新型門式起重機動態防風裝置的研究

楊敏俐　中國鐵路上海局集團有限公司科研所

門式起重機是鐵路貨場和港口、碼頭等場所廣泛使用的裝卸長大笨重貨物和集裝箱的大型機械，隨著國內經濟的發展，門式起重機的市場需求越來越旺盛。但在沿海地區強對流天氣瞬時突發大風的情形時有發生，動態防風裝置有時不能保證可靠制停導致起重機整體傾翻造成重大安全事故。因此，需對現有的動態防風裝置進行研究，分析其失效原因，并提出相應的解決方案。

1 鐵路貨場常用的起重機抗風防滑裝置

鐵路貨場常用的起重機抗風防滑裝置有錨定裝置、手動夾軌器、鐵鞋制動、二級防風制動器等。其中錨定裝置、手動夾軌器、鐵鞋制動主要用于靜態防風。只有二級防風制動器常用于動態防風。二級防風制動器是起重機工作制動器制動后防風制動器再開始制動，屬于分級制動，二級防風制動器又有兩種形式：電磁塊式防風制動器和電力液壓推桿防風制動器。二者都是對起重機走行電機軸增加延時制動，利用大力矩制動器抱緊電機軸上的制動輪進行磨擦制動，使起重機停止。下面就通過一臺工作狀態下被大風吹倒的起重機事故，對其二級防風制動器進行分析。

2 對一臺工作狀態下被臺風吹倒的起重機進行受力分析

（1）事故簡要情況：某沿海貨場一臺雙梁U型門式起重機在工作狀態下忽然被一陣強對流天氣下刮起的大風吹跑，起重機斷電后繼續在軌道上快速滑行120m撞到走行鋼軌盡頭的止沖檔后發生整體傾翻事故。事故發生后發現起重機大車主動走行輪踏面在鋼軌上滑行的部分被磨平，走行輪滑過的鋼軌被磨得很亮，倒在地上的起重機支腿和主梁等主鋼結構嚴重扭曲變形，最后整機只能作報廢處理。

（2）設備情況：起重機型號為MG20/10-23A6，其主梁長43m，起重機自重G重為945500N，起重機采用4個走行臺車四輪驅動式，使用的二級防風制動器型式為：電力液壓推桿防風制動器，每個走行臺車各用一個工作制動器（YWZ-200/25）和一個防風制動器（YWZ-300/45），起重機臺車軸距B=8500mm，走行臺車中心距L=1050mm，大車車輪半徑d=400mm。起重機當時為空載狀態。

（3）原因分析：當時起重機工作位置正處于強對流天氣引發的大風風口位置，大風瞬間風力高達12級，這時風速為32.7m/s～36.9m/s,風速與風壓的通用計算公式為：P1=v2/1600其中P1（kN/m2）為風壓，v（m/s）為風速,經計算知風壓可達800 N/m2，取該值為起重機工作狀態下的計算風壓P1，由于斷電起重機車速為0m/s，大風作用時起重機受力分析見圖1。

圖1 四臺車四輪驅動門式起重機受力簡圖

G重--起重機自重(單位：N)；

PZ1--起重機車輪制動時制動器在大車輪踏面上產生的制動力（單位：N）；

Pf--起重機運行時的摩擦力(單位：N)，Pf=ωG重對裝減摩滾動軸承的車輪ω取0.006；

Pα--起重機在下坡道時沿坡道產生的下滑力（單位：N），FP=KPG重，通常 kp取 0.001；

PD--起重機運行狀態下制動所產生的慣性力（單位：N），是起重機自重與吊重重量之和與加速度α的乘積；

PWⅡ--起重機于工作狀態下所承受的風壓力（單位：N）；

N1、N1'，、N2、N2'，--分別為起重機各個車輪處受的支承反力（單位：N）。

由《起重機設計規范》可得，當起重機狀態為空載、順風、下坡運行制動時，工作狀態下的起重機抗風防滑安全性可由以下公式驗算：PZ1≥1.1PWⅡ+Pα+PD-Pf。

其中：PWⅡ=CP1A。C為風力系數，系數C取1，A為起重機構件及貨物垂直于風向的實體迎風面積m2。如若不把貨物計算在內時起重機的迎風面積A=∑Ai取110m2。

綜合計算可得：PWⅡ=88000N；Pα=945.5N；PD=αG總/g=0N（起重機為斷電狀態，車速取 0m/s）；Pf=5673N；1.1PWⅡ+Pα+PD-Pf=92072.5N；起重機工作制動器和防風制動器都抱閘時，作用在車輪踏面上的圓周切向力PZ1=4M制i/d；其中M制為制動器的制動力矩（N·m）；d為車輪半徑d；i為從大車走行電動機軸到車輪軸的傳動比i=34.4；PZ1=4（630+320）×34.4/0.4=326800N。

