一种门座起重机防阵风能力计算方法研究

赵志超

（招商局港口控股有限公司，广东 深圳 518000）

装卸机械的大型化使得机械的重心提高，迎风面积增大，遭受台风或突发性阵风袭击的可能性也随之增加。其中，突发性阵风由于发生的时间、地点及持续时间均具有较强的不确定性，因此，港口单位很难及时根据阵风的变化情况实施相应的防风措施，一旦港口岸边作业设备在动态作业过程中遭遇阵风，相关设备可能因阵风吹袭而造成滑移或倾覆，破坏力极大。

深圳海星港岸边装卸设备为门座起重机（以下简称“门机”），近年来，伴随着全球气候的变化，海星港也频繁遭受突发阵风的袭击，对企业生产造成了较大影响。基于此，海星港配合上级单位招商局港口控股有限公司在码头内引入了《招商国际天气预警系统》（以下简称位“系统”），该系统为码头提供所在小范围区域的阵风等级、降雨、雷电等定制的天气预警信息，以便于码头及时启动防风预案，减小或消除突发阵风可能对码头产生的冲击。依托该系统，海星港参照行业分级防范的做法，制定了两级防阵风措施，分别为：①一级防风措施。当码头收到某一级阵风预警时，现场作业人员指挥司机就地停止门机大车行走，大车惯性制动器自动转为制动状态，待人工塞好防风铁楔后，门机继续定点作业。②二级防风措施。当码头收到某一级阵风预警时，码头启动防风锚定。该级措施启动后，门机需要即刻停止作业，行走到对应的锚定坑并下锚，根据海星港的实际情况，单台设备完成该防风措施预计需要45～60 min。

通过实施分级防风措施虽然可以提升设备防风能力，但是只有选择合适的预警风力等级，才可以实现防风措施的精确应用，不仅可保障设备安全，而且可以减小部署防风措施对生产作业的影响。本文以海星港现有门机为分析对象，对港口门机防风等级的确定方法进行了研究，并参照该方法制定了适合海星港需求的防阵风措施。

1 门机防风等级确定方法

门机防风等级确定的总体思路为：根据门机的防风工况，在部分或全部大车惯性制动器有效的情况下，计算或测算门机滑移前的最大阻力，即门机的抗滑移能力，然后根据门机最大迎风面积、风压和风速之前的关系，确定出门机的防风等级。

1.1 门机抗滑移能力计算

1.1.1 门机抗滑移措施概述

以海星港编号为MQ2的单臂架门机为例，其型号为MQ4030/4525，最大起升重量45 t，自重315 t，整机总车轮32个，驱动轮16个。其大车行走机构分为4组，每组配置2个驱动电机、4个主动轮及4个从动轮。

为了防止阵风吹动门机设备产生滑移，每组大车机构均配置了2个惯性制动器及2个相向塞垫的手动铁楔，其抗滑移能力通过以下方式获取：①门机大车惯性制动器制动主动轮，由主动轮产生滑动摩擦阻力，以阻止门机滑移；②铁楔塞垫从动轮，促使被塞垫的从动轮由滚动运行转为滑动运行，从而由从动轮产生滑动摩擦阻力，以阻止门机滑移；③从动轮滚动运行产生的滚动摩擦阻力，以阻止门机滑移。

1.1.2 门机抗滑移能力计算

1.1.2.1 单个主动轮的抗滑移能力Fq

Fq为单个主动车轮上制动力与滑动摩擦力相比的较小值，其中制动力F1为25 137 N，滑动摩擦力F2为13 505.625 N，因此，Fq=13 505.625 N。

