岸边集装箱起重机总体结构设计及小车驱动机构的选用Word下载.docx
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7.展望………………………………………………………………37
8.致谢辞…………………………………………………………35
参考文献…………………………………………………………………38
1.绪论
1.1发展历史及前景
在起重运输中,集装箱运输是运输方式的一场革命。
它是于上世纪50年代中叶,在美国脱颖而出的。
这种将货物放在特制箱子里再置于船上的运输方式,对于传统的用舱口式货船运输件杂货是一场挑战。
它的强大生命力正促成一场运输革命,正在并将一直改变世界港口、船舶、航道和装卸设备及装卸工艺的传统格局。
它使世界各国的国际贸易往来有了大的发展,为全球一体化提供了重要条件。
由于超巴拿马型船的发展,集装箱船的装载量由过去的1100~2000箱发展到现在的5000~6000箱,8000箱船也将在世纪之交诞生。
据国际集装箱化年鉴的统计,目前全世界共有无吊杆的全集装箱船2245艘。
其中3000箱以下的船为1932艘,约占86%。
在集装箱海上运输进入超巴拿马时代,由于其强大的生命力,在60年代,集装箱货运量在海运中的比重仅为12%~14%;
而进入90年代,已发展到30%(其余为散货和液体燃料)。
90年代以来,随着全球经济贸易的增长,集装箱运量激增,它也引起了船舶大型化及集装箱深水码头数量的增加。
对集装箱港口装卸工艺和和装卸技术装备提出了更新更高的要求。
岸桥的发展方向更趋向于大型化、高效化。
1.2超“巴拿马型”岸桥
超巴拿马型集装箱运输船的诞生引发了航运和港口的一场革命,许多传统正在起变化,在航运界兴起的超巴拿马热中,不少港口不论水深航道和码头条件,一律采购超巴拿马型起重机。
我的项目则是(上海振华港机公司)为新泽西马士基港口制造的61吨超巴拿马型集装箱岸桥。
按照接卸船型分类,是超巴拿马型岸桥。
所谓超“巴拿马型”岸桥是指:
国际航运界习惯用巴拿马运河允许通过宽来定义船舶,凡超过32米限宽的船舶,就叫超巴拿马型船。
而能装卸超巴拿马型船的岸桥就叫超巴拿马型岸桥。
大型起重机上小车的驱动方式主要有两种,即牵引小车或者自行式小车。
采用的是是自行式载重小车。
这种小车的驱动机构和主起升机构都安装在起重小车上,起升绳长度短,钢丝绳使用寿命长,结构紧凑,吊具易于对箱。
不过,小车自重较大,自身产生的轮胎压力也较大。
对于码头要求较高。
按可限制岸桥高度分类,是俯仰式主梁。
非工作状态仰起80度,好挂钩;
工作风状态,仰起45度,其下净空可安全避开船舶的上层建筑,主梁的顶部高度不会影响航线。
1.3最新技术的运用
在岸桥的各个设计细节中,越来越多地使用了机电方面的高新技术,提高自身的装卸效率。
1.采用了先进的电子信息技术来实现自动化控制;
2.运用了吊具自动纠偏对位功能;
3.利用国际上最先进的有限元分析方法合理优化结构刚性,使岸桥整机结构具有很好的刚性;
4.安装了完善的降低设备风险的安全设施、故障显示装置;
5.采用目前国际上最先进的电子防摇,防风振技术。
2.岸桥的主要结构参数和基本技术
岸桥的基本参数描述了岸桥的特征、能力和主要技术性能。
基本参数主要包括几何尺寸、起重量、速度、控制与供电及防摇要求和生产率等。
几何尺寸参数是表示岸桥作业范围、外形尺寸大小以及限制空间的技术数据,主要有以下8个参数:
外伸距(前伸距)轨距后伸距基距
轨上/轨下起升高度联系横梁下的净空高度门框内净宽
岸桥(大车缓冲器端部之间)总宽
此外,还有门框下横梁表面离地高度,门框外档宽度,前大梁宽度/小车总宽度,梯形架顶点高度,仰起后岸桥总高,前大梁前端点离海侧轨道中心线的水平距离,后大梁尾端离陆侧轨道中心线的水平距离,前大梁下表面离地高度,缓冲器安装高,岸桥与船干涉限制尺寸以及岸桥与码头固定设施或流动设备干涉的限制尺寸等等。
图表1起重机总体参数简图
2.1岸桥几何尺寸参数
2.1.1外伸距:
R0
定义:
小车带载向着海侧运行到前终点位置时,吊具中心线离码头海侧轨道中心线之间的水平距离。
确定因素:
船宽(甲板上集装箱排数)、层高、船的倾斜角、船舶吃水、码头前沿(岸壁至海侧轨中心线)的距离F、码头防碰靠垫(也称护舷)的厚度f、以及预留小车制动的安全距离等。
根据码头实际情况,综合考虑以上因素,按用户要求取R0=50.5m
2.1.2后伸距:
Rb
小车带载向着陆侧运行到后终点位置时,吊具中心线离码头陆侧轨道中心线之间的水平距离。
按搬运和存放集装箱船的舱盖板,以及特殊情况下为接卸车辆的一条通道或临时堆放集装箱的要求来确定。
根据码头实际情况,综合考虑以上因素,按客户要求取Rb=23m
2.1.3轨距:
S
轨距是码头上海侧与陆侧两轨道中心线之间的水平距离。
目前,世界各国已经形成了一些岸桥的轨距系列。
但尚无国际标准。
轨距越大,对起重机的稳定性越有利,轮压也可降低,但加大码头前沿区域的面积从而增加了投资。
考虑新泽西为一较大规模的专业化集装箱码头,宜取较大轨距,所以取S=30.48m(100ft)。
2.1.4起升高度H
起升高度H包括轨上起升高度Hu和轨下起升高度Hd。
轨上起升高度:
是指吊具被提高到最高工作终点位置时,吊具转锁箱下平面离码头海侧轨顶面的垂直距离;
轨下起升高度:
是指吊具被下降到最高工作终点位置时,吊具转锁箱下平面离海侧轨顶面的垂直距离。
确定因素
轨上起升高度Hu:
因满足在下列条件下能搬运最高层箱子到路侧区域:
对象船处于高水位、轻载吃水、甲板上堆箱层数、船舶横倾到允许值[]、并留安全过箱高度H。
按用户要求取Hu=37.5m
轨下起升高度Hd:
受码头标高、潮差、码头前沿水深、对象船的装载特性等。
按用户要求取Hd=16.5m
2.1.5联系横梁下的净空高度Chp(到海侧轨面上)
海陆侧门框联系横梁下平面与码头面的距离。
它是为使岸桥门框之间可以通过流动搬运设备,如火车、集卡等。
按用户要求取Chp≥16.75m
2.1.6门框内宽Cwp
进入司机室平台以下的海陆侧门框左右门框内侧之间的距离。
它是门框内宽主要是为了保证船舶的仓盖板和超长集装箱能通过门腿之间。
按用户要求取Cwp≥18.3m。
2.1.7基距B
门框下横梁上与左右两侧大车行走机构大平衡梁支点之间的中心距离。
基距越小,岸桥在侧向风力或对角方向风力作用下的轮压越大,侧向稳定性越差,因此,在岸桥总宽Wb允许下,B应尽可能的取大些行走支点越靠近门框立柱中心越好。
根据经验及规范,我们取B=13775mm
2.1.8岸桥总宽Wb
岸桥同一侧行走轨道上的左右两组行走台车外侧缓冲器端部之间,在自由状态下的距离。
为使多台岸桥同时作业,Wb应尽量取小。
一般为26~27m,这时2台起重机可以能中间隔着一个40ft箱位而同时作业。
我们取Wb=27,000mm
2.1.9门框下横梁上表面离地高度Hs
如上小标题
为了提高装卸速度,吊具带着集装箱经过门框下横梁上表面高度越低越好。
因此,门框下横梁上表面离地高度Hs有一定限制,我们取Hs=6,450mm
2.1.10门框外挡宽度Wp
门腿左右立柱截面外侧翼缘表面之间的水平距离。
主要由门框两立柱内档净空尺寸、大车总宽度,以及两台岸桥紧靠在一起时不产生干涉为前提来决定。
按用户要求取Wp=222,000mm
2.1.11前大梁宽度Bb或小车总成宽Bf的限制
为了装卸最近上层建筑的20ft的集装箱,前大梁总宽或小车总宽不能超过2X4.55=9.1m,再考虑余量,一般控制在8.9m以内。
但根据实际情况可适当加宽。
按用户要求取Bb=4200mm,Bf=9300mm
2.1.12梯形架顶点高度H0和仰起后岸桥总高Hs
梯形架顶点高度H0是指前大梁放平时梯形架的最高点离开海侧轨道顶面的垂直距离。
仰起后岸桥总高Hs是指在非工作状态下前大梁处于仰起挂钩位置,前大梁的最高端点至海侧轨道顶面的垂直距离。
由所处码头上方有航空障碍高度限制决定。
在非工作情况且无高度限制(125m以上时被认为无高度限制)时,可设计成全仰式普通前大梁(一般为80度仰角)。
有高度限制的设计成鹅颈式折臂前大梁或小仰角前大梁。
