港口起重機(jī)一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置

張鋒鋒 魏紅梅

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，港口起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了起重機(jī)使用地近30 a 及以上最大風(fēng)力情況。在設(shè)置防風(fēng)系固或配重裝置后，起重機(jī)有足夠能力承受非工作狀態(tài)最大風(fēng)壓而不發(fā)生傾覆。隨著起重機(jī)不斷加高加大趨于大型化，大車軌距也在不斷加寬，相當(dāng)數(shù)量碼頭的大車軌距已超過(guò)30 m，碼頭的防風(fēng)系固能力也在不斷地增加。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了錨定與防風(fēng)拉索的抗風(fēng)能力，使起重機(jī)在強(qiáng)勁風(fēng)力作用下不會(huì)發(fā)生原地傾翻。到目前為止，起重機(jī)原地被風(fēng)吹翻的案例尚未有報(bào)道。港口起重機(jī)發(fā)生風(fēng)災(zāi)事故的共同特點(diǎn)是：起重機(jī)在工作狀態(tài)或臨時(shí)停車狀態(tài)遭受突發(fā)性陣風(fēng)或臺(tái)風(fēng)時(shí)，操作人員來(lái)不及將起重機(jī)移動(dòng)到錨定位置將錨定插板或插銷插到碼頭地面上的錨定坑內(nèi)，從而導(dǎo)致起重機(jī)被風(fēng)吹動(dòng)并沿大車軌道快速移動(dòng)，有可能車輪已被制動(dòng)但仍產(chǎn)生滑動(dòng)或半滾半滑狀態(tài)，積蓄了大量的動(dòng)能，最終與相鄰靜止的起重機(jī)或軌道端部的緩沖塊相撞而引起整機(jī)傾覆或單側(cè)抬腿沖擊后垮塌。整機(jī)滑移所導(dǎo)致傾覆坍塌事故在近年港口起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故中發(fā)生較頻繁，針對(duì)這種破壞形式，其最重要的是確保起重機(jī)在任何情況下不被風(fēng)吹動(dòng)，及時(shí)采取措施制止起重機(jī)運(yùn)動(dòng)是可以避免這些事故的。

本文所研究的起重機(jī)一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置是一種用于軌道行走式抗風(fēng)防滑的安全防護(hù)裝置，已廣泛用于國(guó)內(nèi)外多個(gè)碼頭。該裝置的主要作用是借助風(fēng)力產(chǎn)生抗滑力，實(shí)現(xiàn)軌道行走式起重機(jī)沿軌道任意位置的機(jī)械式自鎖裝置。防風(fēng)抗滑能力可在起重機(jī)作業(yè)中實(shí)時(shí)響應(yīng)，能有效防止軌道行走式起重機(jī)因無(wú)預(yù)警陣風(fēng)而產(chǎn)生滑移，確保港口大型軌道行走式起重機(jī)防風(fēng)安全。

1 一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置組成及原理

1.1 一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置的組成

一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置主要由主體支承結(jié)構(gòu)、錨定裝置、風(fēng)力自鎖防爬裝置等3 部分組成。這3部分作為一個(gè)整體與起重機(jī)上部結(jié)構(gòu)連接，如圖1 所示。

圖1 一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置

1）主體支承結(jié)構(gòu) 主體支承結(jié)構(gòu)是該裝置的主要承載構(gòu)件，可保證整個(gè)裝置在最大暴風(fēng)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度與剛度。支承結(jié)構(gòu)兩側(cè)根據(jù)碼頭錨定預(yù)埋件坑的位置設(shè)置錨定裝置，錨定裝置為常規(guī)插板式設(shè)計(jì)，與常規(guī)錨定裝置并明顯差異，其組成部分不作贅述。

2）風(fēng)力自鎖防爬裝置 該裝置由連桿機(jī)構(gòu)、壓輪、制動(dòng)靴、限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)等部分組成，如圖2 所示。

圖2 風(fēng)力自鎖防爬裝置

3）連桿機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu)是自鎖防爬器的驅(qū)動(dòng)裝置，左右連桿一側(cè)與主結(jié)構(gòu)鉸座連接，另一側(cè)與電動(dòng)推桿連接并控制連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。連桿的中間位置連接柔性鏈條裝置并與下部制動(dòng)靴相連接，通過(guò)連桿的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)接地靴的起升和下降。柔性鏈條的長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，以保證工作及非工作狀態(tài)制動(dòng)靴的狀態(tài)。