1.1.2.2 塞垫铁楔后单个从动轮的抗滑移能力Fch

沿着轨道方向吹风时，逆风向铁楔会楔死对应从动轮，该从动车轮将产生滑动摩擦阻力F2，即抗滑移能力Fch=F2=13 505.625 N。

1.1.2.3 从动轮的抗滑移能力Fcg

未塞垫铁楔的从动轮的抗滑移能力即为从动轮的滚动摩擦力，为578.812 5 N。

1.1.3 各种工况下门机整机抗滑移能力

1.1.3.1 全部制动器有效时的整机抗滑移能力Fha

式（1）中：N1为驱动轮数，16个；Nch为逆风向塞垫铁楔的从动轮数，4个；Ncg为滚动的从动轮数，12个。

经计算可得Fha=277 058.25 N。

1.1.3.2 部分制动器有效时的整机抗滑移能力Fhb

式（2）中：N1为驱动轮数，16个；¢为制动器有效系数，此处取0.75，即整机有6个制动器有效，2个失效；Nch为逆风向塞垫铁楔的从动轮数，4个；Ncg为滚动的从动轮数，12个；N2=N1*（1－¢）为制动器失效的驱动轮数，每个制动器制动2个驱动轮。

经计算可得：Fhb=225 351.00 N。

1.1.3.3 通过施加外力测试整机抗滑移能力Fhc

虽然本文所述的门机配备了8个大车惯性制动器，但是其在实际使用过程中的稳定性、可靠性以及实际防风效果都需要进行定期的测试验证。目前，海星港每个月会针对门机开展抗滑移能力测算，具体做法为：选择两台叉车作为外部动力源模拟阵风产生的推力施加在门机上，在取掉防风铁楔的情况下，以叉车出现轮胎打滑且无法推动门机为判断抗滑移能力达到临界值的依据，以此计算叉车施加在门机上的推力及从动轮塞垫铁楔后的整机抗滑移能力，经计算，叉车施加在门机的推力Fty为176 kN。另外，塞垫铁楔后，从动轮的滚动摩擦力变为滑动摩擦力。此种情况下，整机的抗滑移能力Fhc为：

代入数据计算可得Fhc=227 707.25 N。

1.2 确定门机防风等级

利用门机的抗滑移能力来代替门机的最大风载荷，根据门机最大迎风面积、风压和瞬时风速之前的关系，推算出门机的防风等级。

风速与门机抗滑移能力的关系为：

式（4）中：Fh为门机的抗滑移能力，代替风载荷；C为风力系数，1.2；Kh为风压高度变化系数，1.25；A为沿轨道方面迎风面积，180.33 m2。

将以上计算出的各种情况下的门机抗滑移能力代入式（4），计算可得不同情况下的可抵抗的瞬时风速，再根据起重机设计规范GBT 3811—2008[1]中的《风速及风力等级对应关系表》，可查出门机各情况下的可抗风力等级，如表1所示。

根据表1数据可知，本文分析的海星港门机在大车惯性制动器全部或部分有效且从动轮已塞垫铁楔的情况下，最高可抵抗10级阵风的吹袭。

表1 不同情况下可抗风力等级对应表

基于以上分析，海星港门机防风等级确定如下：①由于第一级防风措施可以在作业过程中进行，并且措施实施后允许门机设备定点作业，因此，其预警风力等级可以较低，具体可以视码头的实际情况而定，海星港选定启动第一级防风措施的预警风力等级为7级，系统会在阵风等级达到7级前30 min发出预警，以供现场作业人员布置相应防风措施；②第二级防风措施的预警风力等级为10级，由于海星港单台设备完成该防风措施预计需要45～60 min，因此，在系统中设置在阵风等级达到10级前发出预警，以供现场作业人员跑动大车至相应的锚定坑实施锚定作业。

2 结论

本文从精确计算的角度出发，分析并计算了门机设备大车机构所配备的各防风部件的抗滑移能力，并在计算得出的门机在各种情况下的防滑移能力的基础上，利用门机的抗滑移能力来代替门机的最大风载荷，推算出门机的防风等级。通过近年在海星港的实践经验来看，本文所述的门机防风等级确定方法切实可行。但是，由于不同集装箱码头之间的设备及设施配置会存在差异，且门机设备的防风能力与防风部件的保养状态有着密切的关系，因此，本文所述的方法需设备管理人员结合码头实际情况进行调整，以确保制订的防阵风措施精准有效。