（车辆工程专业论文）集装箱门式起重机结构选型与参数化分析软件研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第j 页 摘要 论文针对铁路集装箱装卸的具体要求，分析研究了铁路货场集装箱装卸机械 的合理配置和结构选型，并以轨道式集装箱门式起重机“u ”型金属结构为研究 对象，应用模糊优化方法、有限元智能分析和参数化技术等现代设计理论与方 法，对其进行了系统性研究，编制了实用的参数化一体设计软件，以期达到精 确和高效地设计轨道式集装箱门式起重机“u ”型门架结构，使其在功能性、经 济性和可靠性等方面得以完整体现。 ( 1 ) 根据集装箱装卸运输发展的需要，结合铁路实际，经分析比较，证明 轨道式集装箱门式起重机以其作业效率高、劳动强度低、运营费用少、环境污 染弱、使用寿命长、场地利用率好、较易实现自动化控制等特点，应成为铁路 集装箱装卸机械的主要机型。同时，由于“u ”型金属结构受力状态好、稳定性 强、过腿空间大，是轨道式集装箱门式起重机的首选结构型式。 ( 2 ) 在充分考虑轨道式集装箱门式起重机u 型门架金属结构系统的完整性、 结构变量的离散性和约束边界条件的模糊性等特点后，建立了以结构总重最轻 为目标函数、1 3 个结构参数为离散整数变量、2 5 个模糊约束边界条件的u 型门 架结构系统模糊优化模型，并采用非线性混合离散变量优化解法m d o d 求解，从 而一次性完成主梁、支腿和下横梁的整体优化。 ( 3 ) 在充分考虑轨道式集装箱门式起重机u 型门架金属结构系统的完整性、 对称性和系列化的基础上，应用有限元智能分析方法，采用板单元来离散主梁、 支腿、下横梁和上横梁等箱形结构，通过超单元网格的剖分和组合，实现门架 结构系统有限元网格的自动划分和有限元模型的自动生成，从而达到通过输入 少量的数据即可完成u 型门架结构的有限元智能分析。 ( 4 ) 将轨道式集装箱门式起重机u 型门架金属结构离散变量模糊优化设计 技术和有限元智能分析方法编制成实用的参数化一体软件。本软件系统是采用 v b 开发的w i n d o w s 应用程序，其界面设计遵守w i n d o w s 程序的共有特点， 提供可视化的操作环境，具有良好的操作使用性。 关键词：集装箱；门式起重机；模糊优化；有限元；参数化 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fl o a d i n ga n du n l o a d i n go ft h er a il w a y c o n t a i n e r ，t h ec o n f i g u r a t i o ns e l e c t i o na n dp a r a m e t e r i z a t i o na n a l y s i s s o f t w a r eo fc o n t a i n e rg a n t r yc r a n ea r ep r o p o s e d t a k i n gr a i lc o n t a i n e t g a n t r yc r a n ea sa ne x a m p l e ，u - s h a p em e t a ls t r u c t u r ei sa n a l y z e db yu s i n g m o d e r nd e s i g nt h e o r y ，s u c ha sf u z z yo p t i m i z a t i o n ，i n t e l l i g e n tf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dp a r a m e t e r i z a t i o nt e c h n o l o g y ，e t c a n dt h e ni no r d e r t op r o m o t ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y ，t h es o f t w a r ef o r t h ecrane i n t e g r a t e dd e s i g ni sp r o p o s e d t h et h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t i n g ，l o a d i n ga n d u n l o a d i n go ft h ec o n t a i n e ra n dr a i l w a yp r a c t i c e ，r a i lc o n t a i n e rg a n t r y cranes h o u l db em a i nt y p eo ft h er a i l w a yy a r dd e v i c ei sc o n c l u d e d b e c a u s e r a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n eh a v es o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hw o r k i n g e f f i c i e