摘 要

岸边集装箱起重机（简称“岸桥”）是安装在港口码头岸边的，专门用于集装箱码头对集装箱船进行装卸作业的专业设备。岸桥的装卸能力的强弱和装卸速度的快慢直接决定了码头作业生产率的高低，因此岸桥是装卸港口集装箱的重要设备。而小车运行机构作为岸桥的重要机构，直接影响着岸桥作业的生产率。依据起重机设计规范及起重机设计手册，完成了50t-54m岸边集装箱起重机的总体设计和小车运行机构的设计计算，内容包括确定四个主要工作机构与金属结构的型式、质量和质心的估算、载荷计算、轮压计算、抗倾覆稳定性验算以及小车运行机构的具体设计计算。同时，还进行了小车运行机构的三维建模，以及小车运行过程的仿真。

关键词：岸边集装箱起重机；岸桥；总体设计；小车运行机构；三维建模

Abstract

The quayside crane is a kind of specialized equipment for container terminal loading and unloading operations on container ships. The loading and unloading capacity and speed of the quayside crane directly determine the terminal operation productivity. Therefore, the quayside crane is the main equipment for port container loading and unloading. The trolley running mechanism, as an important mechanism of the quayside crane, directly affects the productivity of the quayside crane operation. After reviewing the crane design specifications and related references, the overall design of the 50t-54m quayside crane and the design calculation of the trolley running mechanism were completed, including the determination of the type of the four main working bodies and metal structures, estimation of quality and centroid, load calculation, wheel pressure calculation, anti-overturn stability check calculation and specific design calculation of trolley running mechanism. At the same time, the three-dimensional modeling of the trolley running mechanism and the simulation of the trolley running process were also carried out.

Key Words：quayside crane；overall design；trolley running mechanism；three-dimensional modeling

目录

第1章　绪论 1

　　1.1目的和意义 1

　　1.2国内外研究现状分析 1

　　1.3设计内容 3

第2章　岸边集装箱起重机总体设计计算 4

　　2.1主要技术参数 4

　　2.2 工作机构选型 4

　　2.2.1起升机构 5

　　2.2.2小车运行机构 6

　　2.2.3大车行走机构 7

　　2.2.4俯仰机构 8

　　2.3金属结构的选型 9

　　2.3.1门架 9

　　2.3.2大梁结构 10

　　2.3.3拉杆 10

　　2.4质量、质心估算 10

　　2.5载荷计算 13

　　2.5.1自重载荷 13

　　2.5.2起升载荷 13

　　2.5.3惯性载荷 14

　　2.5.4风载荷 15

　　2.6轮压计算 21

　　2.7整机抗倾覆稳定性计算 24

　　2.7.1基本稳定性 24

　　2.7.2动态稳定性 25

　　2.7.3非工作最大风载荷时的稳定性 28

第3章　岸边集装箱起重机小车运行机构设计 31

　　3.1运行支承装置的设计 31

　　3.1.1轨道 31

　　3.1.2车轮 31

　　3.2运行驱动装置的设计 34

　　3.2.1驱动形式 34

　　3.2.2钢丝绳 35

　　3.2.3卷筒 35

　　3.2.4计算稳态运行阻力 35

　　3.2.5选择电动机 37

　　3.2.6选择减速器 38

　　3.2.7选择制动器 40

　　3.2.8电动机的校验 42

第4章　小车运行机构三维建模及仿真 45

　　4.1零部件三维建模 45

　　4.2创建装配体 47

　　4.3仿真 48

第5章　总结与展望 49

　　5.1工作总结 49

　　5.2展望 49

　　5.3经济性与环保性分析 49

　　5.3.1经济性分析 49

　　5.3.2环保型分析 50

致谢 51

中外文参考文献 52

第1章　绪论

1.1目的和意义

岸边集装箱起重机（简称“岸桥”）是安装在港口码头岸边的，专门用于集装箱码头对集装箱船进行装卸作业的专业设备。岸桥的装卸能力的强弱和装卸速度的快慢直接决定了码头作业生产率的高低，因此岸桥是装卸港口集装箱的重要设备，在国内外的各集装箱码头得到了十分广泛的应用。

小车运行机构作为岸桥的重要机构，直接影响着岸桥作业的生产率。通过小车运行机构在装设于主梁上的小车轨道上的移动，配合小车下方集装箱吊具的运动，可实现对货船上集装箱的装卸作业，使集装箱实现货船和堆场之间的位置变换。

本设计的主要目的是完成岸边集装箱起重机总体设计计算及岸边集装箱起重机小车运行机构设计，意义是设计出安全、可靠、高效的小车运行机构，为现代岸桥总体及小车运行机构设计提供一个可行方案。

