防溜铁鞋在船厂大型起重机械抗风防滑中的应用研究

朱靖 张伟 刘海云 陈佳丽 吕叶萍

(1．中船第九设计研究院工程有限公司,上海 200090;2．广船国际有限公司,广东 广州 511462)

船厂大多建设于沿海、沿江地区,常年受台风和强对流天气影响,大型起重机械的抗风防滑措施一直受到重视和关注。可靠的抗风防滑措施应满足大型起重机械在空载、满载和应急情况等各种状态下,都能符合抗风防滑要求[1-2]。随着气象预报对于台风的预测准确性越来越高,船厂可以提前做好防台准备工作,提前将大型起重机械驶入锚地进行锚定和锚固,因台风造成的损伤会相对较小。

近年来,极端气候形成的强对流天气多发,因其突发性较强导致预报和预警时间窗口极短甚至滞后,使得船厂大型起重机械无法及时回到锚地,导致大型起重设备发生滑行失控,严重时甚至会造成起重设备发生倾覆,导致灾害事故时有发生,给人民生命财产安全造成了巨大损失,也给各大船厂的安全防范工作带来了极大挑战[3]。众多研究者在起重机械防风防滑措施上提出了诸如改变起重机械结构固有特性的防风策略、改变从动台车的数量以及开展新型防风装置的研究,提供了更多的抗风防滑措施的选择空间。如何在突发恶劣天气时对在用的大型起重机械迅速做出抗风防滑措施,避免起重机械发生滑行状况是我们更应该注重的方面。

根据安全可靠性、经济适用性、成熟灵活性的选用原则,防溜铁鞋作为一种技术手段成熟的铁楔类防风装置,作为抗风防滑应急处置措施更为合适[4]。因此,本文通过事故案例和计算分析,研究强对流天气来临时,正确使用防溜铁鞋进行大型起重机械抗风防滑应急处置的方法。

1 强对流天气造成的事故分析

1.1 某船厂900 t造船门式起重机被大风吹偏斜

2011年8月2日18时左右,江苏沿江地区某船厂船坞区一台900 t造船门式起重机因受大风影响,发生刚性腿运行机构散架坍塌并脱轨,刚性腿、柔性铰发生结构变形,维修吊车整体坠落并且整机倾斜的事故,所幸未造成人员伤亡。根据事故发生后现场勘测和检查,刚、柔性腿两侧行走机构中心发生错位,相对于柔性腿行走机构中心,刚性腿行走机构中心向江侧偏移了约13 m,如图1所示。通过现场视频和当地气象局实测的气象数据,得出事故当时的最大风力达到了11级(38 m/s),并且未提前预警预报。

图1 某船厂900 t造船门式起重机被大风吹偏斜的事故Figure 1 A 900 t shipbuilding gantry crane in a shipyard was deflected by a strong wind

1.2 某船厂600 t造船门式起重机被大风吹倒

2021年4月30日晚,江苏沿江地区某船厂船坞区一台600 t造船门式起重机受大风侵袭突然倒塌并坠入江中,如图2所示。当地气象台实况统计显示,受强对流天气影响,风速超过36 m/s,当晚该地区最大风力11级以上。

图2 某船厂600 t造船门式起重机被大风吹倒事故Figure 2 A 600t shipbuilding gantry crane of a shipyard was blown down by a strong wind

1.3 某船厂600 t造船门式起重机被大风吹偏斜

2022年7月12日,上海地区某船厂船坞区一台600 t造船门式起重机在吊运分段对接时突遇大风造成刚柔腿偏斜约6 m,部分行走机构车轮损坏。因现场处置到位抢救及时,未酿成严重后果。经事故后读取机载风速仪记录,事发时最大风速超过34 m/s,约10级风。

1.4 事故处置情况分析

以上三次事故的共性特点是强对流天气造成的意外事故,因强对流天气难以提前预测和预警,导致这三起事故发生时,起重机都处于工作状态,并且所处位置远离锚地,无法及时回到锚地驻扎,有的起重机甚至连吊载都未来得及放下。根据事后调查,事故1发生时,司机通知巡道工去部署铁鞋,当柔腿侧安放一半铁鞋,起重机已被风吹动并跑偏;事故2发生时,由于来不及处置,起重机被风吹动后冲向江侧终点,直至翻入江中;事故3发生时,现场人员及时反应,将铁鞋和链条包及时往车轮下塞,最后关头停住了起重机。

所以根据以上分析可以得知,当遇到突如其来的大风时造船门式起重机易发生沿轨道方向的滑行,船厂通常采用的是物理阻挡的方式,即通过安放防溜铁鞋等措施来防止起重机被风吹动后失控滑行。

2 常用的抗风防滑方式分析

2.1 船厂起重机的抗风防滑措施

起重机的抗风防滑措施有很多种,对于船厂的大型起重机械,尤其是造船门式起重机[5],根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[6]和《起重机设计手册》[7]的要求,主要实现方式如表1所示。

