謝新鵬 劉相超

龍口港集團(tuán)有限公司

1 引言

門(mén)座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門(mén)機(jī))是港口裝卸作業(yè)的主力設(shè)備，由于其外形結(jié)構(gòu)高大、迎風(fēng)面積較大、風(fēng)力作用中心高度較高，易受臺(tái)風(fēng)、突發(fā)性陣風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣影響，引發(fā)起重機(jī)械位移滑動(dòng)、傾翻等災(zāi)難性事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。因此，研究、優(yōu)化門(mén)機(jī)防風(fēng)措施功能及作用機(jī)制意義重大[1-2]。鑒于門(mén)機(jī)型號(hào)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防風(fēng)裝置不統(tǒng)一，以MQ25-35門(mén)座起重機(jī)為研究對(duì)象，研究防風(fēng)裝置的防風(fēng)能力和防風(fēng)機(jī)制[3-4]。

2 門(mén)機(jī)防風(fēng)裝置情況簡(jiǎn)介

起重機(jī)結(jié)構(gòu)高、自重大，一旦被風(fēng)吹動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生很大慣性，難以停止，導(dǎo)致連鎖機(jī)損和人身傷害事故[5-6]。因此門(mén)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)風(fēng)載荷作用實(shí)際，配置多種防風(fēng)裝置，主要是為了防止門(mén)機(jī)整機(jī)失穩(wěn)傾覆和沿軌道滑移。

2.1 MQ25-35門(mén)機(jī)基本情況

MQ25-35門(mén)機(jī)為普通四連桿式臂架、圓筒式門(mén)架的門(mén)座起重機(jī)，最大幅度35 m，起升高度軌道上28 m(吊鉤)、軌道下16 m，軌距L=10.5 m，迎風(fēng)面積S=262.9 m2，風(fēng)合力作用點(diǎn)距離地面高度H=19.8 m，自重G=430 t。

MQ25-35門(mén)機(jī)擁有制動(dòng)器、防爬器、防風(fēng)拉索、地錨(錨板)、防風(fēng)楔塊等防風(fēng)裝置。門(mén)機(jī)防風(fēng)一般分兩種情況，即工作狀態(tài)的防風(fēng)和非工作狀態(tài)的防風(fēng)。工作狀態(tài)下制動(dòng)器、防爬器、防風(fēng)楔塊發(fā)揮作用；非工作狀態(tài)下，門(mén)機(jī)移動(dòng)至指定位置錨定，此時(shí)所有防風(fēng)裝置均發(fā)揮作用[7-8]。

2.2 制動(dòng)器

慣性制動(dòng)器是目前國(guó)內(nèi)門(mén)機(jī)上應(yīng)用最廣的行走制動(dòng)器，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)軸的制動(dòng)起到對(duì)門(mén)機(jī)行走主動(dòng)輪的制動(dòng)作用，在非工作狀態(tài)下也可實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)輪的制動(dòng)。在使用過(guò)程中及時(shí)更換制動(dòng)器摩擦片、調(diào)整間隙，就可以取得較好的制動(dòng)效果。慣性制動(dòng)器無(wú)電氣元件，使用安全可靠，安裝、維護(hù)簡(jiǎn)便，摩擦材料磨損均勻，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)漏液、漏油。MQ25-35門(mén)機(jī)共有8套慣性制動(dòng)器，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 行走機(jī)構(gòu)制動(dòng)器主要技術(shù)參數(shù)

2.3 防爬器

MQ25-35門(mén)機(jī)共有4套防爬器(也稱防跑制動(dòng)器)，位于行走臺(tái)車之間。一旦行走輪有對(duì)軌道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，行走輪爬上楔面，門(mén)機(jī)自重力對(duì)楔塊產(chǎn)生向下的正壓力，在該作用力下，防爬器下面的齒板與軌道之間產(chǎn)生較大的水平摩擦力，阻止門(mén)機(jī)移動(dòng)。正常情況下，在門(mén)機(jī)正壓力(自重力)和摩擦力的作用下，門(mén)機(jī)停止移動(dòng)，超過(guò)安全臨界點(diǎn)后門(mén)機(jī)將會(huì)滑動(dòng)。靜止?fàn)顟B(tài)下，防爬器不起作用。防爬器的效果取決于防爬器設(shè)計(jì)、使用維護(hù)和軌道(沉降)平整度。