n c y ，l o wl a b o ri n t e n s i t y ， 1 i t t l e run e x p e n s e s ， w e a k e r e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n 1 0 n gp e r f o r m a n c el i f ea n df i n eu t i l i z a t i o n r a t i oo fp l a c e ，a n de a s yt or e a l i z ea u t oc o n t r 0 1 a n da l s ob e c a u s et h e c r a n eu - s h a p em e t a ls t r u c t u r ef i n ep r e s s e ds t a t e ，s t r o n gs t a b i l i t y ，b i g l e gs p a c ef o rc r o s s i n g ( 2 ) a f t e rc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r so fu - s h a p em e t a ls t r u c t u r eo f r a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n e ，s u c ha ss y s t e mc o m p l e t e n e s s ，t h ed i s c r e t e o fs t r u c t u r ev a r i a b l ea n dt h ef u z z yo fc o n s t r a i n tb o u n d a r y ，t h ef u z z y o p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d i nt h em o d e l ，t h es t r u c t u r ew e i g h t i so b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e ri sd i s c r e t ei n t e g e r v a r i a t i o n t h ei n t e g r a t e do p t i m i z a t i o nc o n s i d e r i n gm a i nf r a m e ，1 e g ， l o w e rs e p a r a t o ri ss o l v e dp e r f e c t l yb yu s i n gn o n l i n e a rh y b r i dd i s c r e t e v a r i a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o dm d o d ( 3 ) o nt h eb a s e so fc o n s i d e r i n gt h ei n t e g r a l i t y ，s y m m e t r ya n dt h e s e r i a t i o no fu s h a p em e t a ls t r u c t u r eo f r a i lc o n t a i n e rg a n t r yc r a n e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ll 页 f i n i t ee l e m e n ti n t e l l i g e n c ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ei se s t a b l i s h e db y u s i n gt h ei n t e l l i g e n tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h i sm e t h o d ，a d o p t sb o a r d e l e m e n tt od i s p e r s ec a s e s h a p e ds t r u c t u r e ，s u c ha sm a i nf r a m e ，l e g ，l o w e r s e p a r a t o r ，e n db e a m ，a n ds oo n ，a n dt h e nr e a l i z ef e mg r i d d i n gd i v i d e d a n dm o d e lb u i l da u t o m a t i c a l l yo fg a n t r ys t r u c t u r es y s t e mb yu s i n gd i v i d e a n dc o m p o s eo fs u p p e rc e l1 ( 4 ) o nt h eb a s i so fd i s c r e t ev a r i a t i o nf u z z yo p t i m i z a