制動時車輪與軌道產生摩擦力F=Nf滑，其中：N=N1+N2=G重/2；f滑=0.14；F=945500×0.14/2=66185N。

當PZ1〉F時，PZ1則用被制動車輪與軌道的摩擦力F替代，即 PZ1=66185N，顯然 66185N 小于 92072.5N，即 PZ1〈1.1PWⅡ+Pα+PD-Pf說明該門式起重機在12級大風作用下，會在大車主動車輪滑動及被動輪滾動的情況下在鋼軌上繼續滑行。事故現場發現主動車輪踏面被磨平也證實了這一點。

當起重機在鋼軌上滑動時，由于存在一個加速度，起重機滑行速度會越來越大，最終和走行線端頭的鋼軌端檔發生碰撞。碰撞瞬間起重機將繞傾翻軸線作順風向轉動，過程中起重機的重心上升，一旦起重機重心越過傾翻軸線，起重機就會傾翻。整個過程中，風力克服起重機走行阻力、制動阻力和加速阻力后，將起重機吹跑到線路端頭，使起重機獲得動能A1，起重機在線路端頭碰撞時，動能A1與風力繼續作用產生傾翻力矩功A2，同時起重機重心上升使勢能E增加，起重機與走行線端頭碰撞時還會產生能量損耗W，主要與起重機金屬材料和線路端頭擋塊構造和材料有關。計算時可取W=0.1A1。當A1+A2-W〉E時，起重機將傾覆（見圖2）。

圖2 碰撞發生時起重機傾翻臨界狀態示意圖

由于起重機前端與走行線端頭端擋距離S=120m，根據牛頓第二定律，考慮到起重機內部各回轉零件的轉動慣量對起重機自身加速度的影響，計算時取換算系數為1.3。

可得：PWⅡ+Pα+PD-Pf-PZ1=1.3Ma；最終計算得到 a=0.14(m/s2)；起重機到達走行線端頭速度v==5.8(m/s)；A1=MV2/2=1590kJ；A2=PWⅡh風θ；其中 h風=∑Aihi/A，計算可得 h風=11.4(m)起重機的重心高可由h重=∑hiGi/G計算得到h重=9070 mm，tgθ=(B/2+L/2)/(h重-d)=0.55,θ=0.5 弧度，A2=501.6kJ；W=10%×A1=159kJ；E=Mg△h，其中 M 為起重機整機質量；△h為重心的抬高量。

△h=-(h重-d)=1.23m；E=1162.97kJ；

經計算可得A1+A2-W=1932.6kJ；顯然A1+A2-W〉E，說明強臺風把空載的起重機吹跑120m碰到鋼軌端頭時，起重機將翻倒。

從前面的受力分析來看，在動態防風中使用二級防風制動器是為了提高PZ1值讓車輪輪轂停止轉動,把起重機與軌道間的滾動摩擦變為滑動摩擦，但當PZ1〉F時PZ1要用F來代替，所以盲目提高PZ1值顯然不可取。

通過PZ1=F=1.1PWⅡ+Pα+PD-Pf這個關系式可算出大風吹跑該起重機的臨界風壓為586N/m2，當風壓大于586N/m2時，二級防風制動器將不能使起重機停下來，起重機會在軌道上繼續滑動。這說明二級防風裝置沒有從根本上解決起重機工作突遇大風時可靠制動的問題，急需開發一種可實現起重機動態防風的制動裝置。

3 一種新型的動態防風裝置

這種新型的防風裝置通過制動大車鋼軌進行制停起重機，使起重機能夠在軌道范圍內相對于地面靜止，而不僅僅是使起重機的輪轂停止轉動，從而解決了二級防風裝置無法阻止起重機在軌道上滑動而失去動態防風功能的根本問題。它能達到高效動態制動起重機的目的。

它通過提高起重機的F值來提高起重機的抗風能力，其抗風能力的大小等于夾軌器對鋼軌的壓力與對應的摩擦系數之積。它用鉗腿抱住大車鋼軌，使起重機在風力作用下不能再繼續向前滑動。新型的門式起重機動態防風液壓夾軌器的機械結構如圖3所示，總體由連桿、彈簧和彈簧座和一對鉗腿及鉗口組成。用彈簧力使夾鉗夾緊走行鋼軌，夾鉗需要松開時則依靠液壓系統中的油缸力通過杠桿產生推力。

