MQ25-35門座起重機防風裝置功效分析

謝新鵬 劉相超

龍口港集團有限公司

1 引言

門座起重機(以下簡稱門機)是港口裝卸作業的主力設備，由于其外形結構高大、迎風面積較大、風力作用中心高度較高，易受臺風、突發性陣風等強對流天氣影響，引發起重機械位移滑動、傾翻等災難性事故，造成巨大的經濟損失，甚至人員傷亡。因此，研究、優化門機防風措施功能及作用機制意義重大[1-2]。鑒于門機型號多、結構復雜、防風裝置不統一，以MQ25-35門座起重機為研究對象，研究防風裝置的防風能力和防風機制[3-4]。

2 門機防風裝置情況簡介

起重機結構高、自重大，一旦被風吹動將會產生很大慣性，難以停止，導致連鎖機損和人身傷害事故[5-6]。因此門機在設計時，根據風載荷作用實際，配置多種防風裝置，主要是為了防止門機整機失穩傾覆和沿軌道滑移。

2.1 MQ25-35門機基本情況

MQ25-35門機為普通四連桿式臂架、圓筒式門架的門座起重機，最大幅度35 m，起升高度軌道上28 m(吊鉤)、軌道下16 m，軌距L=10.5 m，迎風面積S=262.9 m2，風合力作用點距離地面高度H=19.8 m，自重G=430 t。

MQ25-35門機擁有制動器、防爬器、防風拉索、地錨(錨板)、防風楔塊等防風裝置。門機防風一般分兩種情況，即工作狀態的防風和非工作狀態的防風。工作狀態下制動器、防爬器、防風楔塊發揮作用；非工作狀態下，門機移動至指定位置錨定，此時所有防風裝置均發揮作用[7-8]。

2.2 制動器

慣性制動器是目前國內門機上應用最廣的行走制動器，通過對電動機軸的制動起到對門機行走主動輪的制動作用，在非工作狀態下也可實現對主動輪的制動。在使用過程中及時更換制動器摩擦片、調整間隙，就可以取得較好的制動效果。慣性制動器無電氣元件，使用安全可靠，安裝、維護簡便，摩擦材料磨損均勻，結構緊湊，無漏液、漏油。MQ25-35門機共有8套慣性制動器，主要技術參數見表1。

表1 行走機構制動器主要技術參數

2.3 防爬器

MQ25-35門機共有4套防爬器(也稱防跑制動器)，位于行走臺車之間。一旦行走輪有對軌道的相對運動，行走輪爬上楔面，門機自重力對楔塊產生向下的正壓力，在該作用力下，防爬器下面的齒板與軌道之間產生較大的水平摩擦力，阻止門機移動。正常情況下，在門機正壓力(自重力)和摩擦力的作用下，門機停止移動，超過安全臨界點后門機將會滑動。靜止狀態下，防爬器不起作用。防爬器的效果取決于防爬器設計、使用維護和軌道(沉降)平整度。

2.4 防風鐵鞋

港口常用的防風楔塊(俗稱鐵鞋)，由于其構造簡單、重量輕、易于維修等優點，廣泛應用于港口門機防風，但與防爬器不同的是需要人工手動操作。MQ25-35門機共有8個防風鐵鞋，對向塞墊至行走輪下方。防風鐵鞋作用原理與防爬器相同，車輪向前滾動時，爬到鐵鞋上，與鐵鞋成為一體在軌道上滑行，將車輪與軌道的滾動摩擦變為滑動摩擦，因而摩擦力大幅度增加。在門機不移動的情況下，防風鐵鞋也不起作用。

2.5 防風拉索

MQ25-35門機共有4根防風拉索。防風拉索是指用鋼絲繩(鐵鏈)、花籃螺絲、卸扣等，將門機機體與碼頭的錨定座鏈接起來，將門機固定在封車位置，避免在風力作用下門機移動。防風拉索具有直接可靠、效果易于檢查和防風能力強等優點，其缺點是必須將門機停到指定位置，加固時間長。

2.6 防風錨定

MQ25-35門機共有2套地錨。防風錨定與防風拉索同樣具備直觀可靠、效果易于檢查和防風能力強等優點，其缺點是必須將門機停放到指定位置，需要準確定位，耗時也較長。同時在錨板與地錨槽之間有間隙，只有當錨板碰到地錨槽，該裝置才發生作用，若門機防風拉索拉緊，門機無法移動的情況下，該裝置不起作用。

