橋門式起重機帶載行駛狀態安全控制技術研究

趙富強

（中鐵十八局集團有限公司，北京 100053 ）

橋門式起重機作為一種廣泛應用于港口、鐵路、近岸海域的重要機器，隨著工業發展的不斷提升而不斷發展。但橋門式起重機的金屬結構較為特殊，在行使過程中需注重其安全控制，確保行駛安全，避免發生意外事故。對此，不少學者針對起重機的安全控制技術進行了研究與分析。

文獻[1]基于能量耦合技術設計起重機控制器，應用拉格朗日方程分析起重機的擺動幅度數值，并構建動力學模型，利用復合型誤差信號與起重機荷載擺動之間的耦合關系將數據轉化為模型參數，實現起重機的控制，但獲取的控制參數可靠性較低。文獻[2]提出利用廣義預測控制確定控制參數的方法進行起重機安全控制，根據起重機模型研究其辨識信息，并構建動力學模型，有效避免起重機的吊鉤游擺現象，提升整體控制性能。但該方法并未考慮風力因素影響，造成不確定因素過多，影響最終安全控制效果。針對以上問題，本研究提出一種新式橋門式起重機帶載行駛狀態安全控制技術。該技術有效考慮風荷載的影響，根據不同的風載狀態與理論強化安全控制參數，獲取安全可靠的控制信息，進一步提升整體安全控制性能，為后續研究提供良好理論基礎。

1 橋門式起重機帶載行駛狀態下風荷載響應分析

在帶載行駛狀態下，橋門式起重機所承受的風荷載更大，一旦遇到極端天氣，很可能出現安全事故，不僅影響工程進度，也會對工作人員的生命安全造成嚴重影響。

1.1 帶載行駛狀態下風向角判斷

由于起重機工作環境中風向的變化較大，空氣與起重機表面結構接觸后將產生附著現象，產生粘性力作用，由此導致在不同的風向角條件下，起重機表面的風荷載數據差距較大[3]。為此需全面考慮不同風向角參數對起重機行駛狀態的風荷載影響，模擬不同起重機流體模型風力通過入口，將入口對應方向作為起重機表面結構壓力出口，分析不同角度的起重機風力流通狀況，并調整起重機表面架構接收的風力面積。選取7 個接收風力方向作為來流方向，風向角方向如圖1 所示。

圖1 風向角方向

設置風力方向選取公式：

式中，V為風力方向選取參數；s為入口風速數值；w為壓力出口參數；fc為起重機風向角數據；c為角度參數。

起重機主梁的迎風面積最大，且其位置相對較高，測量的風荷載數據相對較大，能有效判斷來風方向。當起重機的表面結構過大，測量的風荷載數據也將隨之加大，為此，需全面考慮不同方位的起重機風荷載分布狀況，進而獲取科學可靠的風向角參數[4]。

1.2 帶載行駛狀態下風力流體模型

1.2.1 邊界條件

根據起重機表面結構的不同，設置起重機帶載行駛狀態下風力流體模擬流場環境。在起重機流場內部，來流方向的整體區間長度為2 L，其中，L 為起重機主梁長度。起重機橫向區間長度為4 L，尾流部分整體區域長度為4 L，總體流場高度為5 L。為避免不同流速對流場模型的影響，控制起重機周圍的流速處于相似狀態中。流場入口速度為25 m/s，起重機流場出口部分的壓力為0 pa。

起重機流場周圍設置的邊界為無滑移邊界。加固網格區域并進一步強化起重機安全建模操作，實現流場環境的構建，設置邊界條件選取公式：

式中，?t為流場長度參數；?為起重機整體參數，?a為流場橫向區域參數；ax為區間限制數值；為流速平均值；D為獲取的邊界條件數據。

1.2.2流體模型

據獲取的邊界條件，結合起重機帶載行駛狀態下風向角參數構建起重機流體模型，公式為：

式中，T為流體模型參數；S為邊界條件系數；I為風向角數值；d為時間參數；v為流體流速。

根據構建的流體模型所建模型如圖2 所示。據圖2 并同時考慮邊界條件影響，在風向角為90°的情況下計算流體模型數據并與標準數值進行對比[5]。結果表明當邊界條件下網格數量為1.267 4×106時網格狀態較差，無法獲取較為精準的流體模型數值。為此本研究選擇網格數量為2.589 4×106的流體模型進行數據分析與研究，進一步提升安全控制的有效性。