圖3 液壓夾軌器結構簡圖

主要技術參數：每副夾鉗夾緊力：200kN；鉗口開度20度，開鉗時間7s；夾鉗時間10s;防風等級12級；適用軌道：QU120、QU100、QU80、QU70、P60、P50、P43、P38 等；油泵電機每小時起動補油次數不大于2次。

動態夾軌器可在起重機走行車輪由制動抱死轉為開始滑動時及時抱住大車走行鋼軌，阻止車輪繼續滑動。它的防滑力為200kN，考慮起重機使用4個夾軌器的情形帶入前面的計算關系式驗算后知，它能賦予起重機足夠大的縱向摩擦力防止起重機滑動，從而杜絕了起重機傾翻事件的發生。

整個動態防風環節如下：風力達到報警設定值（原來為6級,風速為11m/s）時，風速儀報警，風速再加大時（原來是大于13m/s）并持續4s時自動切斷大車運行電源，同時大車工作制動器和防風制動器分級作業，即大車工作制動器制動后防風制動器再制動，抱緊走行電機軸。之后，防風液壓夾軌器動作，抱緊鋼軌。

液壓夾軌器鉗腿張開狀態：通過夾軌器控制電路，在起重機行走前，首先接通夾軌器的油泵電機和電磁閥的電源，使壓力油充入油缸前腔，推動活塞運動以壓縮彈簧，使鉗腿處于張開狀態，待鉗腿完全張開后，當油泵電機電源被限位開關切斷，(但電磁閥此時仍處于通電狀態），同時把主機行走電機聯鎖電路接通，起重機開始行走。油泵電機斷電后，液壓系統所采用的單向閥和電磁閥有保壓作用，可以保證鉗腿處在張開的位置狀態。

液壓夾軌器鉗腿的閉合狀態：首先將電磁閥斷電，使壓力油流回到油箱中去，壓力油回流時，因途經集成塊上的節流閥能產生節流作用，所以只要調整集成塊上的壓力表接口旁的調節螺釘，就可隨意調節鉗腿的閉合時間。

圖4 電器原理圖

相應設計的電器控制系統如圖4所示，首先接通電源，使電機傳動，電磁閥通電工作，再打開壓力表開關，觀察壓力表讀數及油缸回縮情況，當壓力表壓力處于12MPa～14MPa左右，油缸能產生回縮運動，并能壓縮彈簧到觸動行程開關觸點，然后使電機停止工作，此時表明夾軌器處于正常工作的張開狀態。

由于液壓系統的不穩定性可能存在內泄露且對溫度敏感，鉗腿張開后，隨著時間的增長張開幅度可能會隨之減少，當減小到一定位置時，由于限位開關的作用時間繼電器會被切斷且會接通油泵電機的電源。油泵電機一通電，很快又會向油缸充油，而鉗腿又張開到指定位置。然后限位開關又會切斷油泵電機電源和接通時間繼電器電源。整個過程中，因時間繼電器的延時作用，使大車行走聯鎖繼電器始終通電，所以不會影響起重機正常行走。

4 該動態防風裝置具體應用時應當考慮的相關問題

（1）由于鐵路貨場起重機的大車軌道多為鐵路鋼軌連接而成，大車軌道結構公差應滿足《起重機車輪及大車和小車軌道公差第1部分：總則》GB/T10183.1-2010要求，需定期對大車軌道接頭處進行檢查，避免發生嚴重錯位而影響液壓夾軌器的制動效果。

（2）控制系統可采用PLC控制，將起重機走行機構的行走與停止、工作制動器與防風制動器的開啟與制動、夾軌器的開啟與夾緊等動作實行自動控制。

（3）夾軌器各個動作應由程序邏輯自動控制，從而減輕對起重機大車走行機構的沖擊。

（4）要設置故障檢測功能和顯示，可考慮增設監控裝置，監控車輪狀態，起重機正常作業時，夾軌器鉗腿要張開，當緊急防風時在大車車輪從滾動變滑動時要能聯動夾軌器鉗腿使之及時抱緊鋼軌。

（5）操作開關要布置在司機工作臺旁便于司機操作處。（6）一臺起重機上安裝4個夾軌器以抵御工作狀態下忽發的12級大風。

總體上，在起重機工作狀態下使用液壓夾軌器防風的構想可以滿足柔性制動，抗風能力高達12級和高效動態制動的實際使用需求，它能有效杜絕起重機被大風吹倒傾翻的事件，對提升門式起重機的動態防風能力有積極的作用。并且使用新型液壓夾軌器后起重機的風速儀報警器的設定值可調高為大于原來的6級，從而使得起重機的工作天氣范圍變廣，提高了鐵路貨場的工作效率。