3 門機抗傾覆能力計算與分析

根據規定，港口起重機非工作狀態下的抗風能力應不小于55 m/s，工作狀態下的抗風能力應不小于35 m/s。[9]

假設門機完全處于靜止狀態，無任何防風裝置起作用。當風速為55 m/s，風向完全垂直軌道，則風壓為：

Q=0.613V2=1 854.325 Pa

(1)

式中，Q為風壓，Pa；V為風速，m/s；則門機受到最大的傾覆力為：

F=1.2QS=1.2×1 854.325×262.9=585.002 kN

(2)

式中，F為門機受到最大的傾覆力，kN；Q為風壓，Pa；S為門機迎風面面積，m2。

門機受到的傾覆力矩為：

T傾覆=FH=584.9×19.8=11 583.04 kNm

(3)

式中，T傾覆為門機受到的傾覆力矩，kNm；H為門機高度，m。

穩定力矩為：

T穩定=Mg(L/2-X)=18 752.3 kNm

(4)

式中，T穩定為穩定力矩，kNm；M為門機的質量，kg；g為重力加速度，m/s2；L為門機寬度，m；X為門機垂直于軌道方向時的重心偏移量，m。

門機轉向、幅度不同，X取值不同。式中X為門機最不利時的重心偏移量，一般情況下變幅最大時X為0，考慮合理范圍內門機幅度最小時X取值為0.8 m。

安全系數為：

σ=T穩定/T傾覆=18 752.3/11 583.04=1.619 (5)

從上述計算可知，在靜態(且風力完全垂直于軌道方向)情況下，即使受到55 m/s的強風，門機也不會傾覆。但分析國內外門機傾覆事故，絕大部分事故是門機在風力作用下或人為原因發生移動，巨大的滑移慣性沖擊造成的。因此，門機防風的重點應是防止風力吹動門機沿軌道滑動，尤其考慮門機在裝卸作業過程中遭遇強陣風侵襲的防范。

4 門機抗水平滑移力的計算與分析

4.1 制動器防風能力F1

依據表1行走機構制動器主要技術參數，可以計算出1個制動器工作時，制動車輪所受到的最大制動力，即1個制動器能提供的防風能力F0：

F0=2TI/D

(6)

式中，F0為制動器能提供的防風能力，kN；T為制動器的制動力矩，kNm；I為行走機構的總傳動比；D為行走輪直徑，m。

經計算1個制動器能提供的的防風能力為：

F0=2×458×60.97/0.55=100 kN

(7)

每個制動器控制2個行走輪，若制動器工作時，行走輪恰好滾動，每車輪最小的輪壓應為：

F輪壓=F0/(2μ)

(8)

式中，F輪壓為車輪輪壓，kN；μ為制動輪和軌道之間的摩擦系數，參照《起重機設計規范》(GB/T3811-2008)，取0.14。[10]

計算可得：

F輪壓=100/(2×0.14)=357 kN

(9)

當制動車輪的輪壓小于357 kN時，制動力矩足夠大，車輪發生滑動而非滾動。該門機共32個行走輪(其中16個主動輪，16個從動輪)，可以計算出每個車輪輪壓為134 kN，遠小于使車輪滾動的最小輪壓，主動輪與軌道之間是滑動摩擦。因此，制動器對應車輪的最大靜摩擦力即為該制動器的防風能力F1：

(10)

式中，F1為制動器防風能力，kN；N1為制動輪(主動輪)數量；N為全部行走輪數量。

計算可得：

F1=16/32×430×0.14=30.1 t=301 kN

(11)

4.2 防爬器防風能力F2

防爬器能提供的最大靜摩擦力，即防風能力F2：

(12)

式中，F2為防爬器防風能力，kN；N2為門機移動方向上，爬上楔面的行走輪數量；N為全部行走輪數量；μ1為制動輪和軌道之間的摩擦系數，取0.25。

F2=2/32×430×0.25=6.7 t=67 kN

(13)

該計算的前提條件為門機在風力的作用下，行走輪爬上了楔面重心抬高。而實際上，行走輪爬上楔面或對楔面產生正壓力，需要移動一短距離，一般在5～10 mm；且由于風向、風力的復雜多變性，再考慮風的上拔力，實際數值應比該數小。[11]