选择“岸边集装箱起重机总体及小车运行机构设计”作为自己毕业设计的题目，主要是考虑到我签约了位于集装箱码头的公司，但我目前对岸边集装箱起重机的设计流程和设计方法方面的知识和经验还十分匮乏，因此，选择了此题目进行毕业设计。希望在一个学期的毕业设计过程中，能全方面地学习岸边集装箱起重机的设计流程和设计方法，并能掌握Excel、AutoCAD及Solidworks等软件的操作使用，为自己今后的工作奠定一定的基础；同时，希望能够在设计过程中养成一种良好的学习习惯和严谨的工作态度，并能进一步加强与他人沟通、交流、合作的能力。

1.2国内外研究现状分析

　　岸边集装箱起重机（简称“岸桥”）是集装箱码头的主要装卸设备，它的性能直接影响了码头的装卸作业效率。目前，国内外已对岸桥开展了各项深入的研究。

　　目前，集装箱码头正在朝着自动化的趋势发展，自动化的相关研究是一个热点。例如，连磊、王凤对盐田港的岸桥进行了半自动化改造^[1]，改造后的半自动操作消除了手动操作可能存在的碰撞危险，降低了电气冲击，提高了设备的安全性能及利用率，延长了其使用寿命；2016年在哈尔滨举行的的电气和电子工程师协会国际会议上，Umer Hameed Shah、Mingxu Piao、Keum-ShikHong和Sang-Hei Choi讨论了利用开环控制系统是集装箱被运输到指定地点并能够消除残余振动^[2]；无独有偶，2016年在韩国举行的一场关于控制、自动化和系统的国际会议上，Mingxu Piao、Umer Hameed Shah、Sang-Hei Choi和Keum-Shik Hong讨论了类似的问题^[3]；另外，在中国，王晓亮、富茂华研究了双起升岸边集装箱技术及其在自动化码头的应用^[4]，相信这项技术同自动化、远程操控等新技术在未来必将大显身手。

安全第一是我们在进行设计和生产中所必须遵循的一个原则，因此，关于安全方面的问题，是我们在设计岸桥的过程中绝不能疏忽的。为确保岸桥的安全运行，防止事故的发生，我们有必要通过乌云图、李娜、蔡晋辉提出的一些技术手段对其进行疲劳寿命预测，所得数据对于岸桥的保养及维修具有很大的参考价值^[5]；针对沙特岸桥前大梁偏斜的问题，耿金贯、赵文婷、谈奇进行了研究，总结了单箱梁单铰点岸桥前大梁发生偏斜的原因和四个矫正措施，从源头上控制了大梁偏斜的问题^[6]；在岸桥作业时，有大梁撞到货船的安全隐患，而原先的钢丝绳及限位保护装置已不适用，为此，崔晔、彭志华提出了基于激光扫描技术的岸边集装箱大梁防撞装置改造的方案^[7]；针对岸桥在制造期间拉杆应力和承轨高低差的问题，钱旭强、徐建中、钱亮亮、卢玉春进行了原因阐述和工艺优化^[8]；为确保岸桥使用的安全，锚定装置的研究是必不可少的，锚定装置必须与码头预埋锚定坑相匹配才能起作用，为此张连翌、黎宁生做了相关研究^[9]；在岸桥运输过程中，摇晃是必然存在的，这会对岸桥的稳定性与安全性产生影响，因此张江朋做了有关防摇控制系统的研究^[10]；另外，风载荷和雷电对于岸桥安全性的影响也十分巨大，防风和防雷等防止自然侵袭，保障岸桥安全作业的研究也是安全研究必不可少的部分。为此，吴钊丞、张向平做了岸边集装箱起重机的防风设计^[11]，肖炳林做了岸边集装箱的防雷措施及应用的研究^[12]。

在进行岸桥生产作业的过程中，节能环保是必须要考虑的一个因素，因此，李星、李波对节能降耗技术进行了研究^[13]，Bo Wen、Qiang Jin、Hong Huang、Puja Tandon和Yuanhang Zhu对岸桥寿命周期内的环境影响进行评估^[14]。

此外，针对传统施工工艺产生的面漆后动火的现象，彭志华、傅世辉、郑嘉鸿研究了电气管路沟通的改进方案，从根本上杜绝面漆后动火的问题^[15]。

随着船舶规模和每船平均在港口装卸量的迅速增加，岸桥的装卸效率必须跟上船舶的要求，因此岸桥的换代升级也势在必行。集装箱运输船舶的大型化，特别是超巴拿马船型的发展，对岸桥的设计制造提出了更高的要求：一是提高岸桥的技术参数，如岸桥速度参数高速化、外伸距和起升高度增大、吊具下额定起重量提高；二是设计开发出更高效率的岸桥装卸系统，来满足船舶大型化对岸桥生产率提升的要求。