4）制動(dòng)靴裝置 該裝置是與軌道面接觸時(shí)產(chǎn)生抗滑移能力的重要部件，制動(dòng)靴下表面的摩擦片采用高強(qiáng)度合金鋼調(diào)質(zhì)處理，表面滲碳淬火，增強(qiáng)該裝置的耐磨性。摩擦片外形采用齒形設(shè)計(jì)，增大了裝置與軌道面的摩擦系數(shù)，為該裝置的抗滑移能力提供必要條件。

5）壓輪裝置 壓輪裝置通過(guò)銷軸與主體支承結(jié)構(gòu)剛性連接，可與制動(dòng)靴裝置聯(lián)合作用，將水平風(fēng)力通過(guò)壓輪與制動(dòng)靴斜面轉(zhuǎn)化為制動(dòng)靴對(duì)于軌道的垂直壓力，是產(chǎn)生抗滑移性能的主要?jiǎng)恿Α?/p>

6）限位檢測(cè)裝置 該裝置由水平和豎直感應(yīng)限位組成，可通過(guò)限位與感性板的相對(duì)位置變化將信號(hào)傳遞給整機(jī)電控系統(tǒng)中，以便于系統(tǒng)識(shí)別接地靴的工作狀態(tài)，節(jié)省了人為操作環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)該裝置的自動(dòng)化、智能化。

1.2 一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置的原理

在有臺(tái)風(fēng)預(yù)警情況下，錨定裝置的作用是操作人員將起重機(jī)提前移動(dòng)至錨定位置并與碼頭防風(fēng)裝置預(yù)埋件連接使用，確保起重機(jī)在臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下不出現(xiàn)整體滑移及傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。起重機(jī)錨定插板及上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求應(yīng)保證當(dāng)?shù)?0 a 以上最大的暴風(fēng)狀態(tài)下整機(jī)承受的暴風(fēng)力。當(dāng)工作中遇到突發(fā)陣風(fēng)或未經(jīng)過(guò)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)時(shí)，錨定裝置還未及時(shí)插入錨定坑內(nèi)，即上述中港口事故多發(fā)的情況，此時(shí)風(fēng)力自鎖防爬裝置可以保持整個(gè)起重機(jī)不出現(xiàn)滑移。

風(fēng)力自鎖防爬裝置的工作狀態(tài)可通過(guò)限位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將信號(hào)提供給電氣控制系統(tǒng)，同時(shí)電控系統(tǒng)可以根據(jù)大車運(yùn)行狀態(tài)控制連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。當(dāng)起重機(jī)大車運(yùn)行時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)鏈條將制動(dòng)靴提起并脫離軌道約25 mm，保證防爬裝置不影響起重機(jī)大車正常運(yùn)行；當(dāng)大車行走機(jī)構(gòu)停止時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)將制動(dòng)靴放到軌道表面，防爬裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)外部風(fēng)力作用，起重機(jī)沿大車軌道出現(xiàn)微小滑移，防爬裝置壓輪作用在制動(dòng)靴上部靴架的斜面上，制動(dòng)靴底部齒形面與軌道踏面產(chǎn)生水平摩擦力，從而產(chǎn)生整機(jī)抗滑移能力。以上操作簡(jiǎn)單，無(wú)需人為控制，制動(dòng)靴工作與非工作狀態(tài)示意圖如圖3 所示。

圖3 制動(dòng)靴工作與非工作狀態(tài)示意圖

2 風(fēng)力自鎖防爬裝置抗滑移能力計(jì)算

當(dāng)風(fēng)力作用時(shí)，制動(dòng)靴與軌道之間的摩擦力產(chǎn)生軌道方向的抗滑移能力，此滑移能力與風(fēng)力大小有關(guān)。為了進(jìn)一步研究制動(dòng)靴的抗滑移安全性能及影響因素，本文通過(guò)簡(jiǎn)化力學(xué)模型進(jìn)行分析，力學(xué)模型如圖4 所示。

