铁路货场门式起重机防风装置的计算与选择

林梅 上海铁路局货运处

铁路货场门式起重机防风装置的计算与选择

林梅 上海铁路局货运处

分析铁路货场门式起重机在风力作用下发生事故的状况及其原因，并通过不同工况和不同风力作用下，门式起重机受力情况的分析计算，给出选取防风装置的方法和实践证明有效的防风装置。

铁路货场；门式起重机；防风装置；计算改进

铁路货场门式起重机（以下简称起重机）是装卸笨重货物和集装箱的主要机械。其作业和停放处于露天状态，迎风面积大，承受较大的风载荷，对防风装置及技术要求较高。尽管使用单位对起重机的防风措施不断加强，近年来，起重机被大风吹动引起脱轨或倾覆的事故仍时有发生，影响了铁路货场的安全生产，造成巨大的经济损失。因此研究和进一步改进起重机防风装置有着重要的意义。

1 起重机风灾事故发生的状况分析

起重机在风力作用下发生事故的情况通常是：起重机在工作中突遇大风，水平方向的风力大于起重机与轨道的静摩擦阻力时，起重机被风吹着沿轨道快速滑移，动能不断增大，直至撞上轨道尽头端档，撞坏端档脱轨，或使起重机迅速减速，产生很大的水平惯性力，该力与水平方向的风力共同作用，使得另一侧支腿被抬起，起重机重心转到大车轮距以外，整机倾覆。

起重机在设计时，充分考虑了风载荷的作用，因此起重机本身结构不会被风吹垮。从事故状况可以看出，起重机的防风主要是防其在任何情况下不被风吹动，具有足够的防风抗滑安全性。因为起重机质量大，一旦被风吹动将有很大的动能，难以制止，从而导致事故。同时要有有效的抗倾覆措施保证起重机意外被风吹动后能减速停止。因此选择有效、合适的防风装置，是防止起重机发生风灾事故的重要手段。

2 防风装置的计算与选择

起重机在工作状态和非工作状态下防风装置的选取有所不同，通常工作状态下用紧急制动装置来防风抗滑，非工作状态下用预防防风装置来固定起重机。下面就这两种情况分别对防水平滑移和防失稳倾覆来进行探讨。

2.1 工作状态阵风作用下的防滑计算

目前大多数铁路货场门式起重机大车走行机构没有采用全驱动形式，通常只在驱动机构高速轴端设二级防风制动器实施紧急防风。

工作中突遇大风时，司机控制大车驱动机构断电，二级防风制动器动作，在车轮处产生足够制动力矩阻止驱动轮滚动，驱动轮与钢轨间产生静摩擦阻力。当风力大于驱动轮与钢轨间的静摩擦阻力时，驱动轮相对与轨面呈滑移状态，从动车轮相对轨面呈滚动状态。此时应通过实时增加起重机水平方向的摩擦阻力来抵御风力使起重机不被吹移。增加起重机水平方向摩擦阻力有两种途径：一是将从动轮的滚动摩擦变成滑动摩擦，利用起重机自重增加摩擦阻力；二是通过加装另外的装置来增加额外的摩擦阻力。

2.1.1 利用起重机自重增加摩擦阻力

目前常用在从动轮处设置活络铁鞋阻止从动轮滚动的方法，因为需要手动放置，车轮滚动后难以实施，存在安全隐患，故效果不佳。而在从动轮上加装可以集中控制的轮边制动器、夹轮器等紧急防风装置是不错的选择。不同型号规格的起重机，所需制动的从动轮个数可以不同。

以起重机工作状态的风力沿着走行方向作用、有不利于防滑的最大坡度和最小的运行阻力的工况，计算在阵风作用下确保工作中的起重机紧急制动后不被风吹移所需的摩擦阻力，其验算工公式为：