t i o na n d i n t e l l i g e n tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es o f t w a r eo fi n t e g r a t e dd e s i g na n d a n a ly z e sf o ru - s h a p em e t a ls t r u c t u r eo fr a i1c o n t a i n e rg a n t r ycraneis c o m p i l e d t h es o f t w a r ea d o p t st h ea p p l i c a t i o np r o g r a mf o rw i n d o w sw h i c h i sd e v e l o p e db yv b ，a n dt h ei n t e r f a c ed e s i g nh a st h ec o m n l o nw i t ht h e c h a r a c t e r so fw i n d o w sp r o c e d u r e i to f f e r st h ev i s u mo p e r a t i n ge o n d i t i o n a n du s i n ge a s i l y k e yw o r d s ：c o n t a i n e r ：g a n t r yc r a n e ：f u z z yo p t i m i z a t i o n ：f i n i t ee l e m e n t p a r a m e t e r i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 概述 现代物流的发展水平已逐渐成为衡量国家综合实力的重要标志，集装箱运 输则是现代物流发展的重要载体之一，而在这个载体中的关键环节就是集装箱 装卸机械“13 。当今国际标准集装箱货场装卸作业的设备主要有轨道式集装箱门 式起重机和轮胎式集装箱门式起重机“。6 1 两种。轨道式集装箱门式起重机以其作 业效率高、劳动强度低、运营费用少、环境污染弱、使用寿命长、场地利用率 好等特点，从而成为铁路集装箱装卸机械的首选机型。 1 2 国内外动态 目前，国内铁路货场9 0 以上的集装箱装卸作业，均采用通用双梁轨道式 门式起重机配置简易机械式吊具来完成，它是靠吊具与集装箱之间的碰撞实现 对位，因此效率低下，并且对起重机的结构和机构带来较大冲击，大大缩短了 机械设备的使用寿命，同时对集装箱和货物损坏较为严重，给装卸作业带来安 全隐患，严重制约了铁路集装箱运输的快速发展。 国外集装箱货场则以专用集装箱门式起重机作为主要装卸设备，尤其是配 有动力吊具的集装箱门式起重机具有快速对位等特点，占据了集装箱作业的主 导地位。我国铁路部门为适应集装箱运输发展的需要，确定了铁路门式起重机 的发展策略：( 1 ) 改造现役技术状态较好的2 0 t u 型门式起重机，通过结构加固和 机构改造，使其达到增吨目的，满足2 0 f t 集装箱装卸作业要求“。( 2 ) 新购置门 式起重机的起重量应为3 6 t 、4 0 t 和5 0 t ，以适应2 0 f t 、4 0 f t 及更大吨位集装箱的 装卸需求。( 3 ) 逐步发展四吊点带动力吊具和防摇装置1 ”的集装箱专用门式起重 机，以减少箱货损坏，提高装卸作业效率和自动化作业程度。 1 3 研究的内容和目的 随着我国国民经济的快速增长，以及加入w t o 后对外贸易的发展，集装箱 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 运输在铁路运输中所占据的份额越来越大，而现有的铁路货场集装箱装卸设备 已无法满足运输生产的需要，为此，铁道部拟在全国建立1 8 个大型集装箱网络 结点站，而其中的主要装卸机械则为集装箱专用门式起重机。基于此，本文将 重点进行以下四个方面的研究： ( 1 )根据目前铁路集装箱装卸机械作业的现状及一些主要装卸设备的使 用特点，从实用性、经济性、技术性等多方面进行综合研究和比较，确定适合 铁路集装箱货场使用的专用装卸机械型式，尤其是结构型式的优选，以满足物 流配送的需要。 ( 2 )根据轨道式集装箱门式起重机的工作特点，将其“u ”型金属结构 的主梁、支腿、下横梁、上横梁作为一个整体门架系统，既考虑金属结构各部 分的相互影响，又充分考虑自然存在的模糊性和结构变量的离散性，一次性完 成“u ”型集装箱门式起重机金属结构的整体综合优化，使结构参数更趋合理。 ( 3 ) 针对轨道式集装箱门式起重机“u ”型门架结构特点，在充分考虑u 型门架金属结构系统的完整性、对称性和系列化的基础上，应用有限元智能分 析方法，采用板单元来离散主梁、支腿、下横梁和上横梁等箱形结构，通过超 单元网格的剖分和组合，实现门架结构系统有限元网格的自动划分和有限元模 型的自动生成，从而达到通过输入少量的数据即可完成u 型门架结构的有限元 分析。 ( 4 )将“u ”型门架结构离散变量模糊优化设计技术、有限元智能分析 方法编制成实用的一体参数化软件，以减轻起重机设计者或管理者的劳动强度， 方便工程设计和管理人员的使用。