夾輪器抗風防滑能力試驗動態仿真研究

吳峰崎，許海翔，姚文慶，張 進，周建波

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200333）

0 引言

在露天工作的大型物流裝備-起重機械都要求安裝有合適的抗風防滑裝置，以避免在受到臺風和突發的陣風襲擊時，造成重大人身傷害和財產損失事故。大型設備的抗風防滑能力來源于所采用的抗風防滑裝置的性能。用戶在采用抗風防滑裝置時，除了按照設備類別和規格合理選型并正確安裝外，測試抗風防滑裝置性能是否達到了設計指標也是很重要的[1～4]。

為了檢測夾軌器、防風鐵楔制動器和夾輪器產品的抗風防滑能力，根據我單位的起重機械抗風防滑裝置試驗臺，模擬起重機械在工作狀態下受到較大風力的陣風和非工作狀態受到強風暴(臺風)襲擊的情況，檢測這些產品的抗風防滑能力。本文結合先進的ADAMS動力學仿真軟件，對抗風防滑裝置中的關鍵設備-夾輪器在抗風防滑裝置試驗臺的試驗狀況，進行動態分析研究，為實際的動態試驗檢測和理論分析，奠定比較好的試驗比對和產品優化數據基礎。

1 計算模型建立

1.1 計算物理模型

本試驗臺由機架、導向桿、模擬重力油缸、加載橫架、連接支架、車輪架、各種制動器連接座、模擬風力油缸、液壓站系統、電控測試系統等組成。試驗臺機架采用焊接式整體結構，由鋼板焊接而成，其作用是使受力形成閉環，無需堅實的地基。

圖1 防風安全裝置檢測試驗臺結構示意圖

車輪架基體由鋼板焊而成,其上安裝兩個車輪,車輪可按需要更換。液壓加載油缸模擬起重機的重力通過銷軸作用到車輪架和車輪上,傳遞兩個車輪的模擬輪壓。車輪架備有三個安裝各種防風裝置相應支架的接口。

1.2 載荷和約束力、位移計算

港口起重機工作狀態防風是防止起重機在風力作用下沿大車軌道方向滑行。根據有關標準要求和工作狀態起重機發生的溜車趨勢，取風載荷作用方向沿著大車軌道方向且水平。

設計夾輪器試驗裝置時，應保證模擬起重機在非工作狀態風力作用下保持不動。其中對于試驗的夾輪器確定的夾緊力時，忽略制動器、坡道阻力和車輪輪緣對軌道側面摩擦的影響，驗證夾輪器產生的夾緊力：

式中：PfⅢ為非工作狀態時，沿運行方向作用在起重機上的風載荷（N）；

Pm為起重機運行的摩擦阻力（N）；

l為制動器鉗口中心到車輪中心的距離；

r為所制動車輪的半徑。

鉗口夾緊力：

式中：μ為鉗口與車輪的摩擦系數，該試驗的夾輪器摩擦系數為0.42，試驗的夾輪器如圖2所示。

kn為為安全系數。

圖2 試驗的夾輪器

試驗的夾輪器見圖2，該夾輪器應用于可用于室外大中型起重機及港口裝卸機械工作狀態下的防風制動和非工作狀態下的輔助防風制動作用；夾輪器一般只安裝在從動輪上,通過加緊車輪進行直接制動,可有效防止車輪在風力作用下滾動。它的結構特點是采用常閉式結構,安全可靠；蝶形彈簧夾緊,液壓釋放；備有限位開關,可與主機行走機構進行聯鎖保護；采用高性能無石棉摩擦襯墊,摩擦系數高且穩定。

1.3 計算工況

夾輪器設計制動能力計算公式為F=μN；其中，F為摩擦制動力；N為鉗口與車輪相互作用力，即正壓力；μ為摩擦因數。由設計公式可知，摩擦力與摩擦因數和正壓力成正比。而夾輪器的實際制動能力與很多因數有關，而影響最大因素為鉗口與車輪接觸面。而夾輪器抗風防滑能力的產生是鉗口壓入車輪產生的夾持摩擦力，與鉗口和車輪接觸面積相關。假設水平風載荷的數值為30kN，用裝有液壓壓力傳感器的液壓推力油缸模擬風的水平力。用液壓加載油缸模擬起重機的重力為400kN，使單個車輪的輪壓理論上達到200kN左右。

