輪邊制動(dòng)器下起重機(jī)的抗風(fēng)防滑機(jī)理研究＊

薛志鋼 蘇文勝 巫 波 黃海潤(rùn)

1 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無(wú)錫分院 無(wú)錫 214174 2 國(guó)家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 無(wú)錫 214174 3 江南大學(xué) 無(wú)錫 214122

0 引言

起重機(jī)的抗風(fēng)防滑性能是大型起重機(jī)重要考慮的因素，特別是在港口碼頭上的起重機(jī)，經(jīng)常會(huì)遇到突遇的大風(fēng)。以前常用的起重機(jī)抗風(fēng)防滑裝置有鐵鞋、錨定裝置、頂軌器和夾軌器等[1]，但這些裝置有的不能在司機(jī)室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，當(dāng)突遇大風(fēng)時(shí)不能及時(shí)地對(duì)起重機(jī)進(jìn)行制動(dòng)；有的由于將起重機(jī)抗風(fēng)防滑力僅僅依靠?jī)蓚€(gè)單點(diǎn)制動(dòng)，容易對(duì)軌道產(chǎn)生一定的影響。輪邊制動(dòng)器能夠很好地解決以上問(wèn)題，實(shí)行司機(jī)端遠(yuǎn)程控制，并將抗風(fēng)防滑力通過(guò)車輪均勻作用在軌道上，不會(huì)對(duì)軌道產(chǎn)生較大沖擊荷載，進(jìn)而起到保護(hù)軌道的作用。有學(xué)者提出了室外起重機(jī)輪邊制動(dòng)器的防風(fēng)制動(dòng)方案[2]，電動(dòng)輪邊制動(dòng)器具有功能綠色、不存在漏油的情況出現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用[3，4]，方便對(duì)輪邊制動(dòng)器的自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)ABS防抱死功能[5]，起到柔性剎車的功能，在保證起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力的同時(shí)進(jìn)一步保護(hù)軌道?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，輪邊制動(dòng)器被越來(lái)越多地應(yīng)用在起重機(jī)上，但其在工作中如何通過(guò)摩擦力傳遞至軌道，軌道對(duì)車輪摩擦及與制動(dòng)器制動(dòng)力之間關(guān)系目前還缺少相關(guān)的研究工作，本文基于以上問(wèn)題開(kāi)展研究工作。

1 理論分析

首先以車輪架為研究對(duì)象，車輪架受力示意圖如圖1所示，其中在1號(hào)車輪上安裝輪邊制動(dòng)器，2號(hào)車輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪在荷載作用下做平面運(yùn)動(dòng)，故在A點(diǎn)和B點(diǎn)的主矩為零。

由此可得兩個(gè)車輪的輪壓為

由此可知，起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于慣性力和輪邊制動(dòng)器的作用，車輪架下的兩個(gè)車輪輪壓并不是相等的。提取單個(gè)車輪作為研究對(duì)象，如圖2所示，對(duì)C點(diǎn)求矩，則有

圖1 車輪架受力示意圖

圖2 車輪受力示意圖

由式（5）可知，當(dāng)f≤FNμ靜時(shí)，隨著輪邊制動(dòng)器制動(dòng)力的增加，f逐漸增加；當(dāng)f＝FNμ靜時(shí)，軌道對(duì)車輪的制動(dòng)力無(wú)法提供車輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需摩擦力，此時(shí)車輪由滾動(dòng)變?yōu)榛瑒?dòng)，此時(shí)f＝FNμ動(dòng)，因?yàn)棣天o＞μ動(dòng)，起重機(jī)的抗風(fēng)能力縮減。故提高車輪對(duì)軌道的壓力FN，增加軌道與車輪之間的摩擦力，才能使輪邊制動(dòng)器更好地發(fā)揮制動(dòng)能力，由式（3）和式（4）可知，同一車架下車輪輪壓不等，故在輪邊制動(dòng)器制動(dòng)能力充足的情況下，沿風(fēng)荷載方向的車輪上布置輪邊制動(dòng)器能夠有效地提高起重機(jī)的抗風(fēng)防滑性能。由此可知輪邊制動(dòng)器下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力是緣于輪邊制動(dòng)器提供給車輪一定的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，同時(shí)在起重機(jī)的慣性荷載作用下，車輪與軌道之間產(chǎn)生使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力，車輪開(kāi)始做減速平面運(yùn)動(dòng)。隨著制動(dòng)能力的增加，車輪與軌道之間的摩擦力足以提供車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車輪開(kāi)始由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榛瑒?dòng)，做平移運(yùn)動(dòng)，直至起重機(jī)完全停止或傾覆。