4.3 防風鐵鞋防風能力F3

鐵鞋塞至門機行走臺車主動輪下方時，根據制動器F1計算，主動輪與軌道是滑動而非滾動，門機主動輪無法爬上鐵鞋楔面，防風鐵鞋不能發揮防風功能，該鐵鞋防風阻力基本為零。

鐵鞋塞至門機行走臺車從動輪下方時，受風載荷影響，門機沿軌道移動，從動輪滾動爬上鐵鞋楔面，將從動輪的滾動摩擦變成滑動摩擦,增加起重機自身的摩擦阻力。鐵鞋使用時，應規范塞至門機行走臺車從動輪下方，防爬器也應設置對從動輪作用。[12]

MQ25-35門機共配備8個防風鐵鞋，對向塞墊至從動輪下方。當門機滑移時，門機移動方向上4個鐵鞋發揮防風功能。防風鐵鞋的防風能力即受到的最大靜摩擦力，取防風鐵鞋與軌道之間的摩擦系數為0.1計算得：

F3=4/32×430×0.1=5.375 t=53.75 kN

(14)

4.4 地錨防風能力F4

地錨的抗風能力即為錨板的水平組合力，MQ25-35門機有2處防風錨定，共4塊錨板，錨板的水平組合力F4為：

F4=4S錨板F剪切應力=4×30×180×128

=2 764 kN

(15)

式中，S錨板為錨板截面積，m2；F剪切應力為錨板剪切應力，kN；該錨定不考慮門機受到的上拔力[13]。

4.5 防風拉索防風能力F5

防風拉索一般設置為與垂直方向有一定的夾角，既能限制門機水平滑移，又能防止上拔力傾覆門機。MQ25-35設計的防風拉索受力圖見圖1。

圖1 MQ25-35門機防風拉索受力圖

圖1中L為防風拉索長度，α、β分別為拉風拉索與水平面和軌道方向的夾角，H為防風拉索門機固定點高度,防風拉索的抗風水平分力見表2。

表2 防風拉索的抗風水平分力

5 風速、風力與門機防風裝置功效

下面就不同風速、風力條件下，各種防風裝置的功效進行分析。

5.1 工作狀態下防風措施安全系數及分析

根據交通部規定，港口起重機工作狀態下的抗風能力應大于或等于35 m/s，對門機制動器、防爬器、鐵鞋3項防風措施進行單項和組合安全系數計算(見表3)。根據門機設計安全系數1.4，該門機任一單項均不符合防風安全要求，應采取“制動器+防爬器”、“制動器+鐵鞋”或“制動器+防爬器+鐵鞋”的組合防風安全措施。

表3 工作狀態下防風措施安全系數

考慮防風措施落實便捷程度及效能，工作狀態下門機優先采取“制動器+防爬器”方案，在條件許可的情況下，再塞墊鐵鞋。作業狀態門機遭遇強陣風，當陣風不高于35 m/s時，依靠組合防風措施能夠有效應對；當陣風高于35 m/s(12級)時，應采取就地封車、包樁系纜等方式應對，不得采取移動門機封車的方式。

工作狀態門機防風措施中，制動器至少提供71.3%防風阻力，是防止門機沿軌道滑移安全的關鍵裝置。但門機實際工作時，貨物載荷的沖擊會使門機產生晃動，長期作業將造成門機制動效果下降，因此，定期檢查維護調整行走制動器，保持制動器狀態良好非常重要。

5.2 非作業狀態下防風措施安全系數及分析

非作業狀態門機，駛回錨定位，一般采取制動器、防爬器、鐵鞋、防風拉索、地錨等5種措施進行防護，其單項和組合安全系數計算見表4。

表4 非工作狀態下防風措施安全系數

分析表4可得，根據門機設計安全系數1.4，非工作狀態下的門機，地錨是最有效的防止門機滑移措施，單項可最高防90 m/s風速，其他制動器、防爬器、鐵鞋、防風拉索4種單項和組合防風措施不能防范55 m/s風速。因此，MQ25-35門機必須配備地錨，并落實地錨防風措施。

6 結語

基于對MQ25-35門機防風裝置的分析，提出了科學合理的防風裝置配置模式，確保了門機在工作狀態和非工作狀態下的防風安全性。港口企業應加強對門機制動器、地錨、防爬器、鐵鞋及防風拉索等防風裝置的維護保養，保證其性能良好、動作可靠；同時加強員工培訓教育，提高員工對門機防風能力的認知，明確門機防風的風險點和防控措施，清楚門機防風應急措施，掌握各類裝置的檢查、維護和操作要求，進一步保障門機安全。