2.4 防風(fēng)鐵鞋

港口常用的防風(fēng)楔塊(俗稱鐵鞋)，由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、重量輕、易于維修等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于港口門(mén)機(jī)防風(fēng)，但與防爬器不同的是需要人工手動(dòng)操作。MQ25-35門(mén)機(jī)共有8個(gè)防風(fēng)鐵鞋，對(duì)向塞墊至行走輪下方。防風(fēng)鐵鞋作用原理與防爬器相同，車輪向前滾動(dòng)時(shí)，爬到鐵鞋上，與鐵鞋成為一體在軌道上滑行，將車輪與軌道的滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，因而摩擦力大幅度增加。在門(mén)機(jī)不移動(dòng)的情況下，防風(fēng)鐵鞋也不起作用。

2.5 防風(fēng)拉索

MQ25-35門(mén)機(jī)共有4根防風(fēng)拉索。防風(fēng)拉索是指用鋼絲繩(鐵鏈)、花籃螺絲、卸扣等，將門(mén)機(jī)機(jī)體與碼頭的錨定座鏈接起來(lái)，將門(mén)機(jī)固定在封車位置，避免在風(fēng)力作用下門(mén)機(jī)移動(dòng)。防風(fēng)拉索具有直接可靠、效果易于檢查和防風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是必須將門(mén)機(jī)停到指定位置，加固時(shí)間長(zhǎng)。

2.6 防風(fēng)錨定

MQ25-35門(mén)機(jī)共有2套地錨。防風(fēng)錨定與防風(fēng)拉索同樣具備直觀可靠、效果易于檢查和防風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是必須將門(mén)機(jī)停放到指定位置，需要準(zhǔn)確定位，耗時(shí)也較長(zhǎng)。同時(shí)在錨板與地錨槽之間有間隙，只有當(dāng)錨板碰到地錨槽，該裝置才發(fā)生作用，若門(mén)機(jī)防風(fēng)拉索拉緊，門(mén)機(jī)無(wú)法移動(dòng)的情況下，該裝置不起作用。

3 門(mén)機(jī)抗傾覆能力計(jì)算與分析

根據(jù)規(guī)定，港口起重機(jī)非工作狀態(tài)下的抗風(fēng)能力應(yīng)不小于55 m/s，工作狀態(tài)下的抗風(fēng)能力應(yīng)不小于35 m/s。[9]

假設(shè)門(mén)機(jī)完全處于靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)任何防風(fēng)裝置起作用。當(dāng)風(fēng)速為55 m/s，風(fēng)向完全垂直軌道，則風(fēng)壓為：

Q=0.613V2=1 854.325 Pa

(1)

式中，Q為風(fēng)壓，Pa；V為風(fēng)速，m/s；則門(mén)機(jī)受到最大的傾覆力為：

F=1.2QS=1.2×1 854.325×262.9=585.002 kN

(2)

式中，F(xiàn)為門(mén)機(jī)受到最大的傾覆力，kN；Q為風(fēng)壓，Pa；S為門(mén)機(jī)迎風(fēng)面面積，m2。

門(mén)機(jī)受到的傾覆力矩為：

T傾覆=FH=584.9×19.8=11 583.04 kNm

(3)

式中，T傾覆為門(mén)機(jī)受到的傾覆力矩，kNm；H為門(mén)機(jī)高度，m。

穩(wěn)定力矩為：

T穩(wěn)定=Mg(L/2-X)=18 752.3 kNm

(4)

式中，T穩(wěn)定為穩(wěn)定力矩，kNm；M為門(mén)機(jī)的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；L為門(mén)機(jī)寬度，m；X為門(mén)機(jī)垂直于軌道方向時(shí)的重心偏移量，m。

