輪邊制動器下起重機的抗風防滑機理研究＊

薛志鋼 蘇文勝 巫 波 黃海潤

1 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院 無錫 214174 2 國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心 無錫 214174 3 江南大學 無錫 214122

0 引言

起重機的抗風防滑性能是大型起重機重要考慮的因素，特別是在港口碼頭上的起重機，經常會遇到突遇的大風。以前常用的起重機抗風防滑裝置有鐵鞋、錨定裝置、頂軌器和夾軌器等[1]，但這些裝置有的不能在司機室進行遠程控制，當突遇大風時不能及時地對起重機進行制動；有的由于將起重機抗風防滑力僅僅依靠兩個單點制動，容易對軌道產生一定的影響。輪邊制動器能夠很好地解決以上問題，實行司機端遠程控制，并將抗風防滑力通過車輪均勻作用在軌道上，不會對軌道產生較大沖擊荷載，進而起到保護軌道的作用。有學者提出了室外起重機輪邊制動器的防風制動方案[2]，電動輪邊制動器具有功能綠色、不存在漏油的情況出現被廣泛的應用[3，4]，方便對輪邊制動器的自動化控制實現ABS防抱死功能[5]，起到柔性剎車的功能，在保證起重機抗風防滑能力的同時進一步保護軌道。基于以上優勢，輪邊制動器被越來越多地應用在起重機上，但其在工作中如何通過摩擦力傳遞至軌道，軌道對車輪摩擦及與制動器制動力之間關系目前還缺少相關的研究工作，本文基于以上問題開展研究工作。

1 理論分析

首先以車輪架為研究對象，車輪架受力示意圖如圖1所示，其中在1號車輪上安裝輪邊制動器，2號車輪自由轉動，車輪在荷載作用下做平面運動，故在A點和B點的主矩為零。

由此可得兩個車輪的輪壓為

由此可知，起重機在運行過程中，由于慣性力和輪邊制動器的作用，車輪架下的兩個車輪輪壓并不是相等的。提取單個車輪作為研究對象，如圖2所示，對C點求矩，則有

圖1 車輪架受力示意圖

圖2 車輪受力示意圖

由式（5）可知，當f≤FNμ靜時，隨著輪邊制動器制動力的增加，f逐漸增加；當f＝FNμ靜時，軌道對車輪的制動力無法提供車輪轉動所需摩擦力，此時車輪由滾動變為滑動，此時f＝FNμ動，因為μ靜＞μ動，起重機的抗風能力縮減。故提高車輪對軌道的壓力FN，增加軌道與車輪之間的摩擦力，才能使輪邊制動器更好地發揮制動能力，由式（3）和式（4）可知，同一車架下車輪輪壓不等，故在輪邊制動器制動能力充足的情況下，沿風荷載方向的車輪上布置輪邊制動器能夠有效地提高起重機的抗風防滑性能。由此可知輪邊制動器下的起重機抗風防滑能力是緣于輪邊制動器提供給車輪一定的轉動阻力，同時在起重機的慣性荷載作用下，車輪與軌道之間產生使車輪轉動的摩擦力，車輪開始做減速平面運動。隨著制動能力的增加，車輪與軌道之間的摩擦力足以提供車輪轉動時，車輪開始由轉動變為滑動，做平移運動，直至起重機完全停止或傾覆。

2 起重機的動力學分析

基于ADAMS建立起重機—軌道—輪邊制動器的多體動力學模型，在文獻[6]中已對模型的建立做了詳細說明，在此不做詳述。圖3為車輪的輪邊制動器布置圖，圖4為提取各個車輪與軌道之間的壓力和摩擦力。

圖3 輪邊制動器配置圖

圖4 車輪輪壓分布

一條軌道上車輪對軌道壓力的最大值和最小值相差174.1 kN，在同一個車輪架下，有輪邊制動器的車輪輪壓大于無輪邊制動器的車輪輪壓。一條軌道上車輪對軌道的壓力并不是沿著軌道長度方向呈現線性關系，以主梁支腿為界，在主梁正風壓一側的車輪（5、6、7、8號支架下的車輪）輪壓低于起重機靜止下的輪壓；在主梁負風壓一側的車輪（1～4號支架下的車輪）輪壓高于起重機靜止下的輪壓。由于平衡梁跨度較大，造成16號車輪輪壓相對于17號車輪輪壓發生較大突變。