圖2 流體模型

1.3 基于流體分析的風荷載響應分析

1.3.1 阻力系數

進一步獲取起重機整體結構下的阻力系數，并構建系數獲取公式：

式中，P為獲取的阻力系數；sF為起重機承受的風荷載數值；ρ為起重機表面風力流速；f為風力相對流速；K為起重機的結構特征高度數值；N為起重機的結構特征長度數值。

根據計算后的阻力系數可知，在不同的風向角狀態下，起重機帶載行駛狀態中所受的阻力系數變化程度相對較小，該結果表明起重機的柔性支腿對于風向的變化反應小。

1.3.2 風荷載響應

針對風力工作中對起重機風荷載數值測量的規定，本研究將一般情況下計算出的風荷載數值作為對比數據，并構建對比公式：

式中：C為起重機在一般情況下計算的風荷載數值；D為阻力系數；ε為非迎風面風力系數；k為起重機正常工作狀態下承受的風壓數值；θ為風面與起重機表面構成的夾角。

按照上式計算起重機在不同風向角條件下的風荷載數值，同時計算標準平均風荷載參數并進行數據對比[6]。根據計算得到的風荷載數據可知，在不同的風向角條件下，兩種計算方法獲取的數值大小及數據變化較為相似。在-30°和30°的風向角條件下，起重機的迎風面積數值達到頂峰，但真實的風荷載數值未達頂峰。在風場中，由于起重機的特殊結構，將在非迎風面形成負壓。在-90°和90°條件下，計算的風荷載數值分別為28 785.87 N 與35 257.21 N，該數值與標準數值的29 012.76 N 及35 412.35 N 差距較小，結果相似度高，表明本方法具備安全高效的控制性能。

2 基于人機交互的橋門式起重機帶載行駛狀態安全控制

2.1 安全信息源分析

依橋門式起重機結構數據調整其吊臂角度，通過安裝在起重機中心電環處的回轉電位計收集相應數值，信息源數據通過轉臺的回轉鎖定獲取響應信息，同時根據起重機懸掛狀態時吊臂通過的回轉角度收集角度值數據；進一步解析電磁閥電磁線圈采集的信號信息；加強管理起重機內部結構信息數據；調節起重機行駛車速，根據車速變化獲取速度傳感器信息；利用力矩百分比方式收集力矩限制參數；在不同起重機行駛狀態下利用吊臂頂端的風速儀測量裝置收集風速信息；用起重機輪胎中的壓力傳感器收集起重機胎壓數值，實現對帶載行駛狀態中的安全信息源的分析。

2.2 起重機帶載行駛狀態安全控制

根據獲取的安全信息源數據調整起重機表面結構流場特征測量場景，在0°風向角條件下，風流在起重機主梁上下翼邊緣形成邊界分離現象，而起重機的兩主梁之間距離較小，當主梁處于30°和60°的風向角條件下，起重機的主梁跨中截面將產生較大的負壓，對主梁迎風面的腹板與下翼邊緣板之間產生的分離漩渦影響較大。為此，本研究利用軟件系統中的算法模型對起重機的吊重載荷進行計算，有效實施安全控制與保護措施。控制過程如圖3 所示。

圖3 控制過程

確定回轉鎖定閥和液壓缸，根據鎖定結果實現控制。吊重載荷數據獲取公式如下：

式中，K為吊重載荷數值，a為收集的安全源信息，l為起重機流場特征參數，p為控制系數。根據上式調整起重機的安全控制狀態，進一步加強對起重機外部控制器的管理，有效匹配起重機結構數據與風向角風速參數，提升整體施工安全系數，實現高效安全控制操作。

