起重机新型防风抗滑装置

起重机新型防风抗滑装置*
王贡献1 张 扬1 李勇智1 胡晨章2
1 武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063
2 广东省特种设备检测研究院湛江检测院 湛江 524022
摘 要：为了提高起重机抗风防滑能力，提出了一种起重机新型防风抗滑装置，该装置可以将作用在设备的风载转化为设备防滑力，分析了该防风抗滑装置的工作原理并建立该装置的数学模型，并运用试验方法研究了该装置的防风性能。

试验结果表明，该装置防滑能力与作用风力具有单调递增性；安装了防风抗滑装置的设备可以抵抗70 m/s 以上的超强台风；防风抗滑装置在试验过程中始终未发生变形及破坏现象，测试点及轨道无变形及破坏现象。

关键词：轨行式起重机；防风抗滑装置；防滑力；超强台风
中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2019）12-0057-06
Abstract: In order to improve the windproof and anti-skid capability of the crane, the paper puts forwards a new type of windproof
and anti-skid device for the crane. The device can convert the wind load acting on the equipment into the anti-skid force of the equipment. The working principle of the windproof and anti-skid device is analyzed and the mathematical model of the device is established. The windproof performance of the device is studied by using the test method. The test results show that the anti-skid capability of the device and the acting wind force is monotonically increasing; the equipment is provided with wind-proof and skid-proof devices that can work normally with super typhoons above 70 m/s; no deformation or damage of the wind-proof and anti-sliding device is found during the test, so does the test points and tracks.
Keywords: rail crane; windproof and anti-slide device; anti-skid force; super typhoon
0 引言
随着起重机发展趋向于大型化，起重机自身结构尺寸和迎风面积增大，更容易遭受风载的破坏。

如何采用有效措施来减少台风给起重机带来的巨大破坏作用，提高起重机的抗风性能，是各国现代化港口研究工作者高度关注的问题[1]。

目前，港口采用的防风装置主要有锚定类防风装置、压轨类防风装置和夹轨类防滑装置。

其中，锚定类防风装置主要利用锚定装置将起重机固定在指定位置，这类装置使得起重机必须在台风来之前移动到指定位置进行防风锚定，当起重机遇到突发阵风时，设备难以及时停止到指定位置从而导致起重机的滑移后碰撞倾覆。

压轨类防风装置依靠防风装置将设备的自重压到轨顶，通过增大设备与轨道的摩擦因数来增加设备防滑力，这类装置在遭遇极端气候时，风力一般远大于
该装置产生的防滑力，可靠性差。

夹轨类防风装置利用夹轨装置加紧轨道头部产生防滑力来抵抗风力，这类装置对轨道的夹紧力通常采用重力、液压加紧和弹簧锁紧等方式实现，其防风能力值与置于设备施加的夹紧力相关，且这种夹紧力存在极值问题，此外，这类装置大多需要人工装卸。

目前各大港口急需一种安全可靠的防风抗滑装置来解决起重机在极端气候作用下沿轨道被迫滑移后相互碰撞倾覆的问题。

为此，国内外学者对如何改善起重机防风策略和高性能防风装置进行了大量的研究工作。

韩国东亚大学的Dong-Seop Han 等[2-5]分析了风载荷作用下港口起重机的破坏形式，提出了一种新型的夹轨器，该装置利用风力推动拉杆来控制夹钳位置的方法产生防滑力，其防滑力值随着风力增大而增大，但该装置在工作过程中由于夹钳与固定杆挤压力过大的原因导致该装置在强台风作用下易被损毁。

张经勇等[6]提出
*基金项目：大型集装箱起重机地震动力学行为与抗震性能评估方法研究（51275369）
了一种新型手动夹轨器，能够利用摩擦自锁原理产生抗风防滑力，其防滑力大小完全取决于加紧臂的强度，但是该装置需要人工装卸，不能抵抗突发阵风。

Murdoch 等[7]发明了一种夹轨器，虽然该装置可通过控制钢丝绳滑轮组来确定夹轨器工作位置，但该装置产生的防滑力仍由弹簧锁紧方式来实现的，这使得该装置的防风能力值有限。

马延刚等[8]提出了一种液压弹簧式夹轨器，利用液压系统和弹簧共同加紧轨道，虽然在一定程度上增强防滑力，但起重机在遇到极端气候时，仍因其产
生的防滑力不足以抵抗风载荷而导致装置的失效。

综上所述，现有的防风装置大多依赖起重机自重或机构夹紧轨道侧面的摩擦力来实现设备的防风抗滑，这些防风装置的抗滑能力值有限，且并未将风力作为起重机防滑力的原动力。

基于此，本文提出了一种新型的防风抗滑装置，该装置特点在于其产生的防滑力是由轨顶摩擦力与轨侧摩擦力共同组成，且防滑力直接来源于作用在设备上的风载荷，大小与风力成正比，此外，该装置能够实现设备在沿轨道方向上任意位置处进入工作状态，确保了安装该装置的起重机能够适应各类风载荷，使其具有更强的抗风防滑能力。