圖4 自鎖防爬裝置力學(xué)模型

在圖4 中，F(xiàn)W為整機(jī)沿大車方向的風(fēng)載荷；N1為風(fēng)載荷作用下制動(dòng)靴支架斜面對(duì)壓輪產(chǎn)生的反力及壓輪對(duì)斜面壓力；F1為風(fēng)載荷作用下壓輪垂直向下的壓力，F(xiàn)1小于等于整機(jī)質(zhì)量；N2為軌道面對(duì)制動(dòng)靴的支承力；Ff 為軌道面與制動(dòng)靴產(chǎn)生靜摩擦力；α為制動(dòng)靴斜面與水平面的夾角。

根據(jù)起重機(jī)作業(yè)區(qū)域?qū)嶋H風(fēng)速及起重機(jī)外形，可以求出整機(jī)大車方向風(fēng)載荷FW，根據(jù)力學(xué)性能3 力匯交的原理，以壓輪為研究對(duì)象可得

以制動(dòng)靴裝置為研究對(duì)象可得

設(shè)制動(dòng)靴與軌道表面的摩擦系數(shù)為μ，則該裝置的最大抗滑移能力為

由式（5）可知，風(fēng)力越大制動(dòng)靴與軌道的摩擦系數(shù)越大，制動(dòng)靴坡角α越小，整機(jī)的抗滑移能力越大。若保證整機(jī)在任何風(fēng)速狀態(tài)下不出現(xiàn)滑移狀態(tài)的條件為Fmax＞FW，即當(dāng)μ/tanα＞1 時(shí)，整機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

軌道制動(dòng)影響抗風(fēng)能力的因素較多，特別是摩擦系數(shù)的影響會(huì)造成防爬裝置性能不穩(wěn)定。防爬裝置的制動(dòng)靴采用齒式結(jié)構(gòu)，軌道制動(dòng)所產(chǎn)生的抗風(fēng)阻力受到摩擦塊齒與軌道摩擦面的鑲嵌程度、軌道摩擦面狀態(tài)、接觸均勻度等因素影響。在實(shí)際應(yīng)用中，軌道制動(dòng)所能產(chǎn)生的抗風(fēng)阻力是一個(gè)不穩(wěn)定的值。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)表明：軌道制動(dòng)的當(dāng)量摩擦系數(shù)變化范圍為0.25 ～1.0，在進(jìn)行防風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，軌道制動(dòng)方式的摩擦系數(shù)選取范圍為0.25 ～0.4，斜坡的作用角度選取范圍為10°～20°。為此，設(shè)計(jì)時(shí)一般取μ＝0.4，α＝15°，即

由式（6）可知，風(fēng)力自鎖制動(dòng)器的抗滑移能力隨風(fēng)力的增大而增大。制動(dòng)靴產(chǎn)生的最大靜摩擦力大于風(fēng)力，可保證整機(jī)因摩擦力作用而不產(chǎn)生滑移，能有效防止軌道行走式起重機(jī)因無(wú)預(yù)警陣風(fēng)而產(chǎn)生的滑移，確保港口大型軌道行走式起重機(jī)防風(fēng)安全。該裝置作為絕大多數(shù)起重機(jī)防風(fēng)防爬的安全保護(hù)裝置，具有安裝使用簡(jiǎn)單、可靠性高、能增強(qiáng)起重機(jī)作業(yè)防風(fēng)等級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。

3 制動(dòng)靴摩擦力作用原理與影響因素

3.1 制動(dòng)靴摩擦力作用原理

風(fēng)力自鎖防爬裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗滑移能力可靠，但制動(dòng)效果仍會(huì)受到外部因素的影響。風(fēng)力自鎖防爬裝置由制動(dòng)靴與軌道頂面組成制動(dòng)副的制動(dòng)方式稱為軌道制動(dòng)。軌道制動(dòng)的作用機(jī)理和特點(diǎn)是：由防風(fēng)裝置的制動(dòng)摩擦塊與起重機(jī)運(yùn)行軌道的頂面形成摩擦副，在制動(dòng)時(shí)給制動(dòng)摩擦副施加壓力，從而使摩擦副之間產(chǎn)生摩擦阻力來(lái)抵抗風(fēng)力作用。為增加摩擦阻力摩擦塊的摩擦面通常設(shè)計(jì)成齒形結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 齒形摩擦塊軌道制動(dòng)分析圖

在圖5 中，W為風(fēng)力，F(xiàn)為摩擦力，N為摩擦力作用反力，P為頂軌力或夾緊力，β為齒形角度，α為齒形側(cè)面與水平x軸的夾角。由圖5 可知，抗風(fēng)阻力R與齒形角度β、作用反力N、摩擦力F有關(guān)系，其表達(dá)式為