2 起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析

基于ADAMS建立起重機(jī)—軌道—輪邊制動(dòng)器的多體動(dòng)力學(xué)模型，在文獻(xiàn)[6]中已對(duì)模型的建立做了詳細(xì)說(shuō)明，在此不做詳述。圖3為車輪的輪邊制動(dòng)器布置圖，圖4為提取各個(gè)車輪與軌道之間的壓力和摩擦力。

圖3 輪邊制動(dòng)器配置圖

圖4 車輪輪壓分布

一條軌道上車輪對(duì)軌道壓力的最大值和最小值相差174.1 kN，在同一個(gè)車輪架下，有輪邊制動(dòng)器的車輪輪壓大于無(wú)輪邊制動(dòng)器的車輪輪壓。一條軌道上車輪對(duì)軌道的壓力并不是沿著軌道長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)線性關(guān)系，以主梁支腿為界，在主梁正風(fēng)壓一側(cè)的車輪（5、6、7、8號(hào)支架下的車輪）輪壓低于起重機(jī)靜止下的輪壓；在主梁負(fù)風(fēng)壓一側(cè)的車輪（1～4號(hào)支架下的車輪）輪壓高于起重機(jī)靜止下的輪壓。由于平衡梁跨度較大，造成16號(hào)車輪輪壓相對(duì)于17號(hào)車輪輪壓發(fā)生較大突變。

結(jié)合圖4、圖5可知，由于慣性力和輪邊制動(dòng)器制動(dòng)力的影響，車輪輪壓分布不同，造成軌道提供給起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力不同，兩者呈彼此對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖5 車輪與軌道之間的摩擦力

3 起重機(jī)抗風(fēng)防滑因素分析

由以上分析可知，輪邊制動(dòng)器下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力主要依靠制動(dòng)器的制動(dòng)力和軌道與車輪之間的摩擦力協(xié)調(diào)配合。兩者的摩擦力與正壓力和摩擦系數(shù)相關(guān)，改變其中任何一個(gè)參數(shù)，都可以直接改變相應(yīng)的摩擦力。通過(guò)改變兩者的摩擦系數(shù)改變相應(yīng)的摩擦力如表2所示。其中輪邊制動(dòng)器閘瓦的靜摩擦系數(shù)為0.4，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35，車輪與軌道的靜摩擦系數(shù)為0.14，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.12，動(dòng)/靜摩擦系數(shù)同步降低。

在制動(dòng)閘瓦摩擦系數(shù)降低到90%之前，并不會(huì)對(duì)起重機(jī)的抗風(fēng)防滑性能造成較大程度的影響，主要因?yàn)樵?0%μ、100%μ、110%μ三種工況下，輪邊制動(dòng)器具有足夠大的制動(dòng)力，而軌道與車輪之間的摩擦力較小，無(wú)法提供車輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩，故在輪邊制動(dòng)器工作時(shí)，多數(shù)車輪處于滑動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)軌道對(duì)車輪的摩擦力多是動(dòng)摩擦，再增加輪邊制動(dòng)器的制動(dòng)性能對(duì)軌道和車輪的摩擦力影響甚微。由此可知，單純地依靠增大輪邊制動(dòng)器的制動(dòng)力，當(dāng)增加到極限值時(shí)，對(duì)起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力的提高沒(méi)有任何意義，但通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可知，110% μ下起重機(jī)的制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離相比于100%μ有一定增加，主要因?yàn)樵?10%μ下，摩擦系數(shù)增加造成摩擦力增加，1號(hào)車輪制動(dòng)器還未完全抱閘就開(kāi)始由滾動(dòng)轉(zhuǎn)為滑動(dòng)，同時(shí)軌道對(duì)車輪的摩擦力也由滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦，降低了起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力。