本次设计的为第一种。
2.1.13轮距:
车轮与车轮之间的间距
根据用户要求取≥1.1m
2.2速度参数
2.2.1起升(下降)速度
集装箱吊具提升或下降的线速度。
1.1额定起升(下降)速度:
吊具吊着额定起重量(通常称满载)的吊具,在起升卷筒牵引下集装箱的起升或下降的线速度。
1.2空吊具起升(下降)速度:
吊具在起重卷筒的牵引下,吊具的起升或下降的线速度。
由用户根据所需工作效率给出:
90米/分(吊具下61吨);
180米/分(空载)。
2.2.2小车额定运行速度
在作业工况下,带着额定起升载荷逆风运行时的最高稳定线速度。
装卸作业循环的时间,主要包括垂直运动的升(降)时间和小车水平运行时间,故提高小车运行速度对减少作业循环时间、提高生产率效果明显。
根据客户要求,小车采用自行式载重小车。
具体介绍见第四章第一节概述部分。
在50%的工作风载下,满载和空载时小车运行速度:
240米/分。
2.2.3大车运行速度
在规定的作业工况下,小车带着额定起升载荷,起重机逆风水平运行的最高稳定线速度。
根据客户要求,满载和空载时大车运行速度:
46米/分。
在风压为q=450N/m,空载并且大梁升起时大车运行速度:
36米/分。
2.2.4前大梁俯仰时间
前大梁从水平位置运动到仰起的挂钩位置的时间。
根据用户要求:
从水平到80度单程≤5分钟,包括挂钩/抬钩的时间
从水平到45度单程≤3分钟,包括挂钩/抬钩的时间
2.3其他参数
2.3.1额定起重量:
吊具下61吨,吊架下70吨,吊钩横梁下91吨;
2.3.2集装箱型号:
20'
、40'
国际标准集装箱;
2.3.3挂舱:
液压油缸防挂舱;
2.3.4岸桥的环境条件:
起重机的设计和制造应使起重机能完全承受下述自然条件,并使起重机在正常操作和维护保养得当的情况下,具有不低于20年的使用寿命。
风力:
最大工作风速24.6米/秒,
最大非工作风速53.6米/秒
相对湿度:
最大99%。
室外温度:
-26C~+45C。
2.4双向防摇系统的运用:
RTG/RMG的双向防摇系统
众所周知:
悬挂物当悬点起制动时(小车、大车平移,起重臂作旋转),货物要发生摇晃,如何防止摇晃是所有起重机均要处理的共同问题。
好的“防摇”措施将会大大提高机械的生产效率。
过去广泛采用的机械式、液压式、电子式以及用司机“手动跟钩”方式,实现防摇,都有其局限性,而且有的措施构造复杂,不但占用了RTG/RMG(轮胎式集装箱龙门起重机/轨道式集装箱龙门起重机的英文缩写)宝贵的结构空间,而且加大了维修保养工作量。
对于集装箱机械来说,这些传统的防摇方式还有一个共同的缺陷,那就是只能解决一个方向(大车或小车)的防摇问题,而实际上RTG/RMG均需要两个方向防摇。
为此,世界同行们纷纷都在研究和开发新的技术措施来实现两个方向防摇,以满足集装箱运输高效化对提高场桥装卸效率的要求。
ZPMC研究了集装箱自动化码头已成功应用的防摇技术,并结合自己多年生产RTG/RMG的经验,开发了一种全新的用于RTG/RMG的双向防摇系统。
主要特点:
ZPMC最新防摇系统,适用于起升高度小于20-23米的RTG/RMG。
它的特点是对起升悬吊系统进行了本质性改进:
采用了所谓倒挂三角形的悬挂系统。
为此,小车上的起升机构也需作相应改进,由单卷筒改为双卷筒,为了紧凑机构可以采用内置式驱动装置。
新系统提高了悬挂刚性,使RTG/RMG具有极好的两个方向(大车和小车)抗摇摆能力。
新系统具有如下特点:
1.实现了不只是小车运行方向有良好防摇功能,大车运行方向也要有良好防摇功能,特别有利大车吊箱行走。
2.开发了具有良好刚性又可平移和旋转的吊具上架,这种上架通过油缸的作用,使吊具沿小车和大车两个方向平移和沿垂直轴旋转,既具有三个自由度,由于悬挂系统的刚性好,无论是平移还是旋转,均可以将反作用力传递到小车上去,因而不会产生新的反向扭转和晃动。
这也是一般悬挂系统无法做到了。
3.除去常规的旋转±
5度以外,上架上的油缸装置可以使吊具沿大车和小车方向作位移(300-400毫米),这对不移动大车和小车快速对箱是非常有利的。
