MQ25-35门座起重机防风装置功效分析

谢新鹏 刘相超

龙口港集团有限公司

1 引言

门座起重机(以下简称门机)是港口装卸作业的主力设备，由于其外形结构高大、迎风面积较大、风力作用中心高度较高，易受台风、突发性阵风等强对流天气影响，引发起重机械位移滑动、倾翻等灾难性事故，造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡。因此，研究、优化门机防风措施功能及作用机制意义重大[1-2]。鉴于门机型号多、结构复杂、防风装置不统一，以MQ25-35门座起重机为研究对象，研究防风装置的防风能力和防风机制[3-4]。

2 门机防风装置情况简介

起重机结构高、自重大，一旦被风吹动将会产生很大惯性，难以停止，导致连锁机损和人身伤害事故[5-6]。因此门机在设计时，根据风载荷作用实际，配置多种防风装置，主要是为了防止门机整机失稳倾覆和沿轨道滑移。

2.1 MQ25-35门机基本情况

MQ25-35门机为普通四连杆式臂架、圆筒式门架的门座起重机，最大幅度35 m，起升高度轨道上28 m(吊钩)、轨道下16 m，轨距L=10.5 m，迎风面积S=262.9 m2，风合力作用点距离地面高度H=19.8 m，自重G=430 t。

MQ25-35门机拥有制动器、防爬器、防风拉索、地锚(锚板)、防风楔块等防风装置。门机防风一般分两种情况，即工作状态的防风和非工作状态的防风。工作状态下制动器、防爬器、防风楔块发挥作用；非工作状态下，门机移动至指定位置锚定，此时所有防风装置均发挥作用[7-8]。

2.2 制动器

惯性制动器是目前国内门机上应用最广的行走制动器，通过对电动机轴的制动起到对门机行走主动轮的制动作用，在非工作状态下也可实现对主动轮的制动。在使用过程中及时更换制动器摩擦片、调整间隙，就可以取得较好的制动效果。惯性制动器无电气元件，使用安全可靠，安装、维护简便，摩擦材料磨损均匀，结构紧凑，无漏液、漏油。MQ25-35门机共有8套惯性制动器，主要技术参数见表1。

表1 行走机构制动器主要技术参数

2.3 防爬器

MQ25-35门机共有4套防爬器(也称防跑制动器)，位于行走台车之间。一旦行走轮有对轨道的相对运动，行走轮爬上楔面，门机自重力对楔块产生向下的正压力，在该作用力下，防爬器下面的齿板与轨道之间产生较大的水平摩擦力，阻止门机移动。正常情况下，在门机正压力(自重力)和摩擦力的作用下，门机停止移动，超过安全临界点后门机将会滑动。静止状态下，防爬器不起作用。防爬器的效果取决于防爬器设计、使用维护和轨道(沉降)平整度。

2.4 防风铁鞋

港口常用的防风楔块(俗称铁鞋)，由于其构造简单、重量轻、易于维修等优点，广泛应用于港口门机防风，但与防爬器不同的是需要人工手动操作。MQ25-35门机共有8个防风铁鞋，对向塞垫至行走轮下方。防风铁鞋作用原理与防爬器相同，车轮向前滚动时，爬到铁鞋上，与铁鞋成为一体在轨道上滑行，将车轮与轨道的滚动摩擦变为滑动摩擦，因而摩擦力大幅度增加。在门机不移动的情况下，防风铁鞋也不起作用。

2.5 防风拉索

MQ25-35门机共有4根防风拉索。防风拉索是指用钢丝绳(铁链)、花篮螺丝、卸扣等，将门机机体与码头的锚定座链接起来，将门机固定在封车位置，避免在风力作用下门机移动。防风拉索具有直接可靠、效果易于检查和防风能力强等优点，其缺点是必须将门机停到指定位置，加固时间长。

2.6 防风锚定

MQ25-35门机共有2套地锚。防风锚定与防风拉索同样具备直观可靠、效果易于检查和防风能力强等优点，其缺点是必须将门机停放到指定位置，需要准确定位，耗时也较长。同时在锚板与地锚槽之间有间隙，只有当锚板碰到地锚槽，该装置才发生作用，若门机防风拉索拉紧，门机无法移动的情况下，该装置不起作用。