2 計算結果及分析

2.1 帶有夾輪器的輪軌模型分析

圖3 帶有夾輪器的輪軌模型

為了簡化分析和弄清原理，先分析夾輪器作用在防風試驗裝置中左面車輪上的情況，建立了帶有夾輪器輪軌adams多體動力學分析模型，根據Hertz 接觸理論,采用impact函數提供得非線性等效彈簧阻尼模型廣義力:

式中：mF—法向接觸力，單位為 N；

K（Stiffness）—Hertz 接觸剛度，表示接觸表面的剛度，單位為 N/mm；

iδ—接觸點的法向穿透深度，單位為mm；

e（Force Exponent）—力的指數，剛度項的貢獻因子；

C（Damping）—阻尼系數，單位為N.sec/mm，通常取剛度值的 0.1～1%；

Vi—接觸點的法向相對速度，Vi是iδ的導數，單位為 mm/sec。

軌道固定，輪軌、夾輪器的鉗塊和車輪之間加了接觸力，接觸剛度設置為100000N/mm，接觸點的法向穿透深度設置為0.01mm,阻尼系數設置為1000N.sec/mm，力的指數設置為1.5, 靜摩擦系數μs為0.5，動摩擦系數μd為0.42，如圖3所示。

為了讓模型能靜平衡，同時考慮實際情況，設置一個階躍函數的水平推力force=step ( time, 0.01,0, 5, 30000 )，水平推力的運行曲線如圖4所示。

圖4 水平推力的運行曲線

根據查找該試驗夾輪器的型號資料，得知其規格及技術參數中夾緊力為75kN，設置的車輪接觸夾緊力力的運行曲線如圖5所示。

圖5 車輪接觸夾緊力力的運行曲線

圖6 車輪在不同工況下的質心水平波動曲線

夾輪器在加緊力為750kN時，分別在輪壓為200kN (靜摩擦系數μs為0.5，動摩擦系數μd為0.42時)，輪壓為400kN (靜摩擦系數μs為0.5，動摩擦系數μd為0.42時)，輪壓為200kN，加大靜摩擦系數μs為0.9，動摩擦系數μd為0.8時的車輪質心水平波動曲線如圖6所示，從圖中可以得知，在200kN輪壓變化之間，在保證車輪不轉動的情況下，車輪質心水平方向運動不大，運行10秒后才0.8mm，因為采用的impact函數提供的非線性等效彈簧阻尼模型廣義力，故可以得出結論，在以上工況下可以說是靜止的，說明設置與理論分析的結果一致。

2.2 裝置有夾輪器的試驗輪軌模型分析

圖7 抗風防滑裝置試驗臺數學計算模型

為了準確模擬計算風載荷作用效果，建立圖7所示抗風防滑裝置試驗臺數學計算模型。x為沿著軌道方向，y為垂直軌道豎直方向，z為垂直軌道水平方向。為了求出車輪輪壓，給每個車輪加上了接觸約束；軌道固定，輪軌、夾輪器的鉗塊和車輪之間加了接觸力，接觸剛度設置為100kN/mm，接觸點的法向穿透深度設置為0.01mm,阻尼系數設置為1000N.sec/mm，力的指數設置為1.5，靜摩擦系數μs為0.5,動摩擦系數μd為0.42，根據試驗裝置在液壓加載力為400kN，水平推力為60kN，夾輪器在夾緊時車輪不能推動的情況下，分別設置兩個階躍函數的水平推力force=step ( time, 0.01, 0, 5,30000 )，這樣總共水平推力為60 kN，使之與實際相符，這樣計算出來的結果才符合實際意義。