同时对于提高起重机的设计水平、普及起重 机的现代设计方法“”删都具有重大意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 第2 章铁路集装箱货场装卸机 械合理配置与结构选型 2 1 引言 现代物流的发展水平已逐渐成为衡量国家综合实力的重要标志，集装箱运 输则是现代物流发展的重要载体之一。随着我国国民经济的快速增长，以及加 入w t o 后对外贸易的发展，无疑为铁路集装箱运输提供了更为广阔的发展空间。 据统计，“九五”期间全国集装箱运输每年平均增长速度为2 3 4 ，其中公路增 长速度为4 4 4 ，海运增长速度为1 4 7 ，铁路增长速度为1 1 。目前，我国铁 路所有的集装箱办理站都存在有装卸机械落后、装卸效率低下的问题，已不适 应集装箱运输发展标准化、专业化的要求，因此铁路集装箱装卸专用设备的更 新换代己迫在眉睫。 2 2 国内状况 2 2 1 港口集装箱装卸设备现状 一般来说，集装箱码头的装卸作业工艺大多为：船一一岸边装卸设备一一 牵引车+ 挂车一一堆场装卸设备一一堆场一一货主( 船) 。岸边装卸设备主要用 于装卸船，大多选用集装箱装卸桥、门座类起重机。堆场装卸设备主要用于装 卸车和堆垛作业，多采用轮胎式门式起重机、轨道式门式起重机，同时配置转 场用的正面吊、叉车。 近几年来，国内越来越多的港口正在采用轨道式集装箱门式起重机，如： 广州的黄埔港、外运码头及中山港都各使用了四台；南沙港也用了一台跨度6 0 m ， 有效悬臂1 5 m ，可覆盖9 0 m 范围，能满足堆三过四以上要求的集装箱专用门式起 重机。另外，作为世界上大型集装箱中转中心的香港和记黄埔国际货柜码头的 主货场，采用的装卸机械就是日本三菱公司提供的全自动化、无人操纵的轨道 式集装箱专用门式起重机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 2 2 铁路货场集装箱装卸设备现状 铁路货场集装箱装卸作业工艺一般是：火车一一货场装卸设备一一货场一 一货主( 汽车或挂车) 。从装卸作业工艺上就可看出它与港口不同，就货场装卸 设备而言，全路在用的集装箱专用门式起重机仅四台，分布在北京局广安门车 站、哈尔滨局滨江车站、兰州局兰北车站及上海局三明车站，其余绝大多数是 采用通用吊钩门式起重机配上无动力机械式集装箱吊具来进行集装箱装卸作 业。由于通用吊钩门式起重机多为普通的安全控制、人工摘挂，效率和安全性 均较低。因此，目前铁路装卸设备普遍落后，效率低下，已不适应集装箱运输 发展的需要，也不符合集装箱标准化、专业化作业的要求。“。 2 3 国外集装箱专用起重机的现状 2 0 0 0 年世界主要制造集装箱起重机公司订单共3 8 3 台，接近1 9 9 9 年度订货 数的2 倍，其中美洲和东南亚各占6 7 台和5 9 台，欧洲占1 3 7 台，这是因为欧 盟制订了将货运从公路转向铁路的政策所致。 国外集装箱门式起重机主要以轮胎式和轨道式为主，已基本走向标准化、 自动化和系列化，但在经济发达国家和集装箱吞吐量很大的港口，特别是欧洲 国家，多以轨道式集装箱门式起重机为主，其结构形式为双梁u 型双悬臂，吊具 采用全液压式，并具有旋转功能、防摇措施和对位措施，整机调速性能良好。 国外起重机在电气控制、调速、安全、吊具及防摇等方面发展迅速，全数 字化控制驱动装置、可编程控制器、电气减摇控制、故障诊断和数据采集管理 系统的应用，实现了集装箱搬运的半自动化和自动化。半自动集装箱起重机只 在局部不定装卸区域手动，其它区域全部自动化，由中央计算机发出指令，通 过光纤传送到起重机，进行自动化作业控制。采用g p s 定位、高速防摇和最佳 路径自动生成等技术，并设置自动诊断和集装箱防碰撞等功能，满足了高效、 安全、可靠、宜人和高性能等要求。 2 4 集装箱货场装卸设备的比选 根据国内外集装箱货场装卸工艺选择的一般原则，结合国际集装箱货场装 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 卸工艺的最新动向及发展趋势和国内集装箱装卸管理的经验，在此对三种主流 的集装箱装卸设备进行性能比较。 轨道式集装箱门式起重机是集装箱货场进行装卸、搬运和堆码作业的专用 机械设备，它是由两片双悬臂的龙门架组成，主梁端部由上横梁连接，两侧门 腿用下横梁连接，支承在走行台车上，并在轨道上行走，主要适用于港口码头、 铁路货场、集装箱枢纽地的作业。与轮胎式门式起重机相比，它结构简单、稳 定性好、操作方便、安全可靠、不易发生货损和机损事故，易实现单机自动控 制。轨道式门式起重机跨度较大，堆码层数多，能充分利用场地面积，在两轨 间和外伸距内能“堆4 过5 ”或“堆5 过6 ”，堆放8 1 5 行集装箱。此外，其 定位能力较强，动作准确，事故很少，较易实现全自动化装卸，是现代化集装 箱货场较理想的一种装卸机械。但由于它是沿着轨道行走的，因此，只能限制 在设有轨道的场地范围内进行作业。 轮胎式集装箱门式起重机是集装箱码头用于集装箱堆码作业的专用机械， 它是由前、后门框和底梁组成门架，支承在充气橡胶轮胎上，采用机械液压装 置和无线电感应装置，确保在货场上的直线行走。轮胎式集装箱门式起重机主 要特点是机动灵活、通用性好，它不仅能前进、后退，而且还设有转向装置， 能左右转向9 0 度，可以由一个堆场转向另一个堆场进行作业。但与轨道式门式 起重机相比，堆场利用率、运行平稳性等较差。 