3 门机抗倾覆能力计算与分析

根据规定，港口起重机非工作状态下的抗风能力应不小于55 m/s，工作状态下的抗风能力应不小于35 m/s。[9]

假设门机完全处于静止状态，无任何防风装置起作用。当风速为55 m/s，风向完全垂直轨道，则风压为：

Q=0.613V2=1 854.325 Pa

(1)

式中，Q为风压，Pa；V为风速，m/s；则门机受到最大的倾覆力为：

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

(2)

式中，F为门机受到最大的倾覆力，kN；Q为风压，Pa；S为门机迎风面面积，m2。

门机受到的倾覆力矩为：

T倾覆=FH=584.9×19.8=11 583.04 kNm

(3)

式中，T倾覆为门机受到的倾覆力矩，kNm；H为门机高度，m。

稳定力矩为：

T稳定=Mg(L/2-X)=18 752.3 kNm

(4)

式中，T稳定为稳定力矩，kNm；M为门机的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；L为门机宽度，m；X为门机垂直于轨道方向时的重心偏移量，m。

门机转向、幅度不同，X取值不同。式中X为门机最不利时的重心偏移量，一般情况下变幅最大时X为0，考虑合理范围内门机幅度最小时X取值为0.8 m。

安全系数为：

σ=T稳定/T倾覆=18 752.3/11 583.04=1.619 (5)

从上述计算可知，在静态(且风力完全垂直于轨道方向)情况下，即使受到55 m/s的强风，门机也不会倾覆。但分析国内外门机倾覆事故，绝大部分事故是门机在风力作用下或人为原因发生移动，巨大的滑移惯性冲击造成的。因此，门机防风的重点应是防止风力吹动门机沿轨道滑动，尤其考虑门机在装卸作业过程中遭遇强阵风侵袭的防范。

4 门机抗水平滑移力的计算与分析

4.1 制动器防风能力F1

依据表1行走机构制动器主要技术参数，可以计算出1个制动器工作时，制动车轮所受到的最大制动力，即1个制动器能提供的防风能力F0：

F0=2TI/D

(6)

式中，F0为制动器能提供的防风能力，kN；T为制动器的制动力矩，kNm；I为行走机构的总传动比；D为行走轮直径，m。

经计算1个制动器能提供的的防风能力为：

F0=2×458×60.97/0.55=100 kN

(7)

每个制动器控制2个行走轮，若制动器工作时，行走轮恰好滚动，每车轮最小的轮压应为：

F轮压=F0/(2μ)

(8)

式中，F轮压为车轮轮压，kN；μ为制动轮和轨道之间的摩擦系数，参照《起重机设计规范》(GB/T3811-2008)，取0.14。[10]

计算可得：

F轮压=100/(2×0.14)=357 kN

(9)

当制动车轮的轮压小于357 kN时，制动力矩足够大，车轮发生滑动而非滚动。该门机共32个行走轮(其中16个主动轮，16个从动轮)，可以计算出每个车轮轮压为134 kN，远小于使车轮滚动的最小轮压，主动轮与轨道之间是滑动摩擦。因此，制动器对应车轮的最大静摩擦力即为该制动器的防风能力F1：

(10)

式中，F1为制动器防风能力，kN；N1为制动轮(主动轮)数量；N为全部行走轮数量。

计算可得：

F1=16/32×430×0.14=30.1 t=301 kN

(11)

4.2 防爬器防风能力F2

防爬器能提供的最大静摩擦力，即防风能力F2：

(12)

式中，F2为防爬器防风能力，kN；N2为门机移动方向上，爬上楔面的行走轮数量；N为全部行走轮数量；μ1为制动轮和轨道之间的摩擦系数，取0.25。

F2=2/32×430×0.25=6.7 t=67 kN

(13)

该计算的前提条件为门机在风力的作用下，行走轮爬上了楔面重心抬高。而实际上，行走轮爬上楔面或对楔面产生正压力，需要移动一短距离，一般在5～10 mm；且由于风向、风力的复杂多变性，再考虑风的上拔力，实际数值应比该数小。[11]