式中：R為抗風(fēng)阻力。

摩擦塊的齒面與軌道面存在一定硬度差，由此形成的摩擦稱為鑲嵌摩擦。鑲嵌摩擦的機(jī)理比較復(fù)雜，與純滑動(dòng)和純滾動(dòng)摩擦有明顯區(qū)別。假定作用在摩擦塊上的頂軌力或夾緊力均勻分布于各齒上，在風(fēng)力W作用下，抗風(fēng)阻力R與齒形摩擦塊的齒形角度β、作用反力N在水平x軸的分力、摩擦力F在水平x軸的分力有關(guān)系。在摩擦塊材料一定的情況下，由圖5 受力分析和比較可以得出：

1）抗風(fēng)阻力R的大小主要與作用反力N在水平x軸上的分力有關(guān)，若齒形角度β越小，α角度越大，鑲嵌深度越深，則作用反力N在水平x軸上的分力也越大，即抗風(fēng)阻力R越大。

2）抗風(fēng)阻力R的大小與摩擦力F在水平x軸上的分力有關(guān)，F(xiàn)為滑動(dòng)摩擦力，主要與頂軌力或夾緊力P有關(guān)；當(dāng)P越大，齒形角度β越大，則摩擦力F在水平x 軸上的分力越大，即抗風(fēng)阻力R越大。

3）當(dāng)齒形摩擦塊底部是平面時(shí)（齒形被磨平），即齒形角度β為180°，齒形側(cè)面與水平x軸夾角為0°，齒形摩擦塊與軌道之間無(wú)鑲嵌，則抗風(fēng)阻力R等于滑動(dòng)摩擦力F。此時(shí)軌道制動(dòng)器已基本失去制動(dòng)能力，需及時(shí)進(jìn)行更換或維修齒形摩擦塊。

3.2 碼頭軌道對(duì)風(fēng)力自鎖防爬裝置影響因素

由式（5）可知，制動(dòng)靴與軌道之間的摩擦系數(shù)對(duì)此抗滑移裝置產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。部分碼頭大車軌道的制動(dòng)面一般都布滿腐蝕斑點(diǎn)和氧化皮，這種腐蝕斑點(diǎn)會(huì)對(duì)摩擦副接觸的均勻度產(chǎn)生影響，氧化皮的抗剪強(qiáng)度非常低，若摩擦齒鑲嵌在氧化皮上將嚴(yán)重降低摩擦阻力，從而抗滑移能力失效。

防爬裝置的制動(dòng)靴通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)提升離開(kāi)或降低作用在碼頭軌道面上。若碼頭大車軌道面出現(xiàn)比較大波浪高低差，非工作位置時(shí)制動(dòng)靴底部與大車軌道面發(fā)生干涉，將會(huì)影響大車正常運(yùn)行；工作位置時(shí)制動(dòng)靴下降距離較大，整機(jī)滑移一定距離壓輪才能作用在制動(dòng)靴斜面上，產(chǎn)生部分動(dòng)能，對(duì)制動(dòng)靴下部齒形沖擊較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軌道的損壞。

軌道制動(dòng)器用于靜態(tài)制動(dòng)。軌道制動(dòng)靠鑲嵌摩擦產(chǎn)生抗風(fēng)阻力，制動(dòng)靴的制動(dòng)齒面在動(dòng)態(tài)制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊，齒尖無(wú)法承受這種沖擊力，在沖擊作用下會(huì)瞬間磨損或斷裂，同時(shí)破壞軌道的制動(dòng)面，并在齒面磨平或斷裂后使鑲嵌摩擦失去作用，從而使制動(dòng)力迅速下降甚至完全失效。因此，制動(dòng)齒形的設(shè)計(jì)非常重要，應(yīng)以切入軌道表面只發(fā)生彈性變形、不發(fā)生塑性變形為先決條件，而后再考慮盡可能增大相對(duì)移動(dòng)阻力。

為了保證防爬器的整體使用效果，要充分考慮該裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)及使用環(huán)境因素，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮制動(dòng)靴摩擦片的材質(zhì)、底部齒形設(shè)計(jì)和碼頭軌道使用條件后，該裝置具有良好的使用效果，并在實(shí)際項(xiàng)目中得到了充分認(rèn)證與考驗(yàn)。