1 防风抗滑装置构造与工作原理
1.1 基本构造
如图1所示，防风抗滑装置结构主要由梯形支架、升降机构、夹钳装配、滚轮楔板和滚轮支架组成。

梯形支架安装在港口轨行式起重机平衡梁下端面，梯形支架通过升降机构与滚轮支架连接，升降机构内部装有液压缸，可收放拉杆来确定滚轮支架的位置，夹钳装配放在2个滚轮支架中间，2个滚轮支架底部2根杠杆轴，用来固定夹钳装配位置，2个滚轮楔板对称放在2个滚轮支架上，其可以在滚轮支架上移动。

夹钳装配有上顶轮，与滚轮楔板相切，当滚轮支架被下放到轨道面时，梯形支架与滚轮楔板间有一定的间隙，便于滚轮支架以及滚轮楔板抬起，整套装置安装在港口轨行式设备的平衡梁上，如图2所示。

1.梯形支架
2.升降机构
3.夹钳装配
4.滚轮楔板
5.滚轮支架
6.轨道
图1 防风抗滑装置总体结构图
图2 防风抗滑装置安装位置图
1.2 工作原理
在起重机在沿轨道方向运行前，安装在起重机平衡梁上的防风抗滑装置中升降机构的液压缸收缩，滚轮支架被抬起，滚轮支架与轨道之间分离，同时置于滚轮支架顶部的滚轮楔板和夹钳装配也会被抬起，脱离轨道，此时起重机可以沿轨道自由滑动。

当起重机移动到工作位置时，防滑装置的液压缸开始卸载，导致拉杆拉着滚轮支架下放到轨道表面，置于滚轮支架上表面的滚轮楔板和夹钳装配也会下降到工作位置，此时滚轮与梯形支架会留有一定的间隙。

当起重机受到的风力小于起重机车轮产生的制动摩擦力时，防风抗滑装置处于非工作状态；当起重机受到的风力超过车轮产生的制动摩擦力时，起重机被迫滑移，与起重机平衡梁下端面相连的梯形支架也会随着起重机一起运动，进而导致梯形支架与滚轮间隙会逐渐消除。

在消除间隙后，梯形支架与滚轮接触，并将风力传递给滚轮，此时风力对滚轮有水平和竖直2个方向分力，
如
图3所示。

竖直方向的分力经过滚轮支架传递后挤压轨道，增大起重机对轨顶的正压力，水平方向的分力推动滚轮楔板在滚轮支架上表面移动。

行走过程中，滚轮楔板挤压夹钳装配的上顶轮，导致2个上顶轮中心距增加，夹钳装配中的加紧臂能够绕着杠杆轴转动，风力水平方向的分力经杠杆轴放大后传递给夹钳装配的夹紧块，夹紧块对轨道侧面的夹紧力会增大，如图4所示。

当风载作用过后，防风抗滑装置中的滚轮支架以及夹钳装配停止工作，此时液压缸开始收缩，滚轮支架、滚轮楔板以及夹钳装配再次被抬起，脱离轨道。

图3 安装防滑装置的起重机受力分析图
图4 滚轮楔板及夹钳装配受力分析图
根据起重机设计规范，起重机非工作状态风载荷
为
(1)
式中：C 为风力系数，A 为起重机的迎风面积；K h
为风压高度变化系数，v 为起重机非工作状态下的风速。

当起重机的车轮产生的摩擦力大于作用风力时，即
(2)
起重机车轮制动摩擦力即可抵抗作用风力，使得起重机不产生滑动而处于安全状态，此时防风抗滑装置不工作。

式中： G 为起重机重力， 为起重机与轨道之间的摩擦因数。

当起重机车轮产生的摩擦力小于作用风力时，即：
(3)
起重机开始滑移，进而带动防风抗滑装置中的梯形支架也随之滑移，使防风抗滑装置各部件的间隙消除，防滑装置进入工作状态，该装置产生抗风阻力以抵抗起重机受到的风载荷。

由图3可知
(4) (5)
式中：F S 为风力对滚轮楔板的压力， 为梯形支架斜板与水平线之间的夹角，F 1为风力竖直分力，F 2为风力水平分力。

由图4可知
(6)
式中：h 1为夹钳装配上顶轮到杠杆轴的距离，h 2为夹紧块到杠杆轴的距离，F 2s 为楔板对夹钳装配上顶轮的正压力，F 3为滚轮楔板对夹钳装配上顶轮竖直方向
的分力。

综上可得到防风抗滑装置进入工作状态时的起重机
总防滑力F F为
(7)
式中：
为起重机车轮的制动摩擦力,
为防风抗滑装置中滚轮支架产生的摩擦力,
为夹钳装配产生的摩擦力, 、为起重机的轮压；为滚轮支架与轨道之间的摩擦因数；为夹紧块与轨道之间的摩擦因数。

2 防风抗滑装置试验
2.1 防风抗滑装置防滑力计算
为了讨论防风抗滑装置的最大防滑力及防风性能，以MQ2538门座起重机作为实例，探讨防风抗滑装置的性能，MQ2538门座起重机的具体参数见表1。

