高速铁路长轨生产系统研发与应用：设备方案及结构图解

针对定尺钢轨现有吊装技术的以上缺陷或改进需求，课题组研发了一种多台联动H型平衡式起重机，由钢结构、供电、控制系统等组成。

（1）结构设计

起重机走行系统由驱动装置、传动装置、行走轮等组成，集成在起重机左右两侧的下横梁里，在电机驱动作用下通过行走轮沿着固定在地面上的轨道运动，完成起重机纵向行走动作（图5-1、图5-2）。

图5-1　H型平衡式起重机结构主视图

100.轨道；200.起重机走行系统；300.支架；310.支腿；320.古梁；400.导轨；500；吊装系统；510.小车

图5-2　H型平衡式起重机结构俯视图

200.起重机走行系统；400.导轨；510.小车；520.平衡梁

支架通过螺栓固定的方式连接左右两端的下横梁上，主要由支腿、主梁、上横梁和中横梁组成。

吊装系统由小车、平衡梁及固定在平衡梁两端的起吊装置组成，平衡梁在小车的作用下沿着固定在支架上的导轨移动，完成吊装横向平移动作；起吊装置固定在平衡梁两端，具体位置可调，定尺钢轨连接在吊钩上以后，通过吊钩的上下移动完成定尺钢轨的吊装升降动作。起吊装置分别由2个葫芦组成，其中一个葫芦吊装吨位小（如3t）、另一个起吊吨位大（如20t），如此组合使得该起重机可以吊装一根定尺钢轨，也可以同时吊装多根定尺钢轨，同吨位的葫芦吊装起升同步性通过电机的同时启动和停止来保证（图5-3）。

图5-3　H型平衡式起重机结构左视图

210.下横梁；220.行走轮；310.支腿；320.主梁；330.上横梁；340.中横梁；400.导轨；520.平衡梁；530.起吊装置

为了计算方便，忽略螺栓、支撑板以及板材上的孔等结构；忽略各个模型的倒角、倒圆、拼接扣等不必要的结构，建立起重机的三维模型（图5-4）。

图5-4　力学计算模型图

板材覆盖件设置为计算精度较高的结构化网格，而支撑件设置为有利于计算结果

收敛的非结构化网格。网格划分结果如图5-5所示。

图5-5　网格划分结果图

起吊装置分别由2个葫芦组成，其中3t葫芦吊装1根定尺钢轨，20t起重机吊装7根定尺钢轨。失效形式应为一侧满载，一侧空载（图5-6）。

图5-6　载荷分布图

结构承受平衡及不平衡载荷变形与应力云图如图（图5-7、图5-8）。具体计算结果见表5-1。

图5-7　结构承受平衡载荷变形与应力云图

图5-8　结构承受不平衡载荷变形与应力云图

表5-1　强度分析计算结果一览表

在以上载荷情况下，结构的最大变形量小于设计要求；应力不大于材料的屈服极限。所以结构设计安全、合理。

（2）供电系统

短轨场起重机采用8台20t门吊，其中4台一组对百米定尺轨进行起吊作业，走行线长300m。

1）用电需求及供电方式选择。

A.门式起重机的用电需求。起重机的电源为三相交流，频率为50Hz，电压为380V时，电动机和电器上的允许电压波动的上限为额定电压的+10%，下限（尖峰电流时）为额定电压的-15%。

对于单台门式起重机而言，用电需求主要有3部分：大车走行电机、小车走行电机、起升电机及辅助照明、空调等电气用电。

对于整列装卸的工况而言，一般同一装卸线上有多台起重机。多台起重机作业时的用电需求还跟起重机的负载持续率（或暂载率）有关。负载持续率也叫暂载率，是指设备能够满载工作时间的比率，额定负载持续率是指设备能够在额定电压，额定电流或额定功率的情况下负荷工作时间的比率。

根据《起重机设计规范》（GB/T 3811）附录Q的要求：铁路起重机起升电动机负载持续率为40%，大车走行和小车走行电机负载持续率为25%。

由于门吊4台一组对百米定尺轨进行起吊作业，因此，可简化为两组进行供电设计。门吊供电：P1=45kW，P2=45kW，P3=11×4=44kW，环境条件为一般、室外、负荷量40%，动力供给为380V，三相，交流，允许压降4%。

