港口起重機一體式錨定風力自鎖防爬裝置

張鋒鋒 魏紅梅

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

按照相應的設計規范，港口起重機在設計時考慮了起重機使用地近30 a 及以上最大風力情況。在設置防風系固或配重裝置后，起重機有足夠能力承受非工作狀態最大風壓而不發生傾覆。隨著起重機不斷加高加大趨于大型化，大車軌距也在不斷加寬，相當數量碼頭的大車軌距已超過30 m，碼頭的防風系固能力也在不斷地增加。因此，在設計時充分考慮了錨定與防風拉索的抗風能力，使起重機在強勁風力作用下不會發生原地傾翻。到目前為止，起重機原地被風吹翻的案例尚未有報道。港口起重機發生風災事故的共同特點是：起重機在工作狀態或臨時停車狀態遭受突發性陣風或臺風時，操作人員來不及將起重機移動到錨定位置將錨定插板或插銷插到碼頭地面上的錨定坑內，從而導致起重機被風吹動并沿大車軌道快速移動，有可能車輪已被制動但仍產生滑動或半滾半滑狀態，積蓄了大量的動能，最終與相鄰靜止的起重機或軌道端部的緩沖塊相撞而引起整機傾覆或單側抬腿沖擊后垮塌。整機滑移所導致傾覆坍塌事故在近年港口起重機風災事故中發生較頻繁，針對這種破壞形式，其最重要的是確保起重機在任何情況下不被風吹動，及時采取措施制止起重機運動是可以避免這些事故的。

本文所研究的起重機一體式錨定風力自鎖防爬裝置是一種用于軌道行走式抗風防滑的安全防護裝置，已廣泛用于國內外多個碼頭。該裝置的主要作用是借助風力產生抗滑力，實現軌道行走式起重機沿軌道任意位置的機械式自鎖裝置。防風抗滑能力可在起重機作業中實時響應，能有效防止軌道行走式起重機因無預警陣風而產生滑移，確保港口大型軌道行走式起重機防風安全。

1 一體式錨定風力自鎖防爬裝置組成及原理

1.1 一體式錨定風力自鎖防爬裝置的組成

一體式錨定風力自鎖防爬裝置主要由主體支承結構、錨定裝置、風力自鎖防爬裝置等3 部分組成。這3部分作為一個整體與起重機上部結構連接，如圖1 所示。

圖1 一體式錨定風力自鎖防爬裝置

1）主體支承結構 主體支承結構是該裝置的主要承載構件，可保證整個裝置在最大暴風狀態下結構具有足夠的強度與剛度。支承結構兩側根據碼頭錨定預埋件坑的位置設置錨定裝置，錨定裝置為常規插板式設計，與常規錨定裝置并明顯差異，其組成部分不作贅述。

2）風力自鎖防爬裝置 該裝置由連桿機構、壓輪、制動靴、限位檢測開關等部分組成，如圖2 所示。

圖2 風力自鎖防爬裝置

3）連桿機構 連桿機構是自鎖防爬器的驅動裝置，左右連桿一側與主結構鉸座連接，另一側與電動推桿連接并控制連桿機構的動作。連桿的中間位置連接柔性鏈條裝置并與下部制動靴相連接，通過連桿的動作實現接地靴的起升和下降。柔性鏈條的長度可根據實際情況現場調節，以保證工作及非工作狀態制動靴的狀態。

4）制動靴裝置 該裝置是與軌道面接觸時產生抗滑移能力的重要部件，制動靴下表面的摩擦片采用高強度合金鋼調質處理，表面滲碳淬火，增強該裝置的耐磨性。摩擦片外形采用齒形設計，增大了裝置與軌道面的摩擦系數，為該裝置的抗滑移能力提供必要條件。

5）壓輪裝置 壓輪裝置通過銷軸與主體支承結構剛性連接，可與制動靴裝置聯合作用，將水平風力通過壓輪與制動靴斜面轉化為制動靴對于軌道的垂直壓力，是產生抗滑移性能的主要動力。

