青岛港40.5t-37m轨道式集装箱门式起重机的研制
摘 要 轨道式集装箱门式起重机因其节能、环保、高效等诸多优势，已得到越来越多的应用，并逐渐成为许多新建大型集装箱码头的{sx}机型。本文分析了青岛港前湾四期集装箱码头40.5t-37m轨道式集装箱门式起重机的整机构造特点、技术参数、各部分关键技术等。
关键词 轨道式集装箱门式起重机，结构，机构，电气，设计
轨道式集装箱门式起重机（简称RMG）以其作业效率高、场地利用率高、自动化程度高、故障率低、能耗低、运营成本低和环保等优势而得到越来越多的青睐，目前许多新建的大型集装箱专业码头越来越多地抛弃传统的轮胎式集装箱门式起重机（简称RTG）的堆场工艺方案，而改用RMG进行堆场，如英国泰晤士港、鹿特丹ECT港、台湾高雄港、香港HIT码头、青岛港前湾集装箱码头四期工程、青岛招商局集装箱码头、大连港大窑湾集装箱码头三期工程、天津港五洲国际集装箱有限公司等。我国新规划的18个铁路集装箱中心站更是选用了RMG作为堆场主要设备。
青岛港40.5t-37m轨道式集装箱门式起重机由交通部水运科学研究院设计、青岛港（集团）有限公司港机厂制造，是青岛港前湾四期集装箱码头的堆场设备。该码头设计年通过能力640万标准箱，码头岸线全长2640米，可停靠载箱量15000标准箱的巨型集装箱船，并预留停靠载箱量18000标准箱的超大型集装箱船的条件，是国内外{zd0}的集装箱码头工程之一，同时也是青岛市打造东北亚国际航运中心的重大工程之一，定位于世界{yl}的国际中转数字码头，是全部采用RMG进行集装箱堆场的国内外{zd0}的集装箱专业码头。
1 整机技术特点
青岛港40.5t-37m轨道式集装箱门式起重机为双悬臂双梁门式起重机。起重机可以沿地面轨道行走，起重小车能够在大梁轨道上行走，并利用专用集装箱伸缩吊具进行集装箱的堆场作业。起重机能做升降、小车运行、大车行走和吊具回转等运动，并设有吊具减摇装置。所有运动均由电动机驱动，并可单独和联合运行。
起重机的整机工作级别为A7（U7、Q2），起升机构和小车运行机构工作级别为M7（T7、L2），大车运行机构工作级别为M6（T6、L2）。起重机跨距为37m（跨12列集装箱），两端有效伸距均为5m（各跨1个集装箱拖挂车道），基距17.2m。{zd0}起升高度为21米（堆六过七）。
为降低起重小车的自重，减少迎风阻力，提高小车运行速度和运行平稳性，起重小车上不设机器房，起重机各个机构的电动机、制动器和万向传动轴上安装有轻便、坚固的玻璃钢防护罩，便于维护。
起重机供电采用AC10kV、50Hz三相交流电，变频调速电缆卷筒供电。高压房和电气房设置在有电缆卷筒侧大梁的外侧，小车电缆拖挂系统则布置在另一侧大梁的外侧。
起重机的起升机构、小车运行机构、大车运行机构、吊具减摇装置的驱动系统全部采用交流变频调速、PLC控制，运行平稳可靠，并由计算机进行故障检测。
驱动系统采用逆变器将再生能量反馈给电网，同时变频系统配备有谐波抑制装置，减低或xx谐波对电网的影响，以达到较高的功率因数。
起重机状态监测和管理系统CMS具有数据收集、分析、管理、故障诊断和维护功能。起重机和码头控制中心之间的通讯和数据交换由光纤网络和无线通讯两种方式实现。在电气房和码头控制中心均能显示起重机的主要技术参数和运行状态，并能监测和控制起重机的状态。
起重机的主要配套件选用高质量的国际{yl}产品，如电动机、减速器、小车轨道、钢丝绳、变频器、PLC、变压器、电气元件等全部选用进口产品。
起重机设有完善的机电安全保护装置，如超负荷保护装置、轮边制动器、防风拉索装置、大车锚定装置、小车锚定装置、风速仪、防风铁楔、避雷针、接地靴等，确保起重机的安全可靠运行。
2 主要技术性能参数
本起重机主要技术性能参数如下：
吊具下起重量 40.5t
起升高度 21 m（堆六过七）
轨距 37 m
悬臂有效工作伸距（两端） 5 m
基距 17.2m
起升速度 满载36 m/min，空载80 m/min
小车运行速度 120 m/min
大车运行速度 满载35 m/min，空载120 m/min
大车运行距离 ±370 m
