薛志鋼 蘇文勝 巫 波 黃海潤

1 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院 無錫 214174 2 國家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 無錫 214174 3 江南大學(xué) 無錫 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)時不能及時地對起重機(jī)進(jìn)行制動；有的由于將起重機(jī)抗風(fēng)防滑力僅僅依靠兩個單點(diǎn)制動，容易對軌道產(chǎn)生一定的影響。輪邊制動器能夠很好地解決以上問題，實(shí)行司機(jī)端遠(yuǎn)程控制，并將抗風(fēng)防滑力通過車輪均勻作用在軌道上，不會對軌道產(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)輪邊制動器的防風(fēng)制動方案[2]，電動輪邊制動器具有功能綠色、不存在漏油的情況出現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用[3，4]，方便對輪邊制動器的自動化控制實(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)防滑能力的同時進(jìn)一步保護(hù)軌道。基于以上優(yōu)勢，輪邊制動器被越來越多地應(yīng)用在起重機(jī)上，但其在工作中如何通過摩擦力傳遞至軌道，軌道對車輪摩擦及與制動器制動力之間關(guān)系目前還缺少相關(guān)的研究工作，本文基于以上問題開展研究工作。

1 理論分析

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

由此可得兩個車輪的輪壓為

由此可知，起重機(jī)在運(yùn)行過程中，由于慣性力和輪邊制動器的作用，車輪架下的兩個車輪輪壓并不是相等的。提取單個車輪作為研究對象，如圖2所示，對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，隨著輪邊制動器制動力的增加，f逐漸增加；當(dāng)f＝FNμ靜時，軌道對車輪的制動力無法提供車輪轉(zhuǎn)動所需摩擦力，此時車輪由滾動變?yōu)榛瑒樱藭rf＝FNμ動，因為μ靜＞μ動，起重機(jī)的抗風(fēng)能力縮減。故提高車輪對軌道的壓力FN，增加軌道與車輪之間的摩擦力，才能使輪邊制動器更好地發(fā)揮制動能力，由式（3）和式（4）可知，同一車架下車輪輪壓不等，故在輪邊制動器制動能力充足的情況下，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。由此可知輪邊制動器下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力是緣于輪邊制動器提供給車輪一定的轉(zhuǎn)動阻力，同時在起重機(jī)的慣性荷載作用下，車輪與軌道之間產(chǎn)生使車輪轉(zhuǎn)動的摩擦力，車輪開始做減速平面運(yùn)動。隨著制動能力的增加，車輪與軌道之間的摩擦力足以提供車輪轉(zhuǎn)動時，車輪開始由轉(zhuǎn)動變?yōu)榛瑒?，做平移運(yùn)動，直至起重機(jī)完全停止或傾覆。

2 起重機(jī)的動力學(xué)分析

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

圖3 輪邊制動器配置圖

圖4 車輪輪壓分布

一條軌道上車輪對軌道壓力的最大值和最小值相差174.1 kN，在同一個車輪架下，有輪邊制動器的車輪輪壓大于無輪邊制動器的車輪輪壓。一條軌道上車輪對軌道的壓力并不是沿著軌道長度方向呈現(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號車輪輪壓相對于17號車輪輪壓發(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器制動力的影響，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，輪邊制動器下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力主要依靠制動器的制動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)，改變其中任何一個參數(shù)，都可以直接改變相應(yīng)的摩擦力。通過改變兩者的摩擦系數(shù)改變相應(yīng)的摩擦力如表2所示。其中輪邊制動器閘瓦的靜摩擦系數(shù)為0.4，動摩擦系數(shù)為0.35，車輪與軌道的靜摩擦系數(shù)為0.14，動摩擦系數(shù)為0.12，動/靜摩擦系數(shù)同步降低。

在制動閘瓦摩擦系數(shù)降低到90%之前，并不會對起重機(jī)的抗風(fēng)防滑性能造成較大程度的影響，主要因為在90%μ、100%μ、110%μ三種工況下，輪邊制動器具有足夠大的制動力，而軌道與車輪之間的摩擦力較小，無法提供車輪轉(zhuǎn)動所需力矩，故在輪邊制動器工作時，多數(shù)車輪處于滑動狀態(tài)，此時軌道對車輪的摩擦力多是動摩擦，再增加輪邊制動器的制動性能對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器的制動力，當(dāng)增加到極限值時，對起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力的提高沒有任何意義，但通過對數(shù)據(jù)的分析可知，110% μ下起重機(jī)的制動時間和制動距離相比于100%μ有一定增加，主要因為在110%μ下，摩擦系數(shù)增加造成摩擦力增加，1號車輪制動器還未完全抱閘就開始由滾動轉(zhuǎn)為滑動，同時軌道對車輪的摩擦力也由滾動摩擦轉(zhuǎn)為滑動摩擦，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，增加輪邊制動器的制動性能對提高起重機(jī)的抗風(fēng)防滑能力起到主導(dǎo)作用，隨著輪邊制動器制動能力的增加，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，制動加速度與起重機(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，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，且此時滑動車輪的個數(shù)逐漸減少，滾動車輪的個數(shù)逐漸增加，但當(dāng)增加到一定程度時，起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力趨于極限值，此時所有的車輪都處于滾動狀態(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器的制動能力。

表2 起重機(jī)制動性能

通過以上分析可知，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)輪邊制動器的制動能力，而是輪邊制動器制動能力和軌道對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，安裝有輪邊制動器的車輪處于三種狀態(tài)：純滾動、滾動滑動相結(jié)合、純滑動。當(dāng)車輪處于純滾動狀態(tài)，此時輪邊制動配備不足，安全系數(shù)較低，在提高起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力方面，輪邊制動器占主導(dǎo)地位，解決方法為增加輪邊制動器數(shù)量或提高制動能力；當(dāng)車輪處于純滑動狀態(tài)時，此時輪邊制動器冗余度較高，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)車輪處于滾動和滑動相結(jié)合的狀態(tài)時，綜合考慮成本和抗風(fēng)防滑能力，性價比較高，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)輪邊制動器的配置要有一定的冗余度，配備制動器車輪處于滾動和滑動狀態(tài)，通過制動閘瓦和軌道摩擦系數(shù)降低的對比發(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）對輪邊制動器下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑能力進(jìn)行了理論分析，分析了運(yