岸边集装箱起重机防风系固装置松弛设计

孙亚平 曾 鹏 罗振国 王宝海

上海振华重工(集团)股份有限公司 上海 200125

0 引言

防风系固是岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）的重要安全装置，其在暴风时，起限制起重机轮子抬起和防倾覆的作用。随着国际集装箱船舶大型化，岸桥的参数越来越大，抗暴风要求也越来越高，故对码头的系固承载能力要求也越来越高。对于新码头，在建造时需投入更大的成本；对于老码头，系固承载能力的限制制约了设备的升级换代。因此，更加科学、准确地对防风系固装置进行设计计算，变得越来越迫切。

本文运用结构有限元FEA，计算分析轮压、系固和松弛的关系，指出了传统认识的不足，进而介绍了松弛设计原理，证明其能显著降低系固力。在此基础上，运用反力互等、局部刚度、自重挠度关系，从轮压出发，给出了一种实用的简化计算方法。

1 存在的问题

传统上认为系固装置必须是收紧的才能起到系固作用，实际上存在误区。例如某岸桥大梁80°抗暴风，载荷组合为DL+TL+LS+1.2WLS，其中DL为固定质量，TL为小车质量，LS为吊具质量，WLS为暴风载荷。各风向如图1所示，风向W4为陆侧角度风，W5为海侧角度风，W1为大车方向平行风。A、B、C、D表示4条门腿位置，以腿压表示位置大车行走机构所有轮压之和。文中倾覆力矩满足W1＞W5=W4。

图1 风向、位置示意

如图2所示，定义杠杆比

图2 大车系固位置图

式中：L1为大车基距，L1=15.7 m；L2为系固离另一侧大车距离，L2=17.99 m。通常系固装置位于桥吊大车行走机构外侧，即L2＞L1。

以下采用FEA来进行防风系固的研究，计算时遵循：

1）车轮只能受压（正值），系固只能受拉（负值）。

2）自重时，系固收紧，且刚好不受力。具体FEA计算中采用link单元，通过设置单元预应变来进行控制。轮压、系固力结果如表1。

表1 FEA腿压、系固力 t

因为系固装置仅在出现负轮压时才需要，由表1可见，W5、W4、W1时均有显著的正轮压，这与防风系固的设计原则有所矛盾，进一步从受力上看，系固与轮压是一对内力，它们互为反作用，且正轮压对系固载荷起了增大作用。可见，系固收紧会导致轮压和系固载荷同时增大，适当松弛反而可以释放正轮压和系固载荷。

2 松弛设计原理

系固通常位于大车外侧且靠近立柱，如图3所示。自重条件下的垂直变形如图3a。当系固收紧且有侧向风载荷时，由于起重机钢结构不是完全刚性的，防风系固优先、直接承受上拔力。而下部结构的下横梁、大车行走结构重量此时无法参与受力。可以设想，将B处系固适当松弛，B处会逐渐产生抬腿；直至B处轮压为0(即消除正轮压)，如图3b所示。此时，下横梁和大车质量起到了抵消上拔力的作用，从而降低了系固载荷。

随着松弛增加，直至C处也开始抬腿，如图3c所示。此时，由于C处的轮压也参与抵消了上拔力，从而进一步降低了B处的系固载荷。

图3 抬腿示意图

因此，引入系固松弛与大车抬腿的理念，合理设计系固松弛量并允许门腿适量抬起，可以充分依靠正轮压来克服上拔力，从而达到降低系固载荷的目的。

系固松弛定义为当自重作用时系固刚好收紧，以此为初始状态，当此基础上的松弛即松弛量。采用结构有限元计算FEA时，考虑仅海侧或海陆侧都有防风系固2种情况。通常情况下，海侧角度风时有最大系固载荷，故以下按W5、W4、W1顺序做计算研究。

3 计算研究

3.1 仅海侧有系固时

从海侧角度风(表2中序号1)出发，增加系固松弛量使得海侧抬腿直至B处轮压刚好为0(表2中序号2)，此时陆侧C还有正轮压，继续增大B处系固松弛并直至C处轮压为0(表2中序号3)，此时能得到海侧最小系固载荷。在W4，W5风向时的系固载荷如表2中序号4、5。表中抬腿是指大车处抬起。

由表2可知：1）海侧角度风时系固适当松弛，系固力从601.1 t低至374.0 t，下降了37.8%。这是由于大车刚度较大，系固松弛后，系固载荷下降较快。2）当松弛至陆侧轮压为0时，从374.0 t进一步降到252.6 t，为单侧抬腿时的67.5%。此时由于抬2条腿，系固载荷最小，即为252.6 t。此时系固载荷仅与风载倾覆力矩有关。W4与W5的系固力相等，是因为风载倾覆力矩相等。