4.3 防风铁鞋防风能力F3

铁鞋塞至门机行走台车主动轮下方时，根据制动器F1计算，主动轮与轨道是滑动而非滚动，门机主动轮无法爬上铁鞋楔面，防风铁鞋不能发挥防风功能，该铁鞋防风阻力基本为零。

铁鞋塞至门机行走台车从动轮下方时，受风载荷影响，门机沿轨道移动，从动轮滚动爬上铁鞋楔面，将从动轮的滚动摩擦变成滑动摩擦,增加起重机自身的摩擦阻力。铁鞋使用时，应规范塞至门机行走台车从动轮下方，防爬器也应设置对从动轮作用。[12]

MQ25-35门机共配备8个防风铁鞋，对向塞垫至从动轮下方。当门机滑移时，门机移动方向上4个铁鞋发挥防风功能。防风铁鞋的防风能力即受到的最大静摩擦力，取防风铁鞋与轨道之间的摩擦系数为0.1计算得：

F3=4/32×430×0.1=5.375 t=53.75 kN

(14)

4.4 地锚防风能力F4

地锚的抗风能力即为锚板的水平组合力，MQ25-35门机有2处防风锚定，共4块锚板，锚板的水平组合力F4为：

F4=4S锚板F剪切应力=4×30×180×128

=2 764 kN

(15)

式中，S锚板为锚板截面积，m2；F剪切应力为锚板剪切应力，kN；该锚定不考虑门机受到的上拔力[13]。

4.5 防风拉索防风能力F5

防风拉索一般设置为与垂直方向有一定的夹角，既能限制门机水平滑移，又能防止上拔力倾覆门机。MQ25-35设计的防风拉索受力图见图1。

图1 MQ25-35门机防风拉索受力图

图1中L为防风拉索长度，α、β分别为拉风拉索与水平面和轨道方向的夹角，H为防风拉索门机固定点高度,防风拉索的抗风水平分力见表2。

表2 防风拉索的抗风水平分力

5 风速、风力与门机防风装置功效

下面就不同风速、风力条件下，各种防风装置的功效进行分析。

5.1 工作状态下防风措施安全系数及分析

根据交通部规定，港口起重机工作状态下的抗风能力应大于或等于35 m/s，对门机制动器、防爬器、铁鞋3项防风措施进行单项和组合安全系数计算(见表3)。根据门机设计安全系数1.4，该门机任一单项均不符合防风安全要求，应采取“制动器+防爬器”、“制动器+铁鞋”或“制动器+防爬器+铁鞋”的组合防风安全措施。

表3 工作状态下防风措施安全系数

考虑防风措施落实便捷程度及效能，工作状态下门机优先采取“制动器+防爬器”方案，在条件许可的情况下，再塞垫铁鞋。作业状态门机遭遇强阵风，当阵风不高于35 m/s时，依靠组合防风措施能够有效应对；当阵风高于35 m/s(12级)时，应采取就地封车、包桩系缆等方式应对，不得采取移动门机封车的方式。

工作状态门机防风措施中，制动器至少提供71.3%防风阻力，是防止门机沿轨道滑移安全的关键装置。但门机实际工作时，货物载荷的冲击会使门机产生晃动，长期作业将造成门机制动效果下降，因此，定期检查维护调整行走制动器，保持制动器状态良好非常重要。

5.2 非作业状态下防风措施安全系数及分析

非作业状态门机，驶回锚定位，一般采取制动器、防爬器、铁鞋、防风拉索、地锚等5种措施进行防护，其单项和组合安全系数计算见表4。

表4 非工作状态下防风措施安全系数

分析表4可得，根据门机设计安全系数1.4，非工作状态下的门机，地锚是最有效的防止门机滑移措施，单项可最高防90 m/s风速，其他制动器、防爬器、铁鞋、防风拉索4种单项和组合防风措施不能防范55 m/s风速。因此，MQ25-35门机必须配备地锚，并落实地锚防风措施。

6 结语

基于对MQ25-35门机防风装置的分析，提出了科学合理的防风装置配置模式，确保了门机在工作状态和非工作状态下的防风安全性。港口企业应加强对门机制动器、地锚、防爬器、铁鞋及防风拉索等防风装置的维护保养，保证其性能良好、动作可靠；同时加强员工培训教育，提高员工对门机防风能力的认知，明确门机防风的风险点和防控措施，清楚门机防风应急措施，掌握各类装置的检查、维护和操作要求，进一步保障门机安全。