門式起重機(jī)端部止擋系統(tǒng)優(yōu)化方案探討

楊 雷 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

伴隨著門式起重機(jī)在鐵路裝卸作業(yè)中的比重也越來越大。在我們廣泛運(yùn)用新型的起重機(jī)來解決裝卸效率的同時(shí)，各類門式起重機(jī)的相關(guān)事故也隨之多了起來，而門式起重機(jī)的因突發(fā)天氣因素導(dǎo)致的傾覆事故就是常見的事故之一。通過近幾年的事故調(diào)查我們發(fā)現(xiàn)大車車輪因突發(fā)大風(fēng)人為制動(dòng)后在，車輪在鋼軌上面高速滑行導(dǎo)致門式起重機(jī)緩沖器與走行端部止擋碰撞后產(chǎn)生強(qiáng)大的慣性力矩導(dǎo)致是導(dǎo)致門式起重機(jī)傾覆的重要原因。

雖然門式起重機(jī)根據(jù)國家特種設(shè)備管理需要進(jìn)行安裝監(jiān)檢和定期檢驗(yàn)，但對端部止擋系統(tǒng)的檢驗(yàn)僅僅是外觀及是否安裝的檢查，而對其可靠性也只是基于常規(guī)碰撞下產(chǎn)生載荷計(jì)算的，因此，非常有必要對于端部止擋系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)想。

1 常規(guī)端部止擋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

門式起重機(jī)端部止擋裝置的功能是防止起重機(jī)因操作失誤而沖出軌道，對人員及設(shè)備產(chǎn)生損毀，它的設(shè)計(jì)對起重機(jī)非常重要。從實(shí)際工況分析可知，起重機(jī)端部止擋裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)在緩沖碰撞力的求取，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是利用動(dòng)能定理結(jié)合動(dòng)量定理，計(jì)算出緩沖器與端部止擋裝置的碰撞載荷。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T3811-2008，特殊載載荷是指在起重機(jī)非正常工作時(shí)或不工作時(shí)的特殊情況下才發(fā)生的載荷，計(jì)算時(shí)以額定運(yùn)行速度計(jì)算緩沖器和端部止擋裝置發(fā)生碰撞時(shí)的緩沖碰撞力，并按照載荷組C4進(jìn)行計(jì)算。

1.1 動(dòng)量定理求取緩沖碰撞力

根據(jù)起重機(jī)運(yùn)行到端部時(shí)的質(zhì)量和速度，可以估算出緩沖碰撞力F（N）：

式中：t為碰撞所用時(shí)間s；m為碰撞質(zhì)量kg；V1和V0分別為碰撞初速度和末速度m/s。在計(jì)算過程V0=0，則式（1）可以簡化為：

式（2）可進(jìn)一步簡化為：

式中：a為起重機(jī)與端部止擋緩沖器發(fā)生碰撞時(shí)的減速度。

由式（3）得出最大減速度與緩沖力和緩沖行程的關(guān)系，取值過大將導(dǎo)致緩沖力過大，取值過小會(huì)使緩沖行程過長，應(yīng)根據(jù)碰撞速度大小選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

1.2 動(dòng)能定理求取緩沖碰撞力

依據(jù)動(dòng)能定律，起重機(jī)械的主要?jiǎng)幽軕?yīng)由緩沖器、運(yùn)行阻力、起重機(jī)械結(jié)構(gòu)等吸收。在碰撞過程中的動(dòng)能可表示為：

式中：W1為起重機(jī)械的運(yùn)行阻力N；W2為起重機(jī)械換算到車輪踏面制動(dòng)力N；S 為起重機(jī)械所選緩沖器的緩沖行程m；F(s)為起重機(jī)械的緩沖器在碰撞后緩沖過程所受的緩沖力N；本式并未考慮啃軌等一些不確定因素所產(chǎn)生的額外運(yùn)行阻力。

根據(jù)所選緩沖器類型的不同，緩沖器能力吸收公式簡化為不同形式，但是都轉(zhuǎn)化為最大碰撞力與有效行程的公式，即：

式中：C為緩沖系數(shù)（如表1 所示）；P為起重機(jī)械緩沖器在碰撞后緩沖過程中所受的平均緩沖力N。

表1 緩沖系數(shù)C示意表

為了達(dá)到緩沖器與端部止擋裝置發(fā)生碰撞后最終速度為0，起重機(jī)運(yùn)行阻力為 是大車運(yùn)行車輪與軌道摩擦力，而車輪踏面的制動(dòng)力為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩?fù)Q算到車輪上的制動(dòng)力。在計(jì)算中及忽略啃軌等不確定因素，則式（5）可以簡化為：

