对称悬挂时，其外形可能并不对称，可近似地认为其偏心在R旋＝L/10的范围内（L 是集装箱的长度，L ＝ 6.058 m）。

M 风效＝ 0.7 ×M 风max ＝ 0.7 × 250 × 6.058/10 ×6.058 × 2.591 ＝1 664 N·m（4）惯性阻力矩。

集装箱旋转时有起动、稳定运动、制动3 个阶段，各阶段各有特点。

起动和制动是不稳定运动，会产生惯性力矩，起动时惯性力矩阻碍旋转运动。

集装箱荷重和与它一起的吊架对通过悬挂中心的回转支承的转动惯量可以作为平行六面体的惯性矩来计算。

取集装箱旋转速度n＝1.5 r/min，起动时间t＝3 s，则M惯＝J×e＝128 000 ×（2 × 1.5）/（60 × 3）＝ 6.7 kN·m式中:J 为平行六面体转动惯量，J ＝m（B2 ＋L2）/12 ＝36 000×（2.4382＋6.0582）/12＝128 000 kg·m2；其中:m 为旋转部分质量;B 为集装箱宽度;L 为集装箱长度；e 为集装箱旋转角加速度。

所以，集装箱旋转时要克服的总旋转阻力矩为：M 阻＝M 摩＋M 倾＋M 风＋M 惯＝3 200 ＋0＋1 664＋6 700＝11 564 N·m5 运用效果现已有南昌铁路局、哈尔滨铁路局、柳州铁路局、太原铁路局、成都铁路局等单位使用自平衡旋转集装箱吊具。

用户反映它较好地解决了集装箱装卸过程中的安全和效益两方面的问题，可有效解决集装箱吊装时平稳无碰撞过门吊支腿和集装箱吊运过程中的防摇技术难题;改变了铁路集装箱装卸依靠吊具与箱体碰撞对位的传统作业方式。

具有的自动找平衡功能，可使吊点位置自动移到集装箱重心位置，克服集装箱箱体因倾斜而造成的出车和落位困难；具有的防摇功能，可使集装箱在门吊移动、主钩升降、电动旋转过程中不摇摆，减少了集装箱在吊运过程中的相互碰撞;具有的电动旋转功能，方便集装箱平稳无碰撞过门吊支腿和准确对位摆放，易实现铁路装箱要求箱门朝内摆放的作业要求;具有的电动转锁功能，简化了原吊具转锁开闭操作，提高了作业效率；工字形框架结构缩短了承重钢丝绳，提高了现有门吊的有效作业高度，可实现集装箱“堆二过三”作业，提高了货场容量，经济效益明显;且操作简单，维修方便，真正实现了人箱分离，完全解放了司索工,可杜绝人身伤亡，每个作业台班可以减少2 人，三班作业最少可以减少6 人，每年节省的人工成本和安全效益可观。

现有的36 t及以上普通吊钩式门吊均可使用此吊具，吊具卸下时，仍可以装卸其他货物，实现一机多用，互换性好。

自平衡旋转集装箱吊具成本只需40 多万元，利用此吊具改造简易集装箱门吊1 台也只需60多万元。

自平衡旋转集装箱吊具结构简单、紧凑，无复杂的液压系统，安全、清洁、无污染。

它可有效解决撞箱和装卸效率低下的矛盾，且投资少，见效快，安全性大幅度提高, 是现有吊具理想的升级换代产品，将推动集装箱装卸领域的技术进步。