表1 MQ2538门机的主要参数
根据起重机设计规范可知，沿海地区起重机防风抗滑装置的计算风速不应小于55 m/s，对于经常受特大风作用的地区（如湛江等地），其防风抗滑装置的计算风速应按当地气象资料提供的50年一遇的最大风速。

因此，根据实际工况，防风抗滑装置的计算风速取值为70 m/s，此时MQ2538受到的风力，防风抗滑装置的主要结构参数见表2。

表2 防风抗滑装置的主要结构参数
根据式(2)可得，当风速 m/s时，此时起重机被风吹动，防风抗滑装置开始工作，整机的防滑力随着风速变化如图5所示。

图5 整机防滑力与风速关系图
由图5可看出，当风速达到30 m/s时，此时防风抗滑装置的防滑力可瞬时达F F= 41.8 t；当风速达到70 m/s 时，整机防滑力为F F= 122.1 t，大于风力F f = 122.1 t，防风抗滑装置产生的防滑力随着风速增大而迅速增大；起重机及防风抗滑装置产生的总防滑力始终大于起重机受到的风力。

2.2 试验方案
为了验证本文提出的防风抗滑装置的有效性和考察其抗风防滑性能，在一台MQ2538港口门座起重机横梁下端安装了该防风抗滑装置，并利用抗风防滑能力试验平台对其最大防滑力进行试验研究。

拉杆系统的首尾两端分别连接安装有防风抗滑装置的起重机立柱和起重机抗风防滑能力测试台架，拉杆系统与起重机抗风防滑能力测试台架连接的一端安装有拉力传感器，利用起重机抗风防滑能力测试台架上的液压千斤顶的推力模拟风载荷。

检测时随着液压千斤顶的伸长使拉杆系统被逐渐张紧，当拉杆系统完全张紧后，液压千斤顶加载，模拟风载荷通过拉杆系统传递到起重机上，加载并记录相关数据，液压千斤顶推力即为起重机最大抗滑能力。

检测在拉杆系统上布置了4个模拟风载荷测量点，每个载荷测量点均安装有额定量程为30 t，最大量程为35 t的拉力传感器，在起重机抗风防滑能力测试台架、
起重机和防风抗滑装置上布置3个位移测量点，图6和图7分别为起重机防风抗滑装置试验台结构图和试验现场图。

图6 抗风防滑试验台结构图
图7 试验现场图
试验通过测量在模拟风载荷作用下结构平台以及起重机的滑移情况，得到了起重机的最大防滑力，为了进一步检测起重机在极端风载荷作用下不同防滑装置工作时的抗风防滑能力，采用了如表3所示的2种工况。

表3 检测的工况描述
通过表4可以看出，当起重机仅依靠防风铁鞋及行走车轮制动状态时，液压千斤顶在沿轨道方向推力加载到49 t（相当于沿轨道方向模拟风速值45 m/s）时，起重机沿轨道产生10 mm滑移。

这说明了起重机在铁鞋防滑装置下最大可抵抗45 m/s的风速。

表4 工况1检测数据记录表
由表5可知，当只有起重机行走车轮处于制动状态时，开始施加沿轨道长度方向试验加载，当试验加载到合力为22.4 t(相当于沿轨道方向模拟风速值30 m/s)时，起重机开始滑动，带动梯形支架移动，在消除梯形支架与轮滚间隙后，防风抗滑装置开始工作，逐步加载合力至额定最大试验载荷120 t（相当于沿轨道方向模拟风速值70 m/s）时，起重机仍未发生滑移。

这说明了起重机在安装防风抗滑装置后至少可抵抗70 m/s的台风。

表5 工况2检测数据记录
将试验工况2的结果与理论公式进行对比，如图8所示，当抗风防滑能力检测装置模拟风速达到74 m/s 时，即液压千斤顶对起重机的拉力达到1 204 kN ，防风抗滑装置的最大摩擦力可达到1 450 kN ，试验结果曲线始终小于理论结果曲线，随着模拟风速的增加，理论结果上升幅度更大，且防风抗滑装置始终没有产生位移，从而试验验证了该理论模型的准确性。

图8 理论结果与试验结果对比图
3 结论
1)本文提出了一种防风抗滑装置，描述了该装置的工作原理，并通过数值仿真预测了该装置的防风性能，结果表明，该装置在起重机因风载作用开始打滑时瞬时夹紧轨道，其对轨道的夹紧力直接来源于作用在起重机上的风载荷，且夹紧力大小与作用风力呈单调递增关系。

2)试验结果表明,起重机在传统的防风抗滑装置下，最大防滑力只能抵抗45 m/s 以下的风速台风；而在安装了防风抗滑装置后具有可靠防滑能力，可抵抗70 m/s 的超级台风；如果起重机和防风抗滑装置的结构强度足够大，装置的抗滑力理论上是无上限的。

参考文献
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[8] 马延刚. 液压弹簧式夹轨器弹簧的设计计算[J]. 中外企 业家, 2013(1Z):245.作 者：王贡献
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