6）限位檢測裝置 該裝置由水平和豎直感應限位組成，可通過限位與感性板的相對位置變化將信號傳遞給整機電控系統中，以便于系統識別接地靴的工作狀態，節省了人為操作環節，實現該裝置的自動化、智能化。

1.2 一體式錨定風力自鎖防爬裝置的原理

在有臺風預警情況下，錨定裝置的作用是操作人員將起重機提前移動至錨定位置并與碼頭防風裝置預埋件連接使用，確保起重機在臺風狀態下不出現整體滑移及傾覆的風險。起重機錨定插板及上部結構強度要求應保證當地30 a 以上最大的暴風狀態下整機承受的暴風力。當工作中遇到突發陣風或未經過預報的臺風時，錨定裝置還未及時插入錨定坑內，即上述中港口事故多發的情況，此時風力自鎖防爬裝置可以保持整個起重機不出現滑移。

風力自鎖防爬裝置的工作狀態可通過限位進行監測，并將信號提供給電氣控制系統，同時電控系統可以根據大車運行狀態控制連桿機構的動作。當起重機大車運行時，連桿機構通過鏈條將制動靴提起并脫離軌道約25 mm，保證防爬裝置不影響起重機大車正常運行；當大車行走機構停止時，連桿機構將制動靴放到軌道表面，防爬裝置進入工作狀態。當外部風力作用，起重機沿大車軌道出現微小滑移，防爬裝置壓輪作用在制動靴上部靴架的斜面上，制動靴底部齒形面與軌道踏面產生水平摩擦力，從而產生整機抗滑移能力。以上操作簡單，無需人為控制，制動靴工作與非工作狀態示意圖如圖3 所示。

圖3 制動靴工作與非工作狀態示意圖

2 風力自鎖防爬裝置抗滑移能力計算

當風力作用時，制動靴與軌道之間的摩擦力產生軌道方向的抗滑移能力，此滑移能力與風力大小有關。為了進一步研究制動靴的抗滑移安全性能及影響因素，本文通過簡化力學模型進行分析，力學模型如圖4 所示。

圖4 自鎖防爬裝置力學模型

在圖4 中，FW為整機沿大車方向的風載荷；N1為風載荷作用下制動靴支架斜面對壓輪產生的反力及壓輪對斜面壓力；F1為風載荷作用下壓輪垂直向下的壓力，F1小于等于整機質量；N2為軌道面對制動靴的支承力；Ff 為軌道面與制動靴產生靜摩擦力；α為制動靴斜面與水平面的夾角。

根據起重機作業區域實際風速及起重機外形，可以求出整機大車方向風載荷FW，根據力學性能3 力匯交的原理，以壓輪為研究對象可得

以制動靴裝置為研究對象可得

設制動靴與軌道表面的摩擦系數為μ，則該裝置的最大抗滑移能力為

由式（5）可知，風力越大制動靴與軌道的摩擦系數越大，制動靴坡角α越小，整機的抗滑移能力越大。若保證整機在任何風速狀態下不出現滑移狀態的條件為Fmax＞FW，即當μ/tanα＞1 時，整機處于穩定狀態。

軌道制動影響抗風能力的因素較多，特別是摩擦系數的影響會造成防爬裝置性能不穩定。防爬裝置的制動靴采用齒式結構，軌道制動所產生的抗風阻力受到摩擦塊齒與軌道摩擦面的鑲嵌程度、軌道摩擦面狀態、接觸均勻度等因素影響。在實際應用中，軌道制動所能產生的抗風阻力是一個不穩定的值。實際經驗和試驗表明：軌道制動的當量摩擦系數變化范圍為0.25 ～1.0，在進行防風設計時，軌道制動方式的摩擦系數選取范圍為0.25 ～0.4，斜坡的作用角度選取范圍為10°～20°。為此，設計時一般取μ＝0.4，α＝15°，即