門(mén)機(jī)轉(zhuǎn)向、幅度不同，X取值不同。式中X為門(mén)機(jī)最不利時(shí)的重心偏移量，一般情況下變幅最大時(shí)X為0，考慮合理范圍內(nèi)門(mén)機(jī)幅度最小時(shí)X取值為0.8 m。

安全系數(shù)為：

σ=T穩(wěn)定/T傾覆=18 752.3/11 583.04=1.619 (5)

從上述計(jì)算可知，在靜態(tài)(且風(fēng)力完全垂直于軌道方向)情況下，即使受到55 m/s的強(qiáng)風(fēng)，門(mén)機(jī)也不會(huì)傾覆。但分析國(guó)內(nèi)外門(mén)機(jī)傾覆事故，絕大部分事故是門(mén)機(jī)在風(fēng)力作用下或人為原因發(fā)生移動(dòng)，巨大的滑移慣性沖擊造成的。因此，門(mén)機(jī)防風(fēng)的重點(diǎn)應(yīng)是防止風(fēng)力吹動(dòng)門(mén)機(jī)沿軌道滑動(dòng)，尤其考慮門(mén)機(jī)在裝卸作業(yè)過(guò)程中遭遇強(qiáng)陣風(fēng)侵襲的防范。

4 門(mén)機(jī)抗水平滑移力的計(jì)算與分析

4.1 制動(dòng)器防風(fēng)能力F1

依據(jù)表1行走機(jī)構(gòu)制動(dòng)器主要技術(shù)參數(shù)，可以計(jì)算出1個(gè)制動(dòng)器工作時(shí)，制動(dòng)車輪所受到的最大制動(dòng)力，即1個(gè)制動(dòng)器能提供的防風(fēng)能力F0：

F0=2TI/D

(6)

式中，F(xiàn)0為制動(dòng)器能提供的防風(fēng)能力，kN；T為制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，kNm；I為行走機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比；D為行走輪直徑，m。

經(jīng)計(jì)算1個(gè)制動(dòng)器能提供的的防風(fēng)能力為：

F0=2×458×60.97/0.55=100 kN

(7)

每個(gè)制動(dòng)器控制2個(gè)行走輪，若制動(dòng)器工作時(shí)，行走輪恰好滾動(dòng)，每車輪最小的輪壓應(yīng)為：

F輪壓=F0/(2μ)

(8)

式中，F(xiàn)輪壓為車輪輪壓，kN；μ為制動(dòng)輪和軌道之間的摩擦系數(shù)，參照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T3811-2008)，取0.14。[10]

計(jì)算可得：

F輪壓=100/(2×0.14)=357 kN

(9)

當(dāng)制動(dòng)車輪的輪壓小于357 kN時(shí)，制動(dòng)力矩足夠大，車輪發(fā)生滑動(dòng)而非滾動(dòng)。該門(mén)機(jī)共32個(gè)行走輪(其中16個(gè)主動(dòng)輪，16個(gè)從動(dòng)輪)，可以計(jì)算出每個(gè)車輪輪壓為134 kN，遠(yuǎn)小于使車輪滾動(dòng)的最小輪壓，主動(dòng)輪與軌道之間是滑動(dòng)摩擦。因此，制動(dòng)器對(duì)應(yīng)車輪的最大靜摩擦力即為該制動(dòng)器的防風(fēng)能力F1：

(10)

式中，F(xiàn)1為制動(dòng)器防風(fēng)能力，kN；N1為制動(dòng)輪(主動(dòng)輪)數(shù)量；N為全部行走輪數(shù)量。

計(jì)算可得：

F1=16/32×430×0.14=30.1 t=301 kN

(11)

4.2 防爬器防風(fēng)能力F2

防爬器能提供的最大靜摩擦力，即防風(fēng)能力F2：

(12)

式中，F(xiàn)2為防爬器防風(fēng)能力，kN；N2為門(mén)機(jī)移動(dòng)方向上，爬上楔面的行走輪數(shù)量；N為全部行走輪數(shù)量；μ1為制動(dòng)輪和軌道之間的摩擦系數(shù)，取0.25。

F2=2/32×430×0.25=6.7 t=67 kN

(13)