B.门式起重机供电形式的选择。门式起重机一般采用滑触线或软电缆的供电形式。

滑触线是各种桥式起重机、门式起重机等使用最为普遍的一种供电方式，常用的滑触线型式有角钢滑触线、刚性滑触线、安全式滑触线三种。

采用软电缆向起重运输设备供电是一种普遍采用的方式，软电缆供电形式有悬挂式软电缆和卷筒式软电缆等。

各供电方式优缺点汇总如表5-2所示。

表5-2　各供电方式对比表

综上，长距离供电的门式起重机，采用单极组合式安全型滑触线。

短轨场门吊供电热电负荷为：

I=I1+I2+I3=353A

滑导线型号的选用安全Ⅱ型400A铝/不锈钢导体。

2）电压降计算。在为起重机设计滑触线或软电缆供电时，需进行计算的内容有负荷电流计算、线路电压降校验。对滑触线来说还要根据起重机台数和供电点位置确定计算长度，此外，对一些以起重机作为主要生产设备的滑触线来说，还应该校验在发生三相短路时滑触线的动稳定性。为了进行计算，首先要得到每台起重机的电动机容量进行负荷电流计算，并从滑触线制造厂得到不同相间距离的阻抗值进行电压降校验，如要进行动稳定校验时，制造厂应提供滑触线的弯曲应力和抗弯矩数据，然后根据相间距离和支持点间距来验算耐受的三相短路冲击电流是否小于配电系统中的最大短路电流。

A.负荷电流计算。确定起重机计算电流的方法很多，较常见的有均方根电流法、利用系数法、综合系数法等，但这些方法的计算系数实测资料还都不全。均方根电流法与利用系数法的计算过程较繁，为了简化计算，推荐在一般工程上采用综合系数法。综合计算法的计算结果稍大于利用系数法而小于均方根电流法。

采用综合系数法确定的计算功率Pc（kW）和计算电流Ic（A）如下：

式中：Kz——综合系数；

K，z——与综合系数相对应的电流系数（Ur=380V，cosφ=0.5）；(www.xing528.com)

P∑——连接在滑触线上的电动机，在额定负载持续率下的总功率（kW）不包括副钩电动机功率；

Ur——电动机的额定电压，V；

cosφ——功率因素，一般取0.5。

表5-3　综合系数表

B.尖峰电流计算。为了验算滑触线路上的电压降是否在允许范围以内，需用尖峰电流来进行检验，尖峰电流的计算公式如下：

Ijf=Ic+（Kst-Kz）Ir·max

式中：Ijf——尖峰电流，A；

Ic——计算电流，A；

Ir·max——最大一台电动机额定电流，A；

Kz——综合系数；

Kst——最大一台电动机起动电流倍数（卷线型电动机K=2）。

即尖峰电流

Iif=I1起+I2运+I3起=702A

Lmax≤允许压降/阻抗/电流/1.73=57m

采用两端1/6处供电Ly=46.5m符合要求。动力输入接头应在第10根滑触线与第11根滑触线之间和第52根滑触线与53根滑触线之间。

滑触线的膨胀和收缩：

件数=（Tmax-Tmin）×（L-L1）×1000×ce/exp==5.15

每相设6个膨胀体，膨胀体排列为8-1-8-1-8-1-8-1-8-1-8-1-8，经计算，悬挂支架第14、41、68、94、120、147、174个为固定夹支架，其余为四孔提挂夹支架（图5-9）。

图5-9　起重机安全导线供电装置安装图（单位：mm）

（3）控制系统

无线遥控装置主要由两部分组成，即发送器和接收器。发送器用于起重机上主要有两种形式，一种为按钮式；一种为手柄式（图5-10、图5-11）。

图5-10　手持端发射器组成框图

图5-11　控制端接收器组成框图

采用无线遥控的起重机应具有原起重机的各种保护功能，如零位、过流、行程等各种保护。当遥控器采用非自动复位的操纵手柄时，操作前要求所有的操纵手柄均应在零位时，才能发出控制指令。主令控制器和接触器控制时，主令控制器必须处于零位时，遥控器才能接通起重机总电源网路。当起重机意外断电，遥控器应停止工作。当恢复供电后，遥控器必须通过正确的起动程序才能接通起重机总电源回路。遥控器的电源电压不足时，应能通过自控功能发出停止指令。

采用无线遥控的起重机，应设总接触器或失压脱扣的空气断路器来切断起重机的总电源。所有机构的动力电源必须全部从总电源接触器的出线端引出。总电源接触器或带失压脱扣线圈的断路器动作，应能切断所有机构的总电源，所有机构运行停止。

采用无线遥控的起重机，起重机上应设有明显的遥控指示灯，表明该机用遥控器操作。

当一台起重机既用遥控又有司机室操纵时，两者之间应实现联锁。必须在司机室的入口处设置转换开关。

正向和反向运行的继电器和接触器应有电气联锁，必要时接触器可加设机械联锁，接收处理器中运动机构正向与反向运行代码应有软件联锁。