1.3 緩沖行程的計(jì)算

起重機(jī)止擋裝置的緩沖器行程主要是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的原則計(jì)算得到，因此根據(jù)式（6）可以得到選擇緩沖器需要的行程計(jì)算公式：

根據(jù)式（7）可以推算出滿足行程要求的緩沖器類型，并選擇出最合適的緩沖器。

2 對于門式起重機(jī)端部止擋系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)想

在上述門式起重機(jī)端部止擋的通常設(shè)計(jì)中所考慮到的情況和通過計(jì)算得出的選型都是基于普通情況下正常運(yùn)行的起重機(jī)走行梁與端部止擋相撞的設(shè)想，并未考慮由于突發(fā)環(huán)境下起重機(jī)制動(dòng)器已經(jīng)生效，車輪與鋼軌打滑的情況下與端部止擋相對高速的情況下發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

從整體的穩(wěn)定性角度分析，在發(fā)生碰撞時(shí)門式起重機(jī)的重心都成倍高于緩沖器中心線。由于門式起重機(jī)重心高，當(dāng)與端部止擋裝置發(fā)生碰撞后，自重的慣性載荷與緩沖器的碰撞載荷形成傾覆力矩，當(dāng)力矩大于抗傾覆力矩時(shí)，門式起重機(jī)將發(fā)生傾覆。那么在如何在實(shí)際的設(shè)計(jì)和使用中減少傾覆的危險(xiǎn)呢？我個(gè)人有兩點(diǎn)設(shè)想。

2.1 通過提高緩沖器與止擋裝置的高度來減小傾覆危險(xiǎn)

由于門式起重機(jī)的對稱性以及鋼結(jié)構(gòu)相對均布，我們將一臺(tái)門式起重機(jī)簡單的建模（如圖1）所示，起重機(jī)的重力N為：

圖1 受力簡易圖

式中：M為起重機(jī)的重量kg；g為9.8 N/kg。

起重機(jī)水平方向的所受力N為：

式中：PW為風(fēng)載荷n；F1為起重機(jī)的慣性力n；C為風(fēng)力系數(shù)；Kh為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；P0為非工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓N/m2；A為起重機(jī)垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積；m為起重機(jī)重量kg；a為加速度m/s2。

由此得出傾覆力矩為：

抗傾覆力矩為：

傾覆的臨界值為 ：

由此我們得出理論結(jié)果，適當(dāng)?shù)恼{(diào)高門式起重機(jī)緩沖器與止擋裝置接觸點(diǎn)能夠有效地減少傾覆的危險(xiǎn)。

2.2 通過軌道在端部增加上升弧度來減少傾覆危險(xiǎn)

根據(jù)式（12）我們知道，門式起重機(jī)在大車車輪與鋼軌打滑時(shí)的速度與加速度和傾覆也有直接的關(guān)系，由此我們設(shè)想將起重機(jī)大車鋼軌在接近兩端做相應(yīng)的抬高（如圖2）所示。

圖2 車輪與鋼軌簡圖

根據(jù)力學(xué)中動(dòng)能與勢能的關(guān)系：

由式（15）得出速度與高度h的關(guān)系為：

門式起重機(jī)在鋼軌上的滑行速度隨著鋼軌的升高而變慢，這樣就減少了高速情況下撞擊止擋的風(fēng)險(xiǎn)，也就減少了傾覆事故的發(fā)生。

3 對于設(shè)想的可行性探討

綜合上述兩個(gè)設(shè)想，我們認(rèn)為可以通過1+1＞2的方式來實(shí)現(xiàn)。由于門式起重機(jī)設(shè)計(jì)形式的特殊性，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的外立面最接近止擋裝置的就是下橫梁端面，所以想要調(diào)高緩沖器的位置，就變得捉襟見肘。但是通過一方面略微抬高止擋裝置前的鋼軌，使其有一個(gè)平緩的上升來減少速度，另一方面在現(xiàn)有不改變強(qiáng)度的情況下調(diào)高緩沖器的位置。