結合圖4、圖5可知，由于慣性力和輪邊制動器制動力的影響，車輪輪壓分布不同，造成軌道提供給起重機的抗風防滑能力不同，兩者呈彼此對應的關系。

圖5 車輪與軌道之間的摩擦力

3 起重機抗風防滑因素分析

由以上分析可知，輪邊制動器下的起重機抗風防滑能力主要依靠制動器的制動力和軌道與車輪之間的摩擦力協調配合。兩者的摩擦力與正壓力和摩擦系數相關，改變其中任何一個參數，都可以直接改變相應的摩擦力。通過改變兩者的摩擦系數改變相應的摩擦力如表2所示。其中輪邊制動器閘瓦的靜摩擦系數為0.4，動摩擦系數為0.35，車輪與軌道的靜摩擦系數為0.14，動摩擦系數為0.12，動/靜摩擦系數同步降低。

在制動閘瓦摩擦系數降低到90%之前，并不會對起重機的抗風防滑性能造成較大程度的影響，主要因為在90%μ、100%μ、110%μ三種工況下，輪邊制動器具有足夠大的制動力，而軌道與車輪之間的摩擦力較小，無法提供車輪轉動所需力矩，故在輪邊制動器工作時，多數車輪處于滑動狀態，此時軌道對車輪的摩擦力多是動摩擦，再增加輪邊制動器的制動性能對軌道和車輪的摩擦力影響甚微。由此可知，單純地依靠增大輪邊制動器的制動力，當增加到極限值時，對起重機抗風防滑能力的提高沒有任何意義，但通過對數據的分析可知，110% μ下起重機的制動時間和制動距離相比于100%μ有一定增加，主要因為在110%μ下，摩擦系數增加造成摩擦力增加，1號車輪制動器還未完全抱閘就開始由滾動轉為滑動，同時軌道對車輪的摩擦力也由滾動摩擦轉為滑動摩擦，降低了起重機的抗風防滑能力。

在80%μ工況下的起重機抗風防滑能力優于70%μ，在這一類工況中，增加輪邊制動器的制動性能對提高起重機的抗風防滑能力起到主導作用，隨著輪邊制動器制動能力的增加，軌道與車輪之間的摩擦力逐漸增加，使起重機的抗風防滑能力得到有效的提高。

在輪邊制動器配備足夠的情況下，軌道與車輪之間摩擦系數的減少對起重機的抗風防滑能力的影響較大，當摩擦系數降低到80%μ以下時，制動加速度與起重機運行速度方向一致，起重機處于一致加速狀態，直至發生碰撞、傾倒或跌入海中。當摩擦系數大于90%μ時，起重機抗風防滑能力隨摩擦系數的增強逐漸增加，且此時滑動車輪的個數逐漸減少，滾動車輪的個數逐漸增加，但當增加到一定程度時，起重機抗風防滑能力趨于極限值，此時所有的車輪都處于滾動狀態，在該種情況下如果再提高起重機的抗風防滑能力，就需要提高輪邊制動器的制動能力。

表2 起重機制動性能

通過以上分析可知，起重機的抗風防滑能力的提高并不是單純地依靠增強起重機輪邊制動器的制動能力，而是輪邊制動器制動能力和軌道對車輪摩擦力兩者相互配合的結果，具體如圖6所示。

圖6 輪邊制動器與軌道摩擦系數配置圖

在強風荷載作用下，安裝有輪邊制動器的車輪處于三種狀態：純滾動、滾動滑動相結合、純滑動。當車輪處于純滾動狀態，此時輪邊制動配備不足，安全系數較低，在提高起重機抗風防滑能力方面，輪邊制動器占主導地位，解決方法為增加輪邊制動器數量或提高制動能力；當車輪處于純滑動狀態時，此時輪邊制動器冗余度較高，相應地起重機的成本也較高，在提高起重機抗風防滑能力方面，軌道摩擦系數占主導地位；當車輪處于滾動和滑動相結合的狀態時，綜合考慮成本和抗風防滑能力，性價比較高，軌道摩擦系數在提高起重機抗風防滑能力上占主導地位。

為了增加起重機的安全系數，起重機輪邊制動器的配置要有一定的冗余度，配備制動器車輪處于滾動和滑動狀態，通過制動閘瓦和軌道摩擦系數降低的對比發現，軌道摩擦系數的降低更容易造成起重機抗風防滑失效。

4 結論

1）對輪邊制動器下的起重機抗風防滑能力進行了理論分析，分析了運行過程中輪壓的分布，以及軌道對車輪摩擦力和制動器制動力的關系，研究了輪邊制動器作用下的起重機抗風防滑機理。

2）基于起重機—輪邊制動器—軌道建立的起重機多體動力學模型，分析了軌道輪壓和軌道對車輪摩擦力的分布規律，研究了兩者的關系。

3）通過改變輪邊制動器和軌道的參數，對影響起重機的抗風防滑能力的因素進行了分析，通過分析發現軌道摩擦系數的降低對起重機抗風防滑能力影響較大，并對輪邊制動器配置的合理性和有效性進行了研究。