一種門座起重機防陣風能力計算方法研究

趙志超

（招商局港口控股有限公司，廣東 深圳 518000）

裝卸機械的大型化使得機械的重心提高，迎風面積增大，遭受臺風或突發性陣風襲擊的可能性也隨之增加。其中，突發性陣風由于發生的時間、地點及持續時間均具有較強的不確定性，因此，港口單位很難及時根據陣風的變化情況實施相應的防風措施，一旦港口岸邊作業設備在動態作業過程中遭遇陣風，相關設備可能因陣風吹襲而造成滑移或傾覆，破壞力極大。

深圳海星港岸邊裝卸設備為門座起重機（以下簡稱“門機”），近年來，伴隨著全球氣候的變化，海星港也頻繁遭受突發陣風的襲擊，對企業生產造成了較大影響。基于此，海星港配合上級單位招商局港口控股有限公司在碼頭內引入了《招商國際天氣預警系統》（以下簡稱位“系統”），該系統為碼頭提供所在小范圍區域的陣風等級、降雨、雷電等定制的天氣預警信息，以便于碼頭及時啟動防風預案，減小或消除突發陣風可能對碼頭產生的沖擊。依托該系統，海星港參照行業分級防范的做法，制定了兩級防陣風措施，分別為：①一級防風措施。當碼頭收到某一級陣風預警時，現場作業人員指揮司機就地停止門機大車行走，大車慣性制動器自動轉為制動狀態，待人工塞好防風鐵楔后，門機繼續定點作業。②二級防風措施。當碼頭收到某一級陣風預警時，碼頭啟動防風錨定。該級措施啟動后，門機需要即刻停止作業，行走到對應的錨定坑并下錨，根據海星港的實際情況，單臺設備完成該防風措施預計需要45～60 min。

通過實施分級防風措施雖然可以提升設備防風能力，但是只有選擇合適的預警風力等級，才可以實現防風措施的精確應用，不僅可保障設備安全，而且可以減小部署防風措施對生產作業的影響。本文以海星港現有門機為分析對象，對港口門機防風等級的確定方法進行了研究，并參照該方法制定了適合海星港需求的防陣風措施。

1 門機防風等級確定方法

門機防風等級確定的總體思路為：根據門機的防風工況，在部分或全部大車慣性制動器有效的情況下，計算或測算門機滑移前的最大阻力，即門機的抗滑移能力，然后根據門機最大迎風面積、風壓和風速之前的關系，確定出門機的防風等級。

1.1 門機抗滑移能力計算

1.1.1 門機抗滑移措施概述

以海星港編號為MQ2的單臂架門機為例，其型號為MQ4030/4525，最大起升重量45 t，自重315 t，整機總車輪32個，驅動輪16個。其大車行走機構分為4組，每組配置2個驅動電機、4個主動輪及4個從動輪。

為了防止陣風吹動門機設備產生滑移，每組大車機構均配置了2個慣性制動器及2個相向塞墊的手動鐵楔，其抗滑移能力通過以下方式獲取：①門機大車慣性制動器制動主動輪，由主動輪產生滑動摩擦阻力，以阻止門機滑移；②鐵楔塞墊從動輪，促使被塞墊的從動輪由滾動運行轉為滑動運行，從而由從動輪產生滑動摩擦阻力，以阻止門機滑移；③從動輪滾動運行產生的滾動摩擦阻力，以阻止門機滑移。

1.1.2 門機抗滑移能力計算

1.1.2.1 單個主動輪的抗滑移能力Fq

Fq為單個主動車輪上制動力與滑動摩擦力相比的較小值，其中制動力F1為25 137 N，滑動摩擦力F2為13 505.625 N，因此，Fq=13 505.625 N。