表2 仅海侧有系固时的腿压、系固力、松弛、抬腿结果

3.2 海、陆侧均有系固时

同单侧系固时类似，计算结果如表3。由序号3，4可知，只要B、C抬腿时，对应海、陆侧系固力之和相同，也就是只与倾覆力矩有关。

由表3可知：1）当设海、陆侧系固时，海侧角度风时系固适当松弛，最大系固力从581.5 t低至374.3 t，下降了35.6%。同样是因为大车刚度较大，所以系固松弛后，系固载荷下降较快。2）调节海、陆侧松弛量，可调节海、陆侧系固力，对于海陆侧系固许用值不同的码头，这一可调特性，给系固设计带来了一定的灵活性，特殊情况下能使两侧相等。另外，系固还起到了调节腿压的作用。

表3 海、陆侧均有系固时的腿压、系固力、松弛、抬腿结果

4 简化算法

4.1 轮压关系

本文岸桥大梁80°时自重轮压、暴风FEA轮压结果如表4所示。

表4 FEA腿压

4.2 刚度关系

结构刚度定义为对于整机结构，当大车A、C、D位置约束，在B处大车轨道面作用垂直载荷F时，产生垂直变形ΔL，结构刚度为

根据反力互等，A、C位置大车产生的支反力-F，D处大车反力F；B处系固的垂直变形近似为ΔL/n。式中：n是文前定义的杠杆比。

根据有限元结果，仅自重时，B、C系固位置下挠ΔB=6.5 mm，ΔC=10.2 mm，如图3a所示。当轮压从有轮压减为0时，系固位置的自重变形近似为0。

4.3 简化算法

B、C处总轮压：自重时设为B0、C0；W5风向时设为B1、C1；W4风向时设为B2、C2。

B、C处系固位置：系固力为FB、FC，自重时下挠ΔB、ΔC。

1)海测系固

根据W5的轮压，为使海侧系固力最小，即充分利用C处正轮压，得系固力

设B、C处松弛为SB、SC，得

与表3中序号3的松弛44.9 mm相比仅小2.7%。与表3中序号3的B腿系固力完全一致。

2)陆侧系固

根据W4的轮压，为使陆侧系固力最小，应使C负轮压减为0，得松弛刚好应设为原重力挠度，即

根据W4轮压得陆侧系固力

对比表3中序号4的C腿系固力214.6 t，仅大2.8%。

综上可见，简化算法与FEA结果差异小于3%，具有很好的精度。

4.4 调整

通过调整松弛量使得海、陆侧系固载荷可以一定范围内调节。如海陆侧系固时，为了使不同风向时，海、陆侧最大系固载荷相等，可增加某处松弛量，降低该处最大系固载荷，且只能采用增加此处松弛量的办法。具体方法为：将该处松弛增加X，则此处系固在最大载荷基础上减少为n·X·k，另一侧的系固最大载荷增加为n·X·k。

5 松弛设计

防风系固一般采用螺杆设计以便于码头操作，如图4a所示。为了实现松弛量的调节，在操作时，可先收紧再反转操作手柄。可根据螺距-松弛量的关系，控制反转角度或圈数。为了便于检查松弛量，可在系固联板设一定长度的长腰孔，如图4b所示，反转螺杆使得销轴顶住长腰孔下极限点。

图4 系固设计

抬腿量的值近视为n·(Δ-S)。抬腿量多少为合适，可视情况定。一方面抬腿降低锚定插入深度，要视码头锚定坑的深度是否足够，否则影响传递大车轨道方向水平力。而轮缘是否能脱离轨道，此时要视结构强度是否足够，必要时可以考虑加高大车轮缘。

6 结论

系固操作时理论上不应收紧。系固收紧是传统认识的误区，因为收紧导致了系固载荷的额外增加对起重机安全不利。其载荷与结构刚度和松弛程度有关，调节松弛量可以调节系固载荷分布，并可以降低最大系固力。

本文的简化算方法建立了系固载荷与结构刚度、几何尺寸、轮压、松弛量的定量关系，且具有满意的精度，适合工程应用。

另外，研究发现大车摩擦力的作用有利于降低最大系固力，抗倾覆装置则能显著降低最大系固力。考虑到它们受垫块间隙，摩擦系数的影响较大，且计算分析复杂，一般情况下不作考虑，可视作安全储备。