若再增加图象处理系统,可以实现装卸作业半自动化。
为了掌握RTG/RMG新的防摇系统的效果和第一手资料,ZPMC在上海港洋泾码头对一台已改装有新的双向防摇系统的四过五的RMG进行了大量的试验和测量。
用不熟练司机操作,在小车速度为70米/分时,吊重箱靠近地面,制动小车,集装箱底面在第一次摇摆周期的摇晃度一般不超过±
25毫米在大车速度为60米/分时,吊重箱靠近地面,制动大车,集装箱底面的摇晃度在第一次摇摆周期即小于±
25毫米。
这个数值是一般常规防摇手段根本无法达到的。
试验表明,由于第一次摇摆周期内(通常为第三周期内),摇晃度即达到公认的对箱的要求,大大提高了劳动生产率。
如果将箱子提高,它的效果会更好。
新的防摇系统可以做到小车停吊具即停,大车停吊具即停,根本不发生摇晃。
2.5设计准则
2.5.1设计规范:
在本设计中,按照买方文件[7],采用
AISC(美国钢结构协会)
AWS(美国焊接协会)
ASTM(美国材料和试验协会)
CMAA(美国起重机制造协会)
BSI(英国标准协会标准)
DIN(德国工业标准)
FEM(欧洲搬运工程协会)规范
NEMA(国际电气制造者协会)
ISO(国际标准)
JIS(日本工业标准)
OSHA(职业和安全与健康管理局)
SSPC(钢结构涂装标准)
UL(布线标准)
2.5.2起重机工作级别:
2.4.2.1定义:
它是表征起重机和机构工作繁重程度的参数。
整机的工作级别:
起重机的利用等级和载荷状态,及等寿命原则。
机构的工作级别:
机构的利用等级和机构载荷状态,及等寿命原则
在本设计中,买方文件[7]中明确提出了对起重机和机构的工作级别的要求。
2.5.2.2整机工作级别[6]:
根据FEM规范,表T.2.1.2.4,
利用等级:
U8载荷状态:
Q3工作级别:
A8
2.5.2.3岸桥机构工作级别[6]:
根据FEM规范,表T.2.1.3.4
机构名称
利用等级
载荷谱等级
工作级别
电机工作级别
主起升机构LL+LLS
T8(50,000h)
L3
M8
S5-60%
主起升机构LS+LL
T5(6300h)
L2
M5
S5-25%
主起升机CBLS+CBRL
小车机构LL+LLS
小车机构LS+LL
小车机构CBLS+CBRL
大车机构
T6(12,500h)
S2-2min
俯仰机构
S2-20min
图表2岸桥机构工作级别
注:
表中的各个字母参数含义见计算载荷组合中的表格
2.5.3传动效率
2.5.3.1减速器(直齿或斜齿)
低温:
96%------用于设计最大负载和加速情况下的电动机力矩
高温:
98%------用于正常工作机构、主起升制动器以及制动器的停车和制动状态的力矩计算。
2.5.3.2开式传动
96%-------已经包含卷筒缠绕和联轴器的损失
98%------用于制动器的停车和制动状态的力矩计算
以上数值根据ANSIB30.2[7]
2.5.4计算载荷组合:
根据标书中的买方规定[7](源于Liftech所编技术规范[15])
2.4.4.1稳定性
工作状态的各载荷组合的系数列表
工作状态
负载种类
ST1O
ST2O
ST3O
ST4O
ST5O
ST1SC
ST2SC
DL
静负载
1.0
TL
小车负载
CBLS
前大梁系统
CBRL
额定负载
1.15
LS
起升系统
LL
起升负载
IMP
冲击负载
LATT
小车水平惯性力
LATG
大车水平惯性力
1.5
WLO
有效风载
STL
堵转载荷
COLL
碰撞载荷
图表3稳定性计算各载荷组合系数(工作状态)
ST1O:
任何一条支腿都不能抬起
ST2O:
ST3O:
只允许一条支腿抬起
ST4O:
只允许一个支腿抬起
ST5O:
非工作状态的载荷组合的系数列表
非工作状态
ST1S
ST2S
ST3S
ST4S
1.0
0.9
前大梁系统
前大梁负载
起升系统
起升负载
冲击
小车水平惯性
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