至于集装箱正面吊运机是七十年代中期发展起来的一种新机型，具有机动 性强、稳定性好、通用性好、堆码层数多、可隔箱作业、臂架可带载变幅伸缩、 吊具能伸缩并可左右旋转1 2 0 度等特点，但与轨道式集装箱门式起重机相比也 有缺点，如作业时回转半径大，货场场地利用率较低，轮压也较大，液压部件 较多，维修复杂，其单机效率相对较低，因此它主要用在集装箱吞吐量不大的 集装箱货场。 以上情况表明，随着集装箱运输的不断发展和装卸工艺的不断创新，集装 箱装卸机械正在不断地向专业化、大型化、自动化方向发展，集装箱门式起重 机将成为越来越多的集装箱货场首选的主要装卸设备。表2 - 1 为轨道式集装箱 门式起重机和轮胎式集装箱门式起重机两个方案在机械结构、机构、动力、使 用条件、维修量、工作效率、自动控制等多方面进行的综合比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表2 - 1轨道式与轮胎式集装箱门式起重机的综合比较 项目轨道式集装箱门式起重机轮胎式集装箱门式起重机 外形 跨度可达4 0m ( 1 2 箱) 或更大，堆高可 跨度不超过2 3 4 7 r a ( 6 + 1 箱) ，堆高不超过 超过1 8 2i l l ( 5 + 1 箱) ；有外伸悬臂， 尺寸 1 8 2mm ( 5 + 1 箱) ，无外伸悬臂。 可达7 1 0m ( 3 4 箱) 。 由前、后门框两片和底架组成的门架， 由两片双悬臂的门架组成，两侧门腿用支承在充气橡胶轮胎上。在货场上行走， 结构 下横梁连接，支承在行走台车上并在装有集装箱吊具的行走小车沿着门框横 轨道上直线行，装有集装箱吊具的起重架上的轨道移动。采用机械液压装置或 型式 小车沿着门架上的轨道行走。无线电感应装置，保持在货场上的直线 行走。 机构 主要机构包括：起升、大车、小车，其 主要机构包括：起升、大车、小车，其 与 动力由电动机直接提供。 动力采用柴油发动机发电，再由电能转 动力换为机械能。 机械跨度较大，堆码层数多，能充分利用场 机动灵活，通用性好。 特点地面积。 使用 沿着场地上的轨道行走，只能限制在设 雕措且线刖迸、后退，砹伺特1 日j 转直r 芭 有轨道的场地范围内进行作业。允许载 左右转向9 0 。，可以由一个堆场转至另 条件一个堆场进行作业。载箱时只能低速移 箱长距离运行。 动一个箱位。 维修 采用滑触线或电缆卷筒供电，基本无需增加了柴油发动机、发电机等设备，维 特别维修；采用钢制车轮，基本不用更修范围难度、工作量较大；另采用轮胎， 量 换，维修范围和维修量较小。需定期更换及维护。 工作 轨道和集装箱位置相对固定，节省了对 车道和集装箱位置无法固定，必须经常 进行吊具回转，影响效率，可灵活地进行 效率 箱时间，效率较稍高，但影响了灵活性。 转场作业。 大车 需常进行大车纠偏，目前尚无特有效的 跑偏 轨道运行不存在跑偏问题自动纠偏系统，一般的需六一一七万美 元。 自动 随着计算机技术数据通讯的发展，较易 实现整机状态的定位，可实现多种自动 目前只能通过无线通讯进行控制，整机 控制 状态定位困难，难以实现自动控制。 半自动控制，无人控制提高效率。 国产 进口部件不多，国产化含量高，容易实发动机、发电机大多为进口部件，实现 化 现国产化。国产化有一定难度。 环保 用电，无废气，噪音小，清洁无污染，用柴油，有废气，且产生污染和较大噪 能耗能耗较小。 音，能耗较大。 可靠 性 结构简单，可靠性程度提高。 结构较复杂。 安全 需设置碰箱限位，但仍无法完全避免碰 性 轨道运行，不可能碰箱。 箱和碰车事故。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 5 铁路集装箱货场专用装卸机械的合理配置 随着集装箱运输的不断发展，对装卸工艺高速化和自动化程度的要求越来 越高，为提高装卸效率，加强集装箱管理，需采用一系列现代化高新技术实现 自动化，因此采用门式起重机装卸工艺的方式越来越多，尤其是轨道式集装箱 门式起重机的方式，并出现了以轨道式集装箱门式起重机为主并辅以其它装卸 机械综合配置的新工艺系统，如：自动搬运车与轨道式门式起重机的配合；移 箱输送机与轨道式门式起重机的配合等。 轨道式门式起重机是铁路货场的主型装卸机械，全路共有1 1 0 0 多台，分布 在9 0 0 多个站场。铁路门式起重机钢结构形状有单梁的“c ”和“l ”型，以及 双梁的“a ”和“u ”型等类型，其中有8 0 0 多台是起重能力在2 0 t 以上的双梁 “u ”型门式起重机”( 图2 1 ) 。 图2 - 1u 型门式超重机金属结构 就国内集装箱装卸设备而言，港口是较先进的。近期诸多沿海及内陆港口， 正在大量采用轨道式集装箱起重机作为其主要装卸设各，如已改造的天津港， 一次性配置2 4 台轨道式集装箱门式起重机：拟改造的上海港也准备酉b 置2 9 台 轨道式集装箱门式起重机。这表明该种型式起重机的众多优点已得到越来越多 用户的认同。 因此根据国内外集装箱起重机的发展状况，结合我国铁路集装箱运输业的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 不断发展和运量的快速增长，以及铁路既有的主流装卸机械的特点，建议铁路 集装箱结点站的装卸机械应是以轨道式集装箱门式起重机为主，以集装箱正面 吊运机或集装箱叉车为辅的合理配置模式。 2 5 1 轨道式集装箱门式起重机的特点 轨道式集装箱门式起重机是具有集装箱装卸、储运、移动、编组等功能的 专用设备。