該計(jì)算的前提條件為門(mén)機(jī)在風(fēng)力的作用下，行走輪爬上了楔面重心抬高。而實(shí)際上，行走輪爬上楔面或?qū)π娈a(chǎn)生正壓力，需要移動(dòng)一短距離，一般在5～10 mm；且由于風(fēng)向、風(fēng)力的復(fù)雜多變性，再考慮風(fēng)的上拔力，實(shí)際數(shù)值應(yīng)比該數(shù)小。[11]

4.3 防風(fēng)鐵鞋防風(fēng)能力F3

鐵鞋塞至門(mén)機(jī)行走臺(tái)車主動(dòng)輪下方時(shí)，根據(jù)制動(dòng)器F1計(jì)算，主動(dòng)輪與軌道是滑動(dòng)而非滾動(dòng)，門(mén)機(jī)主動(dòng)輪無(wú)法爬上鐵鞋楔面，防風(fēng)鐵鞋不能發(fā)揮防風(fēng)功能，該鐵鞋防風(fēng)阻力基本為零。

鐵鞋塞至門(mén)機(jī)行走臺(tái)車從動(dòng)輪下方時(shí)，受風(fēng)載荷影響，門(mén)機(jī)沿軌道移動(dòng)，從動(dòng)輪滾動(dòng)爬上鐵鞋楔面，將從動(dòng)輪的滾動(dòng)摩擦變成滑動(dòng)摩擦,增加起重機(jī)自身的摩擦阻力。鐵鞋使用時(shí)，應(yīng)規(guī)范塞至門(mén)機(jī)行走臺(tái)車從動(dòng)輪下方，防爬器也應(yīng)設(shè)置對(duì)從動(dòng)輪作用。[12]

MQ25-35門(mén)機(jī)共配備8個(gè)防風(fēng)鐵鞋，對(duì)向塞墊至從動(dòng)輪下方。當(dāng)門(mén)機(jī)滑移時(shí)，門(mén)機(jī)移動(dòng)方向上4個(gè)鐵鞋發(fā)揮防風(fēng)功能。防風(fēng)鐵鞋的防風(fēng)能力即受到的最大靜摩擦力，取防風(fēng)鐵鞋與軌道之間的摩擦系數(shù)為0.1計(jì)算得：

F3=4/32×430×0.1=5.375 t=53.75 kN

(14)

4.4 地錨防風(fēng)能力F4

地錨的抗風(fēng)能力即為錨板的水平組合力，MQ25-35門(mén)機(jī)有2處防風(fēng)錨定，共4塊錨板，錨板的水平組合力F4為：

F4=4S錨板F剪切應(yīng)力=4×30×180×128

=2 764 kN

(15)

式中，S錨板為錨板截面積，m2；F剪切應(yīng)力為錨板剪切應(yīng)力，kN；該錨定不考慮門(mén)機(jī)受到的上拔力[13]。

4.5 防風(fēng)拉索防風(fēng)能力F5

防風(fēng)拉索一般設(shè)置為與垂直方向有一定的夾角，既能限制門(mén)機(jī)水平滑移，又能防止上拔力傾覆門(mén)機(jī)。MQ25-35設(shè)計(jì)的防風(fēng)拉索受力圖見(jiàn)圖1。

圖1 MQ25-35門(mén)機(jī)防風(fēng)拉索受力圖

圖1中L為防風(fēng)拉索長(zhǎng)度，α、β分別為拉風(fēng)拉索與水平面和軌道方向的夾角，H為防風(fēng)拉索門(mén)機(jī)固定點(diǎn)高度,防風(fēng)拉索的抗風(fēng)水平分力見(jiàn)表2。