表1 起重机抗风防滑装置Table 1 Wind-resistant and anti-skid device for the gantry crane

由表1可知:当起重机在工作状态的时候,主要是靠主动车轮刹车和夹轨器来防止风载荷引起的水平移动,但此两种措施所能抵抗的风压有限,在风级≤10级的时候,具备整体防风抗滑能力,当风力大于11级时,此两种措施存在抗风防滑的局限性。

当起重机在非工作状态时,起重机通过停入锚地由锚定机构来防止风载荷引起的水平移动。由于船厂起重机的工作环境的特殊性,如船坞上的造船门式起重机工作区域轨道长度近千米,锚地通常设在轨道长度中间来布置锚定和锚固地基,若同一船坞区上有两台起重机,则增设一处锚地在轨道长度四分之一或三分之一位置,当前双机联合作业已成常态,假设在一端头两机同时作业,当疾风来临时其中一台要跨越三分之二轨道长度才能到达对应的锚地,以目前常设的30 m/min的起重机运行速度来计算,需要近20 min的时间才能到达锚地。虽然很多船厂已经意识到这个问题,尽可能增设锚地以降低避险时间,但由于锚地建设成本和区域设备干涉等原因无法实现。

综上,主动轮刹车、夹轨器和锚定机构三种常用的防风抗滑措施,均存在相应的局限性,无法完全满足大型起重机械在空载、满载和应急情况等各种状态下抗风防滑的要求。这样就需要通过防溜铁鞋等措施在疾风来临时提升起重机抗风防滑的自救能力,尽可能避免起重机械产生滑行甚至倾覆现象的发生。

2.2 防溜铁鞋的应用

防溜铁鞋源自铁道部行业标准TB/T 3162.3—2007《铁道车辆停车防溜装置 第3部分:防溜铁鞋(止轮器)》[8],其原理就是在一根或两根钢轨上放置铁鞋[9],向前滚动的车轮压上铁鞋后便沿钢轨滑行,轮轨之间由滚动摩擦变为滑动摩擦,阻止车轮前进,起制动作用,见图3。

图3 防溜铁鞋示意图Figure 3 Schematic diagram of anti-slip iron shoes

虽然造船门式起重机的车轮直径和最大轮压因机型不尽相同,其防溜铁鞋需要定制。但针对远离锚地的起重机在疾风来临时无法及时回到安全区域,防溜铁鞋作为一种安全可靠性好、使用方便灵活、造价成本低廉的安全防护产品,可以有效提升起重机的抗风防滑能力。

2022年夏,笔者走访了国内多家大型造船企业,针对采用防溜铁鞋进行大型起重机的防风抗滑这一具体实施方案进行了实地考察和研究,发现了两个普遍的问题,即有的船企对于防溜铁鞋的应用借鉴动车、高铁的模式,采用两头对称布置,作为防溜措施实施,未充分考虑利用其防滑作用,带来了安全隐患;有的船企对于所有的运行机构台车组都配备了防溜铁鞋,数量过剩,虽然安全性上得到了保证,但在应急实施中因主次不分造成弊端。

根据防溜铁鞋通过增加摩擦阻力止滑的原理,应该使用在无驱动装置的从动车轮上是最合适的,如图4所示。主动车轮通过驱动装置刹车后将车轮锁住,形成与轨道面的滑动摩擦阻力,而无约束的从动车轮的滚动摩擦阻力远小于滑动摩擦阻力,故应优先通过防溜铁鞋将从动轮组由滚动摩擦改为滑动摩擦来进行止滑。防溜铁鞋的数量也应优先满足该设备所有从动轮的防滑需求。

图4 造船门式起重机行走机构防溜铁鞋布置位置Figure 4 Layout position diagram of anti-slip iron shoes for the traveling mechanism of shipbuilding gantry crane

3 防溜铁鞋在防风抗滑中的对比计算分析

基于目前各大船企都采用防溜铁鞋应对突发大风对起重机的侵害,拟通过对事故1(该发生地点位于长江以北,风压按600 Pa来计算)中的900 t×208 m造船门式起重机抗风防滑的计算来对比防溜铁鞋不同布置形式的差异,作为船厂使用防溜铁鞋的参考。

3.1 起重机整体参数

起重机工作级别:A3

起重机起重能力:Q=900 t

起重机跨度:208 m

起重机基距:35 m

起重机梁底高:70 m

起重机额定运行速度:3～30 m/mim

起重机运行机构轨道型号:QU120

起重机总重:G=5550 t

夹轨器总防爬力:3400 kN

3.2 起重机主结构风载荷参数

根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》要求对非工作状态夹轨器正常工作风载进行验算:

qⅢ=0.625vs2=600 Pa(Ⅲ类风vs≈31 m/s)

风向平行于起重机轨道时,已知该900 t造船门式起重机各部件风载荷计算结果如表2所示。

表2 造船门式起重机900 t各部件风载荷计算结果Table 2 Calculation results of wind load of the components of a 900 t shipbuilding gantry crane