1.1.2.2 塞墊鐵楔后單個從動輪的抗滑移能力Fch

沿著軌道方向吹風時，逆風向鐵楔會楔死對應從動輪，該從動車輪將產生滑動摩擦阻力F2，即抗滑移能力Fch=F2=13 505.625 N。

1.1.2.3 從動輪的抗滑移能力Fcg

未塞墊鐵楔的從動輪的抗滑移能力即為從動輪的滾動摩擦力，為578.812 5 N。

1.1.3 各種工況下門機整機抗滑移能力

1.1.3.1 全部制動器有效時的整機抗滑移能力Fha

式（1）中：N1為驅動輪數，16個；Nch為逆風向塞墊鐵楔的從動輪數，4個；Ncg為滾動的從動輪數，12個。

經計算可得Fha=277 058.25 N。

1.1.3.2 部分制動器有效時的整機抗滑移能力Fhb

式（2）中：N1為驅動輪數，16個；￠為制動器有效系數，此處取0.75，即整機有6個制動器有效，2個失效；Nch為逆風向塞墊鐵楔的從動輪數，4個；Ncg為滾動的從動輪數，12個；N2=N1*（1－￠）為制動器失效的驅動輪數，每個制動器制動2個驅動輪。

經計算可得：Fhb=225 351.00 N。

1.1.3.3 通過施加外力測試整機抗滑移能力Fhc

雖然本文所述的門機配備了8個大車慣性制動器，但是其在實際使用過程中的穩定性、可靠性以及實際防風效果都需要進行定期的測試驗證。目前，海星港每個月會針對門機開展抗滑移能力測算，具體做法為：選擇兩臺叉車作為外部動力源模擬陣風產生的推力施加在門機上，在取掉防風鐵楔的情況下，以叉車出現輪胎打滑且無法推動門機為判斷抗滑移能力達到臨界值的依據，以此計算叉車施加在門機上的推力及從動輪塞墊鐵楔后的整機抗滑移能力，經計算，叉車施加在門機的推力Fty為176 kN。另外，塞墊鐵楔后，從動輪的滾動摩擦力變為滑動摩擦力。此種情況下，整機的抗滑移能力Fhc為：

代入數據計算可得Fhc=227 707.25 N。

1.2 確定門機防風等級

利用門機的抗滑移能力來代替門機的最大風載荷，根據門機最大迎風面積、風壓和瞬時風速之前的關系，推算出門機的防風等級。

風速與門機抗滑移能力的關系為：

式（4）中：Fh為門機的抗滑移能力，代替風載荷；C為風力系數，1.2；Kh為風壓高度變化系數，1.25；A為沿軌道方面迎風面積，180.33 m2。

將以上計算出的各種情況下的門機抗滑移能力代入式（4），計算可得不同情況下的可抵抗的瞬時風速，再根據起重機設計規范GBT 3811—2008[1]中的《風速及風力等級對應關系表》，可查出門機各情況下的可抗風力等級，如表1所示。

根據表1數據可知，本文分析的海星港門機在大車慣性制動器全部或部分有效且從動輪已塞墊鐵楔的情況下，最高可抵抗10級陣風的吹襲。

表1 不同情況下可抗風力等級對應表

基于以上分析，海星港門機防風等級確定如下：①由于第一級防風措施可以在作業過程中進行，并且措施實施后允許門機設備定點作業，因此，其預警風力等級可以較低，具體可以視碼頭的實際情況而定，海星港選定啟動第一級防風措施的預警風力等級為7級，系統會在陣風等級達到7級前30 min發出預警，以供現場作業人員布置相應防風措施；②第二級防風措施的預警風力等級為10級，由于海星港單臺設備完成該防風措施預計需要45～60 min，因此，在系統中設置在陣風等級達到10級前發出預警，以供現場作業人員跑動大車至相應的錨定坑實施錨定作業。

2 結論

本文從精確計算的角度出發，分析并計算了門機設備大車機構所配備的各防風部件的抗滑移能力，并在計算得出的門機在各種情況下的防滑移能力的基礎上，利用門機的抗滑移能力來代替門機的最大風載荷，推算出門機的防風等級。通過近年在海星港的實踐經驗來看，本文所述的門機防風等級確定方法切實可行。但是，由于不同集裝箱碼頭之間的設備及設施配置會存在差異，且門機設備的防風能力與防風部件的保養狀態有著密切的關系，因此，本文所述的方法需設備管理人員結合碼頭實際情況進行調整，以確保制訂的防陣風措施精準有效。