该类起重机多半是单独作业，既可装卸铁路车辆，又可用于公铁联 运的汽车装卸，还可直接换装和堆放。与其它集装箱装卸设备相比较，其性能 优越，采用电力驱动，环境污染小，整机性能稳定，可靠性高，操作容易，吊 具准确对位，能实现掏箱作业，监控方便，造价低廉，维护量小，维修及使用 成本低，特别是其跨度大，双悬臂，堆码层数多，可充分利用货场面积，更有 效地提高货场场地的利用率。 2 ，5 2 轨道式集装箱门式起重机的结构选型 采用双梁u 型门架结构的轨道式集装箱门式起重机，具有结构受力状态好， 覆盖面积广，过腿空间大，稳定性好，结构简单，外型美观，制造方便等特点。 因此，u 型门架结构是轨道式集装箱门式起重机的首选结构型式。 2 5 3 总体构造 典型的轨道式集装箱门式起重机是由门架、起重小车、大车运行机构、司 机室、电气控制系统等组成。 门架结构是由箱形主梁、支腿、上横梁、下横梁等组成。 起重小车采用自行式，它由小车架、起升机构、旋转机构、小车运行机构、 专用吊具及防摇装置等组成。 司机室采用随小车移动的悬挂式方案，内设联动台、触摸式监控屏、超载 显示器、风速仪、空调器、对讲机等。 2 5 4 主要性能参数 ( 1 ) 起重量：按照i s 0 6 6 8 标准规定，结合近年来的集装箱发展情况，吊具 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 下的额定起重量应不小于4 0 t 。 ( 2 ) 跨度：从起重机的金属结构强度、刚度、自重、造价、作业效率、堆场 利用率等诸多因素综合考虑，跨度应在3 0 4 0 m 的范围内是比较合理的。 ( 3 ) 有效悬臂：有效悬臂长度根据堆放集装箱的列数( 一般为2 4 列) 及 装载运输通道( 2 条铁路线或挂车作业线) 的尺寸而定，通常取7 5 1 2 m 。 ( 4 ) 起升高度：是指吊具底部平面至大车走行轨顶面的距离，与货场所需堆 放的集装箱层数有关，通常为堆码3 层，通过4 层，或堆4 过5 ，因此起升高度 取为1 1 5 1 5 m 。 ( 5 ) 工作级别：轨道式集装箱门式起重机的工作级别应为a 6 或a 7 。 ( 6 ) 工作速度：起重机的工作速度直接影响到货场集装箱作业的吞吐量和工 作效率。 以每小时作业3 0 t e u 为例，起升速度应在1 0 3 0 m m i n ，小车运行速 度5 0 8 0 m m i n ，大车运行速度6 0 - - l o o m m i n ，吊具旋转速度1 2 r m i n 。 2 5 5 电气控制 对所有的机构应采用现代数字化交流变频调速和可编程控制技术，这样对 集装箱门式起重机可实现平稳操作，能迅速准确的移动和定位，提高作业效率， 杜绝违规作业，消除制动冲击，减少电气维护，提高功率因数，降低能耗等方 面均能取得良好实效。 起升机构应具有良好的低速性能，实现零速抱闸，全速受控，减少抱闸闭 合时的振动及制动片磨损。除此之外，起升机构还必须满足以下条件：( 1 ) 低频 时恒转矩输出，能顺利启动满负荷。( 2 ) 重载在空中制动停车再提升时，不产生 溜钩现象。( 3 ) 载荷下降或电动机减速时，再生制动能量必须迅速释放。( 4 ) 实现 恒转矩调速或恒功率调速，轻、空载时其起升速度要提高0 8 - - 1 倍。另外要配 触摸屏中文电气监控系统，这样可对起重机各机构的运行状态进行实时在线监 控，以图形或文本的形式，直观表示设备的动作状态或故障部位，同时该系统 还应具有不定期提醒司机对运行机构进行维护、检修，对各机构工作计时，并 能引导检修人员进行故障处理等功能。 2 5 6 旋转机构 铁路集装箱的运输及货场的堆放有其自身特点，因此，起重机应具有能使集 装箱专用吊具回转角度不小于2 7 0 。的机构。 2 5 7 专用吊具 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 集装箱专用吊具是整机的关键部件，据统计集装箱起重机停机时间中约3 0 的时间是由于吊具发生故障，因此集装箱专用门式起重机应采用操作灵活、生 产效率高、自动性能强的液压型专用伸缩吊具。 2 5 8 防摇装置 吊具防摇装置一般分为刚性防摇和柔性防摇，为提高作业效率以及实现集装 箱装卸的半自动化和自动化，应采用刚性防摇装置，如刚性伸缩式导杆，就是 较好的形式之一。另外在欧美等发达国家和地区，模糊控制电子防摇技术已用 于小车运行机构，例如美国g e 公司开发的电子防摇系统，可使起重小车加速度 大幅降低而又能保证最高速度时的运行时间和较短的停止时间，安装方便，维 修费用低，提高了安全性和作业效率。 2 6 结论 随着现代物流的发展和科学技术的突飞猛进，要求装卸机械向着高效、大 型化、省力化、自动化以及安全可靠和环境保护等方面发展，现代化装卸机械 的应用将日益广泛，装卸工艺的先进性和合理性也将不断提升。综上所述，从 实用性、经济性、技术性等方面分析，我们不难得出这样的结论：轨道式u 型 金属结构的集装箱门式起重机方案在装卸成本、生产效率和自动化控制方面都 占有明显优势。对铁路集装箱货场。”“的装卸机械，从国情出发，理应配置以轨 道式u 型金属结构的集装箱门式起重机为主要装卸设备、而集装箱正面吊运机 及集装箱叉车为辅助装卸设备的模式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章集装箱门式起重机u 型金属 结构离散变量模糊优化研究 3 1引言 优化设计。