说明:大跨度门式起重机抗风防滑主要考虑沿起重机轨道方向的风力。

3.3 起重机非工作状态抗风防滑验算

(1)铁鞋未部署时起重机非工作状态抗风防滑验算

起重机非工作状态设定为停机、空载、顺风,起重机未进入锚定区,故不考虑锚定装置的抗风防滑作用,此时抗风防滑安全性按下式校验计算[10]。

PZ2+P≥1.1PwⅢ+PαG-Pf

式中:PZ2为运行机构制动器在车轮踏面上产生的制动力,本起重机主动车轮数刚腿侧28个、柔腿侧24个,主动和从动车轮总数104个,其中主动车轮与轨道面的摩擦按静摩擦,静摩擦系数f=0.14,无额定起升载荷,PZ2=fPGn主/n总=3.81×106N;P为夹轨器对轨道产生的防爬力,选择夹轨器TA1000,单台夹轨器的防趴力为1000 kN,即刚、柔腿各两组夹轨器防爬力之和,P=3.40×106N;PwⅢ为起重机承受的非工作状态风载荷,即qⅢ风力之和,PwⅢ=∑qⅢ=5.62×106N;PαG为自重载荷沿坡道方向产生的滑行力,坡度角α取0.003 rad,PαG=PGsinα=1.63×105N;Pf为非工作状态下阻止起重机被风吹移动的摩擦阻力(即从动车轮与轨道的黏着力),按滚动摩擦,摩擦阻力系数ω=0.007,Pf=ωPGn从/n总=1.91×105N。

∵1.1PwⅢ+PαG-Pf=6.15×106N

PZ2+P=7.21×106N

∴PZ2+P≥1.1PwⅢ+PαG-Pf

结论:本起重机在风压600 Pa(Ⅲ类风30 m/s)、非工作状态时抗风防滑是安全的(即在未部署铁鞋时起重机能承受的最大风力为30 m/s)。

(2)铁鞋部署后起重机非工作状态抗风防滑验算

起重机车轮分为主动和从动两种类型,主动车轮带有制动器,制动时按静摩擦考虑,从动车轮为滚动摩擦,故防溜铁鞋优先部署于从动车轮,即将滚动摩擦改变成静摩擦。

起重机非工作状态设定为停机、空载、顺风,起重机未进入锚定区,故不考虑锚定装置的抗风防滑作用,部署防溜铁鞋后从动轮按静摩擦考虑,此时抗风防滑安全性按下式校验计算:

PZ2+P≥1.1PwⅢt+PαG-Pft-Pf

式中,PZ2=fPGn主/n总=3.81×106N;P=3.40×106N;PwⅢt为部署防溜铁鞋后起重机承受的非工作状态风载荷,根据本次计算结果得出;PαG=PGsinα=1.63×105N;Pf为非工作状态下阻止起重机被风吹移动的摩擦阻力(即从动车轮与轨道的黏着力),按滚动摩擦,摩擦阻力系数ω=0.007,由于防溜铁鞋无法置于台车组中间,故未被约束的从动车轮数量为所有从动车轮的一半,Pf=ωPGn从/2/n总=9.55×104N;Pft为非工作状态下阻止起重机被风吹移动的摩擦阻力(即从动车轮与轨道的黏着力),增加铁鞋后按静摩擦,静摩擦系数f=0.14,由于防溜铁鞋无法置于台车组中间,故防溜铁鞋作用的从动车轮数量为所有从动车轮的一半,Pft=fPGn从/2/n总=1.91×106N。

∵PZ2+P≥1.1PwⅢt+PαG-Pft-Pf

∴1.1PwⅢt≤PZ2+P-PαG+Pft+Pf

∴PwⅢt≤8.23×106N

根据起重机迎风面积换算,部署防溜铁鞋后的起重机抗风防滑能力提升至qⅢt=900 Pa(Ⅲ类风38 m/s)。如果现场配置链条包或枕木等可以放入两从动车轮中间的防滑工具,使得所有从动车轮都无法滚动,整体防风抗滑能力将提升至qⅢt=1000 Pa(Ⅲ类风40 m/s),即由原来抵抗9级风提升至抵抗11级风。

4 结论

通过以上事故案例可以知道,目前大部分船厂大型起重机械抵抗突如其来的强对流天气的能力是欠缺的,虽然在工作区域设定了锚地进行防范,但由于空间距离原因无法实时锁定起重机,导致了不同程度事故隐患的发生。从计算分析来看,将防溜铁鞋作为应急措施应用于抵御突如其来的强对流天气,可以提升起重机械的抗风级别,在一定程度上降低了事故隐患,值得推广和普及:

(1)船厂采用防溜铁鞋应对突发大风对大型起重机械伤害是合理的;

(2)通过计算分析可以明确,将从动车轮通过防溜铁鞋约束后,起重机的防风抗滑能力有显著提高,一些事故隐患甚至可以避免发生;

(3)防溜铁鞋在应急抢险时必须优先部署于从动车轮,并应尽快将所有从动车轮都部署完成;

(4)如有条件应同时配置可以安放于两从动车轮中间的链条包或枕木,以提高防风抗滑安全系数;

(5)如有条件可采用夹轮器对所有从动车轮进行滚动约束;

(6)防溜铁鞋作为临时防风抗滑措施,仅防止起重机水平移动,无法抵抗倾覆翻倒,故正常防台风或长时间停机仍应将起重机驶入锚地进行锚定和锚固。