在国内，目前18000标准箱集装箱船已经投入运营。其船长为400米，宽为59米，吃水深度为16.5米，在其甲板上可堆放数量十分可观的23排集装箱。24000标准箱集装箱船现在正在设计建造之中，其船长为479米，宽为64米。

目前，国内在役的岸桥前伸距最长为70米，而接卸24000标准箱集装箱船的岸桥前伸距将达到80米，甚至100米。为保证较高的生产率，小车运行速度要达到更快的水平。

我国青岛港和上海港已率先建成了自动化集装箱码头，可停靠19000标准箱和未来将投入运营的24000标准箱集装箱船舶，作业效率达每小时40标准箱。其岸桥对集装箱船舶装卸采用远程遥控操作，是国内首批全自动化集装箱码头，也是目前装卸效率最高的自动化集装箱码头。

在国外，第八代即24000标准箱集装箱船即将建成，并将产生规模经济。

目前，国外的岸边集装箱起重机已经基本走向自动化、标准化和系列化。目前在役的岸边集装箱起重机由Nelcon、Mitsubishi、Noell、Mitsul-Paceco、Kone、Sumitimo HI、Morris、Reggiane-Paceco和Mitsubishi等公司所生产，其中Nelcon公司产品最多。

1.3设计内容

　　（1）岸边集装箱起重机总体设计计算

　　1）选择合理的岸边集装箱起重机各工作机构和金属结构型式；

　　2）进行整机总体布置，估算各部分质量及质心位置和迎风面积及风力作用位置；

　　3）完成整机稳定性校验，进行轮压计算；

　　（2）完成岸边集装箱起重机小车运行机构设计

　　1）确定小车运行机构传动布置方案；

　　2）完成小车运行机构的设计计算；

　　3）完成小车运行机构的三维建模。

　　（3）对设计方案进行经济和环保分析

第2章　岸边集装箱起重机总体设计计算

2.1主要技术参数

本设计的岸边集装箱起重机设计参数如表2.1所示：

表2.1　50t-54m岸边集装箱起重机设计参数

2.2 工作机构选型

　　岸边集装箱起重机有起升机构、小车运行机构、大车行走机构、俯仰机构等四种主要工作机构，现对这四种工作机构进行选型。

2.2.1起升机构

　　起升机构是岸边集装箱起重机最重要的机构，它能使载荷升降，其工作性能的好坏会直接影响到岸边集装箱起重机的技术性能。起升机构主要由驱动装置、取物装置、钢丝绳滑轮组卷绕系统、制动装置等组成。

2.2.1.1起升驱动装置选型布置

起升驱动装置由原动机、卷筒、减速传动装置、制动器、机架等组成。其布置形式因起重量、取物装置、起升速度及使用场合的不同而有所不同。

在岸边集装箱起重机中，常采用两组参数完全相同的起升驱动装置。本设计选择两台减速器居中，两侧分别布置电机和卷筒的布置形式，如图2.1所示。

图2.1　起升驱动装置布置示意图

该布置形式使两卷筒之间距离较大，有利于减小钢丝绳对卷筒的偏角以及大梁尾部滑轮组的布置，所用减速器易于制造，可减小机房内维修起重机的起重量，但是占用的空间较大，设计时应该注意在各部件之间留出检测和维修的空间，并配备同步联轴器。

2.2.1.2取物装置的选型

集装箱吊具是起重机装卸集装箱的专用吊具，它通常由吊具架、伸缩装置、旋锁连接装置、导向装置和操纵控制装置等组成。

本设计选用伸缩式吊具，如图2.2所示。伸缩式吊具有由伸缩架和底架组成的吊具架，通过液压传动的方式驱动油缸或链条可使吊具架伸长或缩短，进而改变吊具的长度，来适应装卸不同规格的集装箱的要求。这种吊具的特点是：结构较复杂、重量较大，但操作灵活，长度调节方便，生产效率高，通用性强，目前是世界上的集装箱专用机械最广泛使用的吊具。

图2.2　伸缩式吊具

2.2.1.3 钢丝绳滑轮组卷绕系统选型

　　由于桥架型起重机多采用双联滑轮组，故选择双联滑轮组为起升滑轮组的形式。选择起升滑轮组倍率为2。起升滑轮组构造如图2.3所示。

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