由式（6）可知，風力自鎖制動器的抗滑移能力隨風力的增大而增大。制動靴產生的最大靜摩擦力大于風力，可保證整機因摩擦力作用而不產生滑移，能有效防止軌道行走式起重機因無預警陣風而產生的滑移，確保港口大型軌道行走式起重機防風安全。該裝置作為絕大多數起重機防風防爬的安全保護裝置，具有安裝使用簡單、可靠性高、能增強起重機作業防風等級等優點。

3 制動靴摩擦力作用原理與影響因素

3.1 制動靴摩擦力作用原理

風力自鎖防爬裝置結構簡單，抗滑移能力可靠，但制動效果仍會受到外部因素的影響。風力自鎖防爬裝置由制動靴與軌道頂面組成制動副的制動方式稱為軌道制動。軌道制動的作用機理和特點是：由防風裝置的制動摩擦塊與起重機運行軌道的頂面形成摩擦副，在制動時給制動摩擦副施加壓力，從而使摩擦副之間產生摩擦阻力來抵抗風力作用。為增加摩擦阻力摩擦塊的摩擦面通常設計成齒形結構，如圖5 所示。

圖5 齒形摩擦塊軌道制動分析圖

在圖5 中，W為風力，F為摩擦力，N為摩擦力作用反力，P為頂軌力或夾緊力，β為齒形角度，α為齒形側面與水平x軸的夾角。由圖5 可知，抗風阻力R與齒形角度β、作用反力N、摩擦力F有關系，其表達式為

式中：R為抗風阻力。

摩擦塊的齒面與軌道面存在一定硬度差，由此形成的摩擦稱為鑲嵌摩擦。鑲嵌摩擦的機理比較復雜，與純滑動和純滾動摩擦有明顯區別。假定作用在摩擦塊上的頂軌力或夾緊力均勻分布于各齒上，在風力W作用下，抗風阻力R與齒形摩擦塊的齒形角度β、作用反力N在水平x軸的分力、摩擦力F在水平x軸的分力有關系。在摩擦塊材料一定的情況下，由圖5 受力分析和比較可以得出：

1）抗風阻力R的大小主要與作用反力N在水平x軸上的分力有關，若齒形角度β越小，α角度越大，鑲嵌深度越深，則作用反力N在水平x軸上的分力也越大，即抗風阻力R越大。

2）抗風阻力R的大小與摩擦力F在水平x軸上的分力有關，F為滑動摩擦力，主要與頂軌力或夾緊力P有關；當P越大，齒形角度β越大，則摩擦力F在水平x 軸上的分力越大，即抗風阻力R越大。

3）當齒形摩擦塊底部是平面時（齒形被磨平），即齒形角度β為180°，齒形側面與水平x軸夾角為0°，齒形摩擦塊與軌道之間無鑲嵌，則抗風阻力R等于滑動摩擦力F。此時軌道制動器已基本失去制動能力，需及時進行更換或維修齒形摩擦塊。

3.2 碼頭軌道對風力自鎖防爬裝置影響因素

由式（5）可知，制動靴與軌道之間的摩擦系數對此抗滑移裝置產生至關重要的影響。部分碼頭大車軌道的制動面一般都布滿腐蝕斑點和氧化皮，這種腐蝕斑點會對摩擦副接觸的均勻度產生影響，氧化皮的抗剪強度非常低，若摩擦齒鑲嵌在氧化皮上將嚴重降低摩擦阻力，從而抗滑移能力失效。

防爬裝置的制動靴通過連桿機構提升離開或降低作用在碼頭軌道面上。若碼頭大車軌道面出現比較大波浪高低差，非工作位置時制動靴底部與大車軌道面發生干涉，將會影響大車正常運行；工作位置時制動靴下降距離較大，整機滑移一定距離壓輪才能作用在制動靴斜面上，產生部分動能，對制動靴下部齒形沖擊較大，嚴重時會造成軌道的損壞。

