港口装卸设备防风装置的计算与选择

摘要：本文阐述了港口门座起重机结构形式与风作用的关系以及门座起重机发生事故的状况及其原因。并通过不同风力作用下门座起重机受力情况的计算分析，提出了如何选取合适有效的防风装置。

关键词：门座起重机、防风装置

Abstract: This paper presents the relationship between the structure of portal crane and wind disasters, the case and reason of portal crane accidents. Besides, it brings forward the method to choose the right and efficient anti-wind device by calculating the stress state of portal crane in varied wind disasters.

Key words: portal crane, anti-wind device

1、引言

由于受全球气候变化的影响，近十年来台风或突发性阵风的发生日趋频繁，其对港口大型机械造成灾难性损毁的事故日趋增多。这不仅影响码头的正常生产，同时也给港口造成巨大的经济损失。因此研究和改进港口装卸设备的防风抗台装置对保障港口的安全生产、保护国家和人民的财产均有重要意义。门座起重机是港口码头前沿使用最多的装卸设备，其结构复杂，受风作用影响大。因此本文以港口门座起重机为例，简单分析港口装卸设备防风装置的计算与选择

2、港口门座起重机结构形式与风作用的关系

门座起重机金属结构通常由臂架系统、转台与转柱、人字架及门架等组成，其制造通常采用箱形结构和桁架结构。箱形结构用钢板焊接制成，而桁架结构可用角钢、槽钢、工字钢和无缝钢管等材料制作，因其母材细长和漏空结构，所以桁架结构的迎风面积比箱形结构要小得多。由于在同等级风力作用下，起重机遭灾的可能性与自身迎风面积和体型系数成正比，因此防风装置的选取与起重机自身的结构设计密切相关。

3、风灾事故发生的状况及其分析

门座起重机在设计时，充分考虑了风作用载荷，因此，起重机本身不会被风吹垮，防风主要是防其在任何情况下不被风吹动。因为起重机质量大，一旦被风吹动将有很大的动能，难以制止，从而导致事故。起重机由风吹作用发生事故，有两种情况：一是起重机整机失稳倾覆；二是起重机被风吹着沿轨道滑移。

港口起重机设计时必须满足稳定性条件，在此基础上再作强度、刚度校核。稳定性条件的计算已包括了水平和垂直方向风载荷的影响，故起重机一般不会出现零腿压，更不会出现负腿压，也不会出现上拔力。但当起重机遇到超出设计风速的特大风或龙卷风作用时，上拔力可能会出现。当上拔力足够大时，将造成起重机整机倾覆。

另一方面，当水平方向的风力过大而超过起重机自身静摩擦阻力时，起重机将被风吹着沿轨道快速移动，积聚动能。若与另一台静止的起重机或轨道端部的车挡相撞时，其一侧门腿的大车缓冲器受到阻挡而使起重机迅速减速，产生很大的水平惯性载荷，该载荷与水平方向的风力共同作用，使得另一侧门腿被抬起，起重机重心转到大车基距以外，造成直接倾翻倒塌。这是港口起重机事故中经常出现的情况。因此，选取有效合适的防风装置，在起重机设计中是防止起重机发生风灾事故的重要手段。

4、防风装置的计算与选择

起重机在工作状态下突遇阵风，水平风力急剧增大，此时应该通过实时增加起重机水平方向的摩擦阻力来抵消风力使起重机不被吹移。增加起重机水平方向摩擦阻力有两种途径，一是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。二是通过安装另外的装置来增加额外的摩擦阻力。以下通过计算说明在阵风作用下确保工作中的起重机不被风吹移须增加摩擦阻力的大小以及如何选取适合的防风装置。

4.1增加自身摩擦阻力

在大车从动轮上，采用轮边制动器、夹轮器、防风铁楔制动器等防风装置都可以阻止从动车轮的滚动。门座起重机由于回转惯性力的影响，工作中应使车轮有一定的游动量，以释放载荷，故采用防风铁靴制动器较为合适。例如：将防风铁楔制动器安装在大车从动车轮上，可使车轮的滚动摩擦变成楔块与轨面的滑动摩擦，依靠其较大的摩擦力将轮子楔死。（见图1）

由腿压计算可以求出每个轮子上的压力P轮，再由静力平衡条件得：

（1）

（2）

＝（3）

由整机水平方向平衡得：

n1P轮f滑+ n2P轮f滚+( F1+ F2) n3= F风，（4）

（5）

式中：F1－轮子与地面的摩擦力；

F2－铁楔与地面的摩擦力；

－轮子、铁楔与地面滑动摩擦系数；

F风’－每个轮子所受的水平风力；

n1、n2、n3－驱动轮、未装制动器的从动轮、装制动器的从动轮；

F风－风载荷（通常取35m/s风速）。

图1、防风铁楔自动器及车轮受力图

4.2增加额外摩擦力

目前大多数港口门座起重机要求采用半数以上车轮驱动。通常制动器设在驱动机构高速轴端，在整机受风作用后，驱动轮相对轨面呈滑移状态，从动轮相对轨面呈滚动状态。如果起重机自身摩擦阻力不足以克服风作用力，则可以通过独立于车轮以外的装置来增加额外的摩擦力，通常选用电动铁靴。

由整机水平方向力平衡得：

n1P轮f滑+ n2P轮f滚+tF＝F风（6）

（7）

式中：n1－驱动车轮个数；

n2－从动车轮个数

t－防爬装置个数；

F－每个防爬装置所能提供的水平力。

5、小结

港口大型起重机安装防风防爬装置的主要目的都是为了增加起重机的摩擦阻力，以抵消风力的影响。而增加摩擦阻力主要有两种途径：一是将起重机自身轮子的滚动摩擦变为滑动摩擦；二是通过添加防风装置来增加额外摩擦阻力。通过经验的判断及实例的证明可知，以上选择防风装置的方法在实际工作中是可行的。在不同的工作状态下根据需要选取不同的防风装置有效地防止了灾难性事故的发生。

参考文献：

[1]张质文、虞和谦等，起重机设计手册，北京：中国铁道设计手册，2001年

[2]李士瀛、由清育等，现代港口机械技术，北京：人民交通出版社，1995年

[3]Ing.J.Verschoof著，起重机设计、使用和保养，上海：上海科学技术出版社，2002年

[4]蒋国仁，港口起重机械，大连：大连海事大学出版社，1995年

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。