3 實驗研究

起重機在運行狀態下，起始頻率為42 Hz，最大起重高度達10 m，最大角度為45°。為驗證橋門式起重機帶載行駛狀態安全控制方法的實際應用效果，設定本實驗。不同載荷狀態對應的載荷系數如表1 所示。

表1 起重機載荷狀態

在確定名義載荷狀態后，分別分析在不同風向角下的風荷載，風向角設定為-90°、-45°、0°、45°、90°，風荷載計算公式如下：

式中，NP為計算得到的風荷載結果；C為起重機在工作過程中產生的風力系數；η為在運行過程出現的擋風折減系數；p為當起重機處于工作狀態下產生的風壓；θ為風向與起重機內部縱軸之間形成的夾角。

采用本研究設定的安全控制技術對起重機帶載行駛狀態進行控制，同時選用傳統的能量耦合控制方法和參數辨識控制方法進行實驗對比，分析不同風荷載控制過程的起始頻率、起重高度和起重角度，得到的實驗結果如圖4 所示。

圖4 起始頻率實驗結果

由圖4 可知，隨著起重操作時間增加，起始頻率不斷提高，起重頻率閾值最終恒定在42 Hz。在不同風向角下，傳統控制方法在控制過程中受到外界干擾均無法達到預計的起重頻率值。在風向角為90°和-90°時，外界對起重機的影響極大，傳統的能量耦合控制方法在0.7 s，起重頻率達24 Hz并保持恒定，難以承受更大的荷載力，參數辨識控制方法能夠在1.0 s 時，起重頻率達28 Hz 且保持恒定，本研究提出的控制方法基本與起重頻率閾值保持一致，經歷了兩次恒定，均在1.1 s 時達到穩定狀態。當風向角為45°和45°時，傳統方法出現了明顯的提高，能量耦合控制方法的頻率基本穩定在31 Hz，參數辨識控制方法起重頻率穩定在40 Hz。當風向角為0°時，三種控制方法的控制效果最好，控制頻率接近頻率閾值。

由上述實驗結果可見，風向角對本研究提出的控制方法影響極小，原因是本技術在控制過程中充分顧及風荷載的響應效果，根據風荷載結果實現信息處理，確保起重頻率達到閾值。而傳統的控制技術在控制過程中缺少對風荷載的考慮，因此在實際應用中有很大局限性。

額定起重高度為10 m，對比不同風向角下各控制方法的起重高度，得到的實驗結果如表2 所示。起重高度是衡量起重機能力的重要因素之一，橋門式起重機作業高度往往較高，如無法達到規定高度，則會對作業效果產生巨大影響。由表2 可知，當風向角為0°時，三種控制方法均具很好的控制效果，都能達到規定作業高度，但隨著風向角的增加，傳統控制方法控制能力大為減弱，作業高度無法達到規定值，作業效果較差。

表2 起重高度實驗結果

額定起重角度為45°，起重角度實驗結果見表3 起重角度不僅對工程質量有關鍵性影響，同時也影響操作安全性。三種控制方法在起重角度方面控制能力均較強，但在風向角較大的情況下，傳統方法的起重角度仍會出現偏差，甚至造成安全事故，影響工期。

表3 起重角度實驗結果

4 結論

對橋門式起重機帶載行駛狀態進行安全控制技術研究，在考慮風荷載影響情況下獲取相應的控制系數，并得到以下結論：（1）在控制各種信息源的情況下獲取安全有效的行駛狀態數據，實時監控起重機的情況，并詳細分析控制策略，提前規避可能產生的各種危險，減少橋門式起重機帶載行駛狀態下的操作危險，有效確保起重機的安全施工。（2）由于起重機的內部結構存在屏蔽效應，在非迎風區域能形成相應的負壓，且風向角與0越接近，其生成的負壓絕對數值越大。

但本研究仍存在不足之處：（1）計算出的風荷載數值與標準數值存在一定差異，在進行數值計算過程中需考慮結構表面狀況與遮擋因素等方面的影響。（2）需進一步加強對起重機結構與風荷載數據的分析判斷力度，避免因數據差異造成控制結果失真等問題。