軌道制動器用于靜態制動。軌道制動靠鑲嵌摩擦產生抗風阻力，制動靴的制動齒面在動態制動時會產生強大沖擊，齒尖無法承受這種沖擊力，在沖擊作用下會瞬間磨損或斷裂，同時破壞軌道的制動面，并在齒面磨平或斷裂后使鑲嵌摩擦失去作用，從而使制動力迅速下降甚至完全失效。因此，制動齒形的設計非常重要，應以切入軌道表面只發生彈性變形、不發生塑性變形為先決條件，而后再考慮盡可能增大相對移動阻力。

為了保證防爬器的整體使用效果，要充分考慮該裝置的實際設計及使用環境因素，設計時充分考慮制動靴摩擦片的材質、底部齒形設計和碼頭軌道使用條件后，該裝置具有良好的使用效果，并在實際項目中得到了充分認證與考驗。

4 一體式錨定防爬裝置項目使用情況

該裝置經過最初研發到首臺設備投入使用已有十余年，使用效果如圖6 所示。最早配置于2012 年歐洲某大型自動化港口岸橋項目，到目前國內外已有20 余個項目均有使用，確保了碼頭設備防風制動的安全性，取得了良好的使用效果。

圖6 一體式錨定風力自鎖防爬裝置應用圖

有些老舊碼頭在設計初期并未考慮突發陣風對起重機的影響，部分陳舊設備在突發陣風時存在夾輪器打滑無法剎住車輪的情況，給設備安全帶來隱患。由于全球自熱環境的不斷惡化，碼頭的防風成為碼頭管理者越來越關注的問題。如果更換夾輪器的數量較多，成本就會較高，還存在制動器與車輪匹配的問題。該裝置安裝調試簡單，成本較低，部分碼頭通過改造的方式增加了此裝置，解決了碼頭設備大車制動器制動力矩不足產生的滑移問題。

5 結論

一體式錨定風力自鎖防爬裝置可作為絕大多數設備提供防風防爬安全保護裝置，無需人為控制，具有安裝使用簡單、可靠性強、可增強設備作業防風等級、提高設備利用率等優點，是一種創新設計；為了保證此設備具有更可靠的使用性能，在設計和使用過程中要注意以下幾點：

1）軌道制動受布置空間限制，作用點少，一般情況下每臺起重機安裝2 ～4 套。當軌道制動器工作時，由于風力的影響，防爬裝置承擔了一部分整機質量，會減少起重機大車車輪輪壓，而輪壓的減少又會減小驅動輪的制動力，削弱驅動輪的制動防風效果。安裝4 套防爬裝置時存在過定位現象，實際產生的抗風阻力要打一定的折扣，抗風力計算時需要注意。

2）軌道面的不平整會使防爬裝置受力分布不均勻，導致壓軌力發生變化，部分齒尖受力過大造成齒尖磨損或斷裂，使其有效抗風能力存在不確定性。在設計時，碼頭軌道應符合一定的公差要求，碼頭軌道面控制在+/-10 mm 內。另外，應及時清理軌道表面的齒面油污、銹蝕斑點和浮銹等影響，減少軌道表面的雜質對防爬裝置產生的不利影響，增強安全裝置的可靠性。

3）應及時檢查制動靴下部齒的磨損情況，當齒下部磨損嚴重時，制動靴與軌道之間的摩擦系數已降低為鋼對鋼的滑動摩擦系數，軌道制動器基本失去制動能力，需及時更換或維修齒形摩擦塊，避免出現制動靴失效的情況。

4）一體式錨定風力自鎖防爬裝置同時具備了錨定和防爬作用。雖然理論上自鎖防爬裝置對于風力越大抗滑移能力越強，但實際設計時防爬裝置的抗滑移性能一般只考慮突發陣風風速或未經預報的臺風工況，一般按低于35 m/s 風速設計。對于有臺風預警的情況，碼頭工作人員要及時將起重機移動到錨定裝置，并及時插入錨定板及連接防風系固裝置，以保證起重機在臺風狀態下的安全。