大车轨道 QU100
大车车轮总数/主动轮数 16/8个
集装箱吊具 ISO 20/40英尺全液压集装箱伸缩吊具
吊具回转角度 ±5°
电源 AC10kV，50Hz
3 技术分析
本起重机由门架结构、小车架、梯子平台、起升机构、吊具回转装置、小车运行机构、大车运行机构、集装箱伸缩吊具及上架、吊具减摇装置、大车电缆卷筒、小车电缆拖令系统、电气传动与控制系统、液压系统、润滑系统、电气房和变压器房、司机室、大车锚定装置、防风拉索装置、电气安全保护系统等组成。
3.1 门架结构
起重机门架结构为纵向对称的双悬臂双梁箱型结构，门腿一侧为刚性腿，一侧为柔性腿，以补偿温度和受力的变形影响。
起重机主梁和上横梁形成边框结构，主梁采用偏轨梁，小车轨道采用A75矮轨，整体无缝焊接，轨道下垫有6mm厚橡胶垫片，可有效降低高速小车的运行冲击。小车轨道下部采用T型钢结构，以降低主梁焊缝的疲劳破坏。
起重机门架结构内部布有各种动力、控制和通讯电缆，在上横梁的上翼缘板两端和下横梁的两端共设有8个法兰式出入人孔。
根据起重机的运输和安装方式不同，门架结构有整体焊接和法兰连接两种拼装方式。整体焊接的门架结构形式，即主梁、上横梁、门腿、下横梁等各大部件之间均采用焊接连接，适合于具备制造厂内部装和总装，然后整机上船滚装运输的工艺方案。而门架结构各大部件之间法兰连接的结构形式则适合于工厂制造、大件汽车运输、使用现场拼装的工艺方案。
3.2 机构
3.2.1 起升机构
集装箱吊具的升降由电动机通过联轴器、减速器驱动一个四联卷筒完成。四联卷筒结构型式可以很好地实现吊具的同步升降。在减速器高速轴两端分别装有液力推杆盘式制动器，其中每台制动器的制动力矩为电机轴额定力矩的125%，合计为250%，这样即使一台制动器损坏，另一台制动器仍可保证起吊的安全性。
安装在小车架主梁外侧的电液推杆可以使集装箱吊具实现水平回转±5°，方便装卸集装箱挂车。
起升机构钢丝绳采用进口光面填充式线接触镀锌钢丝绳，抗拉强度为1770N/mm2。
3.2.2 吊具减摇装置
起重机采用机械式吊具减摇装置。减摇装置安装在小车架正下方的减摇平台上，由变频电动机、减速器、链传动、超越离合器、卷筒、钢丝绳、制动器等组成。减摇装置可有效降低吊具在小车运行方向的摇摆，提高起重机的作业效率。
3.2.3 小车运行机构
小车运行机构采用四轮全驱动方式，由4套独立的驱动装置分别驱动4个车轮。每套驱动装置由交流变频电动机、盘式制动器、立式平行轴减速箱、万向传动轴和车轮等组成。这种全驱动形式可有效防止在雨雾和冰雪情况下的车轮打滑。
带双悬臂的RMG，小车轨距很大（本起重机为15.6m），而基距又相对很小，导致小车极易跑偏和啃轨。本起重机小车的一侧轨道前后两端各装有一对水平导向轮，分布在轨道两侧，且带有水平导向轮侧的行走轮采用双轮缘车轮，另一侧行走轮为无轮缘车轮。这种设计方法可以大大减小偏轨主梁在承载后旁弯引起的车轮啃轨阻力；同时车轮的双轮缘、水平轮和小车架上的防坠落挡块，形成了防小车脱轨、坠落的多重保护。
3.2.4 大车运行机构
起重机大车运行机构共16个车轮，其中8个为主动轮，8个为从动轮。大车车轮全部为双轮缘。每个主动车轮采用一台套轴式三合一减速电机驱动，共8套驱动装置。
平衡梁上设有可拆卸的顶升梁。顶升梁上的两个顶升点与大车轨道两侧的预埋件相对应，供大车运行机构维修时用。
大车采用{bfb}制动，除8个主动车轮采用驱动装置自带的制动器实施制动外，另外8个从动轮采用8个轮边制动器作为工作状态的防风制动器。
起重机两侧轨道各采用一对插板式锚定装置，四套大车运行机构外侧各有一根长度可调的防风拉索，作为非工作状态的防风制动。
3.2.5 换绳装置
正常使用的RMG一般每半年左右起升机构钢丝绳就要更换一次。起升钢丝绳直径较粗，僵性阻力大，自重大，目前大多采用高空作业平台车、汽车起重机或专门配备的地面卷扬机辅助更换钢丝绳，是一件费时费力的工作，为此专门设计了一种换绳装置。本起重机共有4根起升钢丝绳，8个绳头需要固定在小车架上不同的位置，本换绳装置一次可以自地面牵引2个绳头至小车架上。