7 是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指 的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出( 如重量、面积、体 积、应力、费用等) 最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。 优化设计包含三个要素：设计变量、目标函数和约束条件。“设计变量”为 自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的，每个设计变 量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。“目标函数”是要尽量减小的数 值，它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函 数的目标是要尽量减小的数值。“约束条件”是约束设计的数值，它可能会有上 下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。因此，优化设计在 具体问题上的任务，就是要找到多组“设计变量”，使“目标函数”达到最优值， 并满足若干个“约束条件”。 金属结构作为u 型集装箱专用门式起重机的骨架，起着承受和传递起重机 自重载荷和外部载荷的作用，采用优化设计方法可降低金属结构的自重，降低 产品成本，并可降低大车轮压，从而减小基础的基建投资。以前门式起重机金 属结构优化设计存在的不足是：一般仅进行主梁的优化，而实际上主梁、支 腿和下横梁都是相互联系相关的，分别予以考虑显然与实际有较大的差异； 优化变量采用连续变量优化，而板厚、梁高、梁宽等均为离散整数值，连续变 量取整可能造成结果远离最优点：没有考虑影响结构设计的各种因素所存在 的模糊性。本文考虑各部分的相互影响，把集装箱门式起重机整个金属结构作 为。一个系统考虑，充分考虑自然存在的模糊性和变量的离散性。“1 ，一次性完成 主梁、支腿和下横梁的优化。 3 2 设计变量与目标函数 设计变量是能够影响设计质量和结果的可变参数，目标函数是以设计变量 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 表示设计所要追求的某种性能指标的解析表达式。在门式起重机金属结构系统 的优化设计中 a 1 - 5 4 1 ，以主要部件的截面尺寸为设计变量，以金属结构系统的重量 最轻为目标函数。， 在u 型集装箱门式起重机金属结构设计中，上横梁的截面尺寸一般由结构 要求所决定，因此主梁、支腿、下横梁的截面尺寸为控制参数，它们决定了金 属结构的合理与否，也直接决定了金属结构的重量。结合u 型集装箱门式起重 机金属结构的特点，选取以下参数作为设计变量：主梁高度x 。、主梁宽度( 亦 是在支腿平面内支腿上端截面宽度) x ：、主梁上、下盖板厚度j 。、主梁主腹板 厚度z 。、主梁副腹板厚度x ：、支腿上端截面在龙门架平面宽度z 。、支腿下端截 面在支腿平面宽度x ，、支腿下端截面在龙门架平面宽度( 亦是下横梁的宽度) x 。、支腿板厚( 支腿平面内) x ；、支腿板厚( 龙门架平面内) 肖。下横梁截面高 度蜀、下横梁盖板厚度尚。、下横梁腹板厚度m 。以上1 3 个变量均为离散整数 变量。 集装箱门式起重机金属结构的重量约占起重机总重量的7 0 9 6 ，且对起重机零 部件尺寸和重量、能耗、轨道基础、整机造价和安装费用等都有很大影响。金 属结构的总成本由材料成本和制造成本两部分组成，制造成本与生产工艺、管 理水平等因素有关，而材料成本一般由材料重量反映，因此优化设计一般取其 结构总重最轻为目标函数。u 型门式起重机金属结构的重量由主梁、支腿、下横 梁和上横梁的重量组成，即主梁重量几伍j 、支腿重量凡例、下横梁重量 例、 上横梁重量凡优，则目标函数为： m i nf q ) = f t ( x ) + f 2 ( x ) r t x ) + r ( x ) 一心 3 3 模糊约束条件 u 型集装箱门式起重机金属结构系统的优化以起重机设计规范 ( g b 3 8 1 卜8 3 ) 为依据，将金属结构作为一个整体来建立计算模型，采用最新 计算理论和方法，满足强度、刚度、稳定性以及制造工艺方面的要求。对于应 力、刚度等性能约束考虑从完全许用到完全不许用的过程；对于几何及尺寸约 束考虑边界的模糊性。这些约束均视为设计空间上的模糊子集。 3 3 1 主梁的约束条件 根据集装箱门式起重机的工作特点确定主梁的约束条件包括；起重小车位 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 于跨中时，主跨中的强度和刚度条件：起重小车位于悬臂端时，支座处的强度 和悬臂端的刚度条件；以及主梁的整体稳定性约束条件和局部稳定性约束条件 等等。 ( 1 ) 跨中截面的正应力钟约束条件 主梁在各种外载荷的作用下，通过主梁的截面设计参数，求得主梁跨中最 大正应力口牛，于是有： o - , = 1 1 5 ( 鲁+ 鲁坶毒】 ( 3 - z ) 式中版+ ，蟛+ 计算所得的水平及垂直方向梁跨内最大弯矩( n 脚) ； 以+ ，彤+ 相应的抗弯截面模量( 痢) ； p 材料在i i 类载荷下具有模糊性的许用正应力上限( m p a ) 。 ( 2 ) 主腹板上方局部挤压应力鳓约束条件 酐而表面手咚】( 3 - 3 ) 式中自，小车轨道高度与上翼缘板厚度之和( 厕： 5 0 考虑焊接时焊缝实际长度与有效焊缝长度的差值( 嬲； 卢一个车轮的轮压( 肿，不计动力系数和冲击系数： 卜一具有模糊性的材料许用挤压应力上限。 ( 3 ) 跨中腹板最大剪应力f 中约束条件 带黑+ 黑抓1 ( 3 - 4 ) 2 爿o x 4 ( x 4 + ) ，i 一v j 式中杯一最大扭矩( n 脚) ： 8 最大剪切力( ： 卜主梁横截面的惯性矩( m 一) ： a 。卜主梁横截面的面积( 历存) 和静矩( m 一) ： a o = ( x 】x 3 ) x 2 s x = ( x ：+ 詈+ 誓+ 1 5 。k ( 一等) + 竖立羔掣。巧 f 】具有模糊性的材料许用剪应力上限( m p a ) 。 ( 4 ) 跨中主腹板与翼缘焊缝处的复合应力西十约束条件 跨中主腹板与翼缘焊缝处的正应力盯和剪应力r 及小车轮压引起的挤压应 力瓣求得后，复合应力o r 十为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 钟= 扣2 + 鳓2 0 - c r 挤4 - 3 f 3 1 1 【司 ( 3 6 ) ( 5 ) 小车位于悬臂端时支座处截面的正应力。支约束条件 瞰：兰篮4 - 兰丝两 ( 3 7 ) 吸支t t y 应。 式中膨t ，膨t 计算所得的水平及垂直方向梁支座处最大弯矩捌； 形；，彤；一相应截面的抗弯模量( 枥) 。 ( 6 ) 小车位于悬臂端时支座处截面的剪应力r 支约束条件 一捻十毒蠹堑， p s ， 式中靠一小车位于悬臂端时支座处的最大剪切力( 肿。 ( 7 ) 小车位于悬臂端时支座处截面的复合应力d 碹约束条件 西支= 盯支24 - 3 f 支2 1 1 【言】 ( 3 9 ) 式中r i 计算截面腹板与上翼缘板连接处的剪应力( m p a ) ； a ；一计算截面腹板与上翼缘板连接处的正应力( m p a ) 。 ( 8 ) 满载小车位于跨中时的静刚度舜约束条件 矗= 盖( 1 一知- ( 1 一铷手 1 0 ) 式中z 主梁跨度( r a m ) ； 卜杨氏弹性模量( m p a ) ，e ：- 2 i 0 1 0 3 m p a ； 戽一一根主梁上的小车总轮压，计入动力系数和冲击系数( ) ； 6 一小车轴距( 捌； 【五卜一具有模糊性的跨中许用刚度上限值( 儡而。 ( 9 ) 满载小车位于悬臂端时有效悬臂端的静刚度厶约束条件 矗= 华手嘛 ( 3 _ 1 1 ) 式中厶主梁悬臂的有效长度( 删； g 一将小车轮压作用于有效悬臂端的合力计算挠度的换算系数； 釜 具有模糊性的悬臂许用刚度上限值( 脚。 ( 1 0 ) 主粱的整体稳定性条件 主梁的整体稳定性通过限制梁的高宽比来达到目的。当箱形截面组合梁的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 高宽比值不大于3 时，可不验算主梁的整体稳定性，这样有 玉3 工。 3 3 ，2 支腿约束条件 ( 1 ) 支腿上端截面强度0 2 1 = 约束条件 融2 等+ 半+ 等堑， 式中埘芦一龙门架平面内支腿上端截面的弯矩( n 册) ； 膨1 支腿平面内支腿上端截面的弯矩( n 历而； 州起重机运行一侧大车的支承反力( n ) ： 肥起重机运行另一侧大车的支承反力( 朋。 ( 2 ) 支腿下端截面强度o - f 约束条件 o - f ；型l 丝+ 坠 - 一i 函 。_ 三+ 1 仃i 4 2睨2 。 式中必1 支腿平面内支腿下端截面的弯矩( n 删。 ( 3 ) 支腿中间截面强度钟约束条件 钟：业+ 坚问 以、。 式中瞄支腿平面内支腿中间截面的弯矩( i v 埘0 。 ( 4 ) 支腿上端截面双向压弯稳定性约束条件 一r 等+ 等+ 等堑，以4 九l = 。 式中 o m 龙门架平面内许用应力折减系数。 ( 5 ) 支腿下端截面双向压弯稳定性约束条件； 。- 下：盟兰+ 丝科子】 a 2 蚊2 “1 1 式中 啦支腿平面内许用应力折减系数。 ( 6 ) 支腿中间截面双向压弯稳定性约束条件 幽：业+ 坚闭 一3 政眠3 l 。 3 33 下横梁强度约束条件 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 鳓，：磐+ 笋网 w j h l xw j m h 1 一。 式中： 嘞，下横梁中最大正应力； 拖n 凰r 一下横梁弯矩最大截面的垂直及水平弯矩( n 励0 ： 彰。月缸，一相应截面的抗弯模量( m 方) 。 3 3 4 疲劳强度约束条件 o p iq 盯一1 盯。2 兰( c r 0 式中 口。 一。一主梁跨中和支座处危险截面的疲劳应力； t 1 具有模糊性的对称循环许用疲劳应力上限( m p a ) ； d o 】具有模糊性的脉动循环许用疲劳应力上限( m p a ) 。 3 3 5门架水平刚度约束条件 ，a 醢s 6 式中 * 主梁和支腿在它们连接处的最大水平变位； 石具有模糊性的门架许用最大水平变位上限( r m ) 。 3 3 6 几何约束条件 ( 1 ) 主梁为偏轨箱形梁，一般主腹板厚度不小于副腹板厚度。 x 5 一。4 0 ( 2 ) 支腿平面内支腿上