在80%μ工況下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力優(yōu)于70%μ，在這一類工況中，增加輪邊制動(dòng)器的制動(dòng)性能對(duì)提高起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力起到主導(dǎo)作用，隨著輪邊制動(dòng)器制動(dòng)能力的增加，軌道與車輪之間的摩擦力逐漸增加，使起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力得到有效的提高。

在輪邊制動(dòng)器配備足夠的情況下，軌道與車輪之間摩擦系數(shù)的減少對(duì)起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力的影響較大，當(dāng)摩擦系數(shù)降低到80%μ以下時(shí)，制動(dòng)加速度與起重機(jī)運(yùn)行速度方向一致，起重機(jī)處于一致加速狀態(tài)，直至發(fā)生碰撞、傾倒或跌入海中。當(dāng)摩擦系數(shù)大于90%μ時(shí)，起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力隨摩擦系數(shù)的增強(qiáng)逐漸增加，且此時(shí)滑動(dòng)車輪的個(gè)數(shù)逐漸減少，滾動(dòng)車輪的個(gè)數(shù)逐漸增加，但當(dāng)增加到一定程度時(shí)，起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力趨于極限值，此時(shí)所有的車輪都處于滾動(dòng)狀態(tài)，在該種情況下如果再提高起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力，就需要提高輪邊制動(dòng)器的制動(dòng)能力。

表2 起重機(jī)制動(dòng)性能

通過(guò)以上分析可知，起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力的提高并不是單純地依靠增強(qiáng)起重機(jī)輪邊制動(dòng)器的制動(dòng)能力，而是輪邊制動(dòng)器制動(dòng)能力和軌道對(duì)車輪摩擦力兩者相互配合的結(jié)果，具體如圖6所示。

圖6 輪邊制動(dòng)器與軌道摩擦系數(shù)配置圖

在強(qiáng)風(fēng)荷載作用下，安裝有輪邊制動(dòng)器的車輪處于三種狀態(tài)：純滾動(dòng)、滾動(dòng)滑動(dòng)相結(jié)合、純滑動(dòng)。當(dāng)車輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)輪邊制動(dòng)配備不足，安全系數(shù)較低，在提高起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力方面，輪邊制動(dòng)器占主導(dǎo)地位，解決方法為增加輪邊制動(dòng)器數(shù)量或提高制動(dòng)能力；當(dāng)車輪處于純滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)輪邊制動(dòng)器冗余度較高，相應(yīng)地起重機(jī)的成本也較高，在提高起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力方面，軌道摩擦系數(shù)占主導(dǎo)地位；當(dāng)車輪處于滾動(dòng)和滑動(dòng)相結(jié)合的狀態(tài)時(shí)，綜合考慮成本和抗風(fēng)防滑能力，性價(jià)比較高，軌道摩擦系數(shù)在提高起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力上占主導(dǎo)地位。

為了增加起重機(jī)的安全系數(shù)，起重機(jī)輪邊制動(dòng)器的配置要有一定的冗余度，配備制動(dòng)器車輪處于滾動(dòng)和滑動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)制動(dòng)閘瓦和軌道摩擦系數(shù)降低的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，軌道摩擦系數(shù)的降低更容易造成起重機(jī)抗風(fēng)防滑失效。

4 結(jié)論

1）對(duì)輪邊制動(dòng)器下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力進(jìn)行了理論分析，分析了運(yùn)行過(guò)程中輪壓的分布，以及軌道對(duì)車輪摩擦力和制動(dòng)器制動(dòng)力的關(guān)系，研究了輪邊制動(dòng)器作用下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑機(jī)理。

2）基于起重機(jī)—輪邊制動(dòng)器—軌道建立的起重機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型，分析了軌道輪壓和軌道對(duì)車輪摩擦力的分布規(guī)律，研究了兩者的關(guān)系。

3）通過(guò)改變輪邊制動(dòng)器和軌道的參數(shù)，對(duì)影響起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力的因素進(jìn)行了分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)軌道摩擦系數(shù)的降低對(duì)起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力影響較大，并對(duì)輪邊制動(dòng)器配置的合理性和有效性進(jìn)行了研究。