表2 防風(fēng)拉索的抗風(fēng)水平分力

5 風(fēng)速、風(fēng)力與門(mén)機(jī)防風(fēng)裝置功效

下面就不同風(fēng)速、風(fēng)力條件下，各種防風(fēng)裝置的功效進(jìn)行分析。

5.1 工作狀態(tài)下防風(fēng)措施安全系數(shù)及分析

根據(jù)交通部規(guī)定，港口起重機(jī)工作狀態(tài)下的抗風(fēng)能力應(yīng)大于或等于35 m/s，對(duì)門(mén)機(jī)制動(dòng)器、防爬器、鐵鞋3項(xiàng)防風(fēng)措施進(jìn)行單項(xiàng)和組合安全系數(shù)計(jì)算(見(jiàn)表3)。根據(jù)門(mén)機(jī)設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.4，該門(mén)機(jī)任一單項(xiàng)均不符合防風(fēng)安全要求，應(yīng)采取“制動(dòng)器+防爬器”、“制動(dòng)器+鐵鞋”或“制動(dòng)器+防爬器+鐵鞋”的組合防風(fēng)安全措施。

表3 工作狀態(tài)下防風(fēng)措施安全系數(shù)

考慮防風(fēng)措施落實(shí)便捷程度及效能，工作狀態(tài)下門(mén)機(jī)優(yōu)先采取“制動(dòng)器+防爬器”方案，在條件許可的情況下，再塞墊鐵鞋。作業(yè)狀態(tài)門(mén)機(jī)遭遇強(qiáng)陣風(fēng)，當(dāng)陣風(fēng)不高于35 m/s時(shí)，依靠組合防風(fēng)措施能夠有效應(yīng)對(duì)；當(dāng)陣風(fēng)高于35 m/s(12級(jí))時(shí)，應(yīng)采取就地封車、包樁系纜等方式應(yīng)對(duì)，不得采取移動(dòng)門(mén)機(jī)封車的方式。

工作狀態(tài)門(mén)機(jī)防風(fēng)措施中，制動(dòng)器至少提供71.3%防風(fēng)阻力，是防止門(mén)機(jī)沿軌道滑移安全的關(guān)鍵裝置。但門(mén)機(jī)實(shí)際工作時(shí)，貨物載荷的沖擊會(huì)使門(mén)機(jī)產(chǎn)生晃動(dòng)，長(zhǎng)期作業(yè)將造成門(mén)機(jī)制動(dòng)效果下降，因此，定期檢查維護(hù)調(diào)整行走制動(dòng)器，保持制動(dòng)器狀態(tài)良好非常重要。

5.2 非作業(yè)狀態(tài)下防風(fēng)措施安全系數(shù)及分析

非作業(yè)狀態(tài)門(mén)機(jī)，駛回錨定位，一般采取制動(dòng)器、防爬器、鐵鞋、防風(fēng)拉索、地錨等5種措施進(jìn)行防護(hù)，其單項(xiàng)和組合安全系數(shù)計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 非工作狀態(tài)下防風(fēng)措施安全系數(shù)

分析表4可得，根據(jù)門(mén)機(jī)設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.4，非工作狀態(tài)下的門(mén)機(jī)，地錨是最有效的防止門(mén)機(jī)滑移措施，單項(xiàng)可最高防90 m/s風(fēng)速，其他制動(dòng)器、防爬器、鐵鞋、防風(fēng)拉索4種單項(xiàng)和組合防風(fēng)措施不能防范55 m/s風(fēng)速。因此，MQ25-35門(mén)機(jī)必須配備地錨，并落實(shí)地錨防風(fēng)措施。

6 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)MQ25-35門(mén)機(jī)防風(fēng)裝置的分析，提出了科學(xué)合理的防風(fēng)裝置配置模式，確保了門(mén)機(jī)在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的防風(fēng)安全性。港口企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)門(mén)機(jī)制動(dòng)器、地錨、防爬器、鐵鞋及防風(fēng)拉索等防風(fēng)裝置的維護(hù)保養(yǎng)，保證其性能良好、動(dòng)作可靠；同時(shí)加強(qiáng)員工培訓(xùn)教育，提高員工對(duì)門(mén)機(jī)防風(fēng)能力的認(rèn)知，明確門(mén)機(jī)防風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和防控措施，清楚門(mén)機(jī)防風(fēng)應(yīng)急措施，掌握各類裝置的檢查、維護(hù)和操作要求，進(jìn)一步保障門(mén)機(jī)安全。