换绳装置采用专门设计的迷宫式滑轮，既可防止牵引钢丝绳脱槽，同时又能比较方便地拆卸牵引钢丝绳。
3.3 梯子平台
梯子平台设计的好坏直接影响起重机的使用安全性和方便性，凡是需要调整维护的部位都设有梯子平台。在空间许可的条件下，本起重机应优先使用斜梯，尽可能避免使用直梯。根据使用经验，斜梯角度过大或过小，都不方便人员的上下行走，本起重机斜梯角度基本控制在45°～55°之间。
集装箱起重机作业时，司机要频繁通过司机室底部的玻璃俯视集装箱吊具的对箱情况，因此司机室底部玻璃必须保持清洁。为清洗司机室底部玻璃外表面（即下表面），本起重机专门设置了司机室清扫平台。清扫平台有两种，一种是固定悬挂在司机室底部，随司机室一起移动；另一种是在司机室后侧的上横梁下部悬挂一个清扫平台，在起重小车向后移到主梁端部时，工作人员即可在清扫平台上清扫司机室底部玻璃。
3.4 维修吊
在起重机一端悬臂上（汽车通道正上方）增加了维修吊，以满足起重小车及主梁平台以上部位的维修使用。维修吊可以将零部件和维修工具自地面起吊到起重小车平台上，或主梁平台上。本起重机有两种形式的维修吊可供选择。
一是回转臂架式维修吊：在臂架端部固定有电动葫芦起重机，人工回转维修吊立柱。这种维修吊起重量较小，只有1t左右；覆盖范围也较小，可以将零部件吊到小车架平台上，然后靠人工来移动零部件。
二是龙门架式维修吊：倒立的U型龙门架固定在两根主梁的悬臂端上方，自行式的电动葫芦起重机可以起吊3t重物，与小车运行机构配合，基本可以全覆盖维修作业面，使用更方便。
3.5 电气控制系统
3.5.1 供电系统
起重机采用交流变频调速电缆卷筒高压供电。上机电压为交流10kV、频率为50Hz。各电动机工作电压为三相380V、50Hz，照明为单相220V、50Hz。变压器为干式，绝缘等级为F级，设置在专门的高压房内。
3.5.2 全变频控制与能量回馈
起重机驱动系统采用再生能量可反馈电网的全数字交流变频调速系统，变频器采用速度闭环矢量控制方式。所有机构均采用独立的变频器，以实现各机构的联合动作。起升机构驱动系统采用恒功率控制方式，能根据负荷的变化自动控制起升速度，且具有良好的低频转矩特性，能实现零速控制，零速时仍能输出{bfb}的额定转矩。起升机构同时设有超负荷保护和集装箱偏载保护等功能。
起重机在各种工作条件下，功率因数不低于0.9。变频调整系统配备谐波抑制装置，能xx谐波对电网的影响。
3.5.3 PLC系统
作为起重机控制中枢的PLC系统由独立变压器供给，不受其他线路干扰。PLC为插拔式结构，I/O接口能处理标准的输入输出信号，并留有使用量10%以上的扩展I/O接口，且有2个以上与计算机通讯端口，具有网络和远程通信能力，可提供实时的程序显示、设备数据和状态，xx满足对控制的要求。
PLC在通电后及操作过程中具有连续的自诊断功能，检测到的故障将被立即清楚地报告出来。起重量负荷检测纳入PLC控制，在司机室内用数码管显示负荷大小及起升高度。
3.5.4 CMS状态监测和管理系统
起重机的状态监测和管理系统CMS计算机采用高性能工控机，具有良好的抗震性能和宽电源波动范围。CMS管理系统可实现起重机的状态监测，即实现对起重机功能有重要影响的电气系统及所有基本元件的状态监测，包括整机工作状态、三大机构工作状态、辅助机构工作状态、吊具工作状态、通讯方式及其它。同时CMS可进行故障诊断与分析，起重机作业统计等。
4 结语
青岛港前湾四期集装箱码头轨道式集装箱门式起重机采用双悬臂全焊接门架结构形式，具有国内{lx1}的技术性能参数和电气控制技术，作业效率高，使用维护方便，节能环保，是一种非常有推广前景的集装箱堆场机型。
起重机的设计采用了许多新技术、新装置，并且更加注重细节设计，增加了起升钢丝绳换绳装置、司机室清扫平台、维修起重机、减摇装置等许多可选配置，小车运行机构采用了特殊的防跑偏、防啃轨新技术，为起重机的使用和维护提供了更大的方便。
参考文献
[1] 张德文，谢琛，陈丽昕. 轨道式集装箱门式起重机的技术分析. 港口装卸，2005（5）：43-47
[2] 张德文. 轨道式集装箱门式起重机门架结构形式的研究. 水运科学研究所学报，2003（9）：18-22