4 一體式錨定防爬裝置項(xiàng)目使用情況

該裝置經(jīng)過(guò)最初研發(fā)到首臺(tái)設(shè)備投入使用已有十余年，使用效果如圖6 所示。最早配置于2012 年歐洲某大型自動(dòng)化港口岸橋項(xiàng)目，到目前國(guó)內(nèi)外已有20 余個(gè)項(xiàng)目均有使用，確保了碼頭設(shè)備防風(fēng)制動(dòng)的安全性，取得了良好的使用效果。

圖6 一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置應(yīng)用圖

有些老舊碼頭在設(shè)計(jì)初期并未考慮突發(fā)陣風(fēng)對(duì)起重機(jī)的影響，部分陳舊設(shè)備在突發(fā)陣風(fēng)時(shí)存在夾輪器打滑無(wú)法剎住車輪的情況，給設(shè)備安全帶來(lái)隱患。由于全球自熱環(huán)境的不斷惡化，碼頭的防風(fēng)成為碼頭管理者越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。如果更換夾輪器的數(shù)量較多，成本就會(huì)較高，還存在制動(dòng)器與車輪匹配的問(wèn)題。該裝置安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，成本較低，部分碼頭通過(guò)改造的方式增加了此裝置，解決了碼頭設(shè)備大車制動(dòng)器制動(dòng)力矩不足產(chǎn)生的滑移問(wèn)題。

5 結(jié)論

一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置可作為絕大多數(shù)設(shè)備提供防風(fēng)防爬安全保護(hù)裝置，無(wú)需人為控制，具有安裝使用簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、可增強(qiáng)設(shè)備作業(yè)防風(fēng)等級(jí)、提高設(shè)備利用率等優(yōu)點(diǎn)，是一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)；為了保證此設(shè)備具有更可靠的使用性能，在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：

1）軌道制動(dòng)受布置空間限制，作用點(diǎn)少，一般情況下每臺(tái)起重機(jī)安裝2 ～4 套。當(dāng)軌道制動(dòng)器工作時(shí)，由于風(fēng)力的影響，防爬裝置承擔(dān)了一部分整機(jī)質(zhì)量，會(huì)減少起重機(jī)大車車輪輪壓，而輪壓的減少又會(huì)減小驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力，削弱驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)防風(fēng)效果。安裝4 套防爬裝置時(shí)存在過(guò)定位現(xiàn)象，實(shí)際產(chǎn)生的抗風(fēng)阻力要打一定的折扣，抗風(fēng)力計(jì)算時(shí)需要注意。

2）軌道面的不平整會(huì)使防爬裝置受力分布不均勻，導(dǎo)致壓軌力發(fā)生變化，部分齒尖受力過(guò)大造成齒尖磨損或斷裂，使其有效抗風(fēng)能力存在不確定性。在設(shè)計(jì)時(shí)，碼頭軌道應(yīng)符合一定的公差要求，碼頭軌道面控制在+/-10 mm 內(nèi)。另外，應(yīng)及時(shí)清理軌道表面的齒面油污、銹蝕斑點(diǎn)和浮銹等影響，減少軌道表面的雜質(zhì)對(duì)防爬裝置產(chǎn)生的不利影響，增強(qiáng)安全裝置的可靠性。

3）應(yīng)及時(shí)檢查制動(dòng)靴下部齒的磨損情況，當(dāng)齒下部磨損嚴(yán)重時(shí)，制動(dòng)靴與軌道之間的摩擦系數(shù)已降低為鋼對(duì)鋼的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，軌道制動(dòng)器基本失去制動(dòng)能力，需及時(shí)更換或維修齒形摩擦塊，避免出現(xiàn)制動(dòng)靴失效的情況。

4）一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置同時(shí)具備了錨定和防爬作用。雖然理論上自鎖防爬裝置對(duì)于風(fēng)力越大抗滑移能力越強(qiáng)，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)防爬裝置的抗滑移性能一般只考慮突發(fā)陣風(fēng)風(fēng)速或未經(jīng)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)工況，一般按低于35 m/s 風(fēng)速設(shè)計(jì)。對(duì)于有臺(tái)風(fēng)預(yù)警的情況，碼頭工作人員要及時(shí)將起重機(jī)移動(dòng)到錨定裝置，并及時(shí)插入錨定板及連接防風(fēng)系固裝置，以保證起重機(jī)在臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下的安全。