式中：n1-驱动轮个数；

n2-未装制动装置的从动轮个数；

n3-装制动器装置的从动轮个数；

P轮-车轮轮压（N）；

f滑-车轮与钢轨的滑动摩擦系数；

f滚-车轮与钢轨的滚动摩擦系数；

F风-工作状态下（沿大车运行方向）的最大风力（N）；

其中：C-风力系数；

Kh-风压高度变化系数；

β-风振系数（对常用起重机β=1.0）；

A-垂直于方向的迎风面积（m2）；

q-计算风压（N/m2）

PP-坡度引起的滑行力（N）；

PP=Ggy，其中：G-起重机自重（N）；y-起重机轨道坡度（‰）；W-起重机运行摩擦阻力（N）；

W=Gω，其中：ω-运行摩擦阻力系数，对滑动轴承车轮，取ω=0.015；对滚动轴承车轮，取ω=0.006。

通过验算合理确定需要制动的从动轮个数n3。

2.1.2 增加额外摩擦力

如果起重机自身摩擦阻力不足以克服风作用力，也可以通过独立于车轮以外的装置来增加额外的摩擦力，如可以集中控制紧急实施的液压夹轨器或液压顶轨器。

根据以下计算公式计算所需增加的额外摩擦力来选择液压式夹轨器或液压式顶轨器的额定静摩擦阻力：

式中∶n1-驱动轮个数；n2-从动轮个数；F-所需增加的额外摩擦力（N）。

2.2 非工作状态下的防风计算

起重机在非工作状态下受台风袭击一般是预知情况，可以采取防范措施。锚定装置是非工作状态下防止起重机沿水平滑移的有效的必备防风装置。起重机在非工作状态下，应实施锚定预防防风装置，同时紧急防风制动装置应处于实施状态，确保起重机足够的摩擦阻力。此时起重机在水平方向主要受3个力的作用，风作用力、摩擦阻力、锚定装置的水平阻力。

锚定装置的水平力为：F水=F风-F摩；F摩为起重机所受的总摩擦力。

起重机相关安全规程规定，起重机有锚定装置时，锚定装置应能独立承受起重机非工作状态下的风载荷。设计选择锚定装置时，不考虑紧急防风装置的防风抗滑作用。锚定装置的安全性的验算式为：F水=F风

2.3 防止起重机整机倾覆

起重机在设计时已对其正常工作状态和非工作状态下的倾覆稳定性都进行了计算校验。起重机抗倾覆稳定性的力矩表达通式为：

式中：MG、MP、Mi、Mf-分别为起重机自重、起升载荷、水平惯性力和风力对倾覆线的力矩；

KG、KP、Ki、Kf-分别为上述四类载荷的载荷系数。

前述事故分析看出，防止起重机整机倾覆主要考虑起重机在工作中，突遇大风，防滑失效时的恶劣工况。工作中突遇大风，防滑失效的起重机被风吹动在轨道上移动，积聚动能，撞上端档，产生的水平惯性力加上风力作用足以使∑M≤0时，起重机失稳倾覆。此时应通过减小水平惯性力距Mi和增加反倾覆力矩使得∑M≥0，来避免起重机倾覆事故的发生。

通常起重机缓冲器及大车走行轨道尽头端档的设计是为了缓解正常作业中起重机行程限位失效等情况下与轨道端档之间发生的碰撞，减小起重机的水平惯性力预防脱轨，但并不能适应风力作用下失控的起重机与轨道端档之间的高速碰撞。

沈阳中铁安平制动技术开发有限公司的专利产品防翻缓冲地锚是一种有效的防倾覆装置（如图1所示）：

图1 防翻缓冲地锚结构示意图及组成

防翻缓冲地锚的地锚装置设在走行线端头，与轨道和走行基础连成一体，缓冲装置安装在起重机走行梁上，与起重机连成一体。起重机被风吹动在轨道上移动至轨道端头时，地锚装置的地锚套自动套住缓冲器上的闯杆，地锚套强制推动闯杆上的闯板，弹簧缓冲器和滑道缓冲器先后两次增力缓冲，吸收起重机大部分动能，有效降低起重机的水平惯性力。同时，由于缓冲时地锚的位置位于走行梁后半部，缓冲器闯杆自动钩住地锚不放而产生反倾覆力矩，使其安全停住而不翻倒，有效地防止了倾覆事故的发生。

3 结束语

通过起重机风灾事故分析及起重机受风力作用不同工况下的受力分析计算表明，防止起重机风灾事故的发生，主要依靠安装有效的防风装置来从以下两个方面来保证：一是增加起重机的摩擦阻力，以抵消风力的影响，防止起重机在任何情况下被风吹动；二是减少起重机的水平惯性力矩和增加反倾覆力矩，避免在风力作用下防滑失效被风吹动的起重机脱轨、倾覆事故的发生。根据经验判断和实例证明，以上选择防风装置的方法在实际工作中是可行的。针对不同型号规格的起重机，根据不同的工况条件下的分析计算，选取合适的防风装置，不断改进防风装置的防风性能，可以有效地防止起重机风灾事故的发生。

[1]张质文,虞谦和,王金诺等.起重机设计手册.中国铁道出版社.2001.

[2]起重机械安全规程.GB6067-2010.

[3]铁路货场桥式、门式起重机防风制动装置技术条件.TB1428-90.

责任编辑：王华 于建明
来稿日期：2014-01-23