設置的車輪接觸夾緊力的運行曲線如圖8所示，夾緊接觸力顯示在75 kN左右。

圖8 左右夾輪器夾緊方向接觸力曲線(與夾緊力一致)

通過模型的計算結果，得到液壓加壓為600 kN時，左右車輪垂直方向接觸力曲線，如圖9所示，輪壓力加上試驗裝置的自重，在325kN左右，這與實際情況符合。

圖9 液壓加壓為600 kN時，左右車輪垂直方向接觸力曲線

從計算的兩車輪的水平接觸力曲線可知，如圖10所示，左車輪主要抵抗水平推力的作用力，因為左車輪在夾輪器作用下，不能轉動，承受的是移動摩擦力，而右車輪沒有夾輪器作用，理論上是滾動摩擦，故顯示了夾輪器用于室外大中型起重機及港口裝卸機械工作狀態下的防風制動和非工作狀態下的輔助防風制動作用，效果還是比較明顯的。

圖10 液壓加壓為60t左右車輪水平接觸力曲線

圖11 在不同工況時下支撐質心水平波動曲線

根據以上的分析，建立的模型計算結果符合實際，同時為了顯示其他假設工況的情況和車輪運行趨勢，設置了夾輪器在加緊力為75kN時, 液壓整體加壓為600kN，單個車輪輪壓為300 kN(靜摩擦系數μs為0.5,動摩擦系數μd為0.42) 時，以及整體加壓為400 kN，單個車輪輪壓為200 kN時，加大靜摩擦系數μs為0.9，動摩擦系數μd為0.8時的車輪質心水平波動情況，同時與在整體加壓為400kN，單個車輪輪壓為200kN時，靜摩擦系數μs為0.5,動摩擦系數μd為0.42時的工況作對比，如圖11所示，在200kN輪壓變化之間，在保證車輪不轉動的情況下，車輪質心水平方向運動不大，運行10秒后才5mm左右，因為采用的impact函數提供的非線性等效彈簧阻尼模型廣義力，且因為該模型相對建模比較復雜，無法進行靜平衡，但趨勢與圖6的情況是一致的，這也是為什么進行上述簡化模型計算的原因，故可以得出結論，在以上工況下可以說是靜止的，說明設置與實際試驗及理論分析的一致性。

3 結論

通過對起重機抗風防滑裝置中夾輪器抗風防滑能力的仿真計算分析和其制動裝置能力計算、狀態分析，得出以下結論：

1) 可以結合能夠實際檢測的數據曲線，進行仿真擬合，可以一定程度上實現對車輪和夾輪器夾鉗等接觸剛度和阻尼參數的合理真實求解，以后結合實際測試結果進行修正即可。

2) 利用起重機自重作用車輪與軌道產生摩擦力防風，一定要考慮起重機結構不對稱性。起重機支撐輪壓分配不均性，需要合理設計選擇夾輪器的抗風防滑能力。

3) 夾輪器是靠摩擦力來實現抗風防滑的，所以應科學合理改善夾輪器夾持鉗口的表面形狀和鉗口硬度，使其能夠切入車輪表面。

4) 由于夾輪器的抗風防滑能力與車輪接觸面積相關，所以要加強對夾持鉗口的維護和保養。

以上措施能使港口起重機防風能力明顯提高。雖然如此，在抗風防滑裝置改善方面，還有很多工作需要進行探索，如夾輪器摩擦抗風防滑力產生機理，適應環境、工作狀態穩定可靠性以及新型抗風防滑裝置設計和智能化監控等。這些是需要進一步實際試驗和研究的課題。

[1] 周玉忠,胡玉良.港口起重機工作狀態防風能力現狀與對策[J],寶鋼技術,2007 (1):41-44.

[2] 侯曉勤,徐長生.港口起重機防風試驗研究[J],物流工程與管理,2009(3):138-140.

[3] 于書平,王琤.關于防風制動器應用效能的探討[J],鐵道貨運,2007(6):38-41.

[4] 王善樵,文豪.起重機安全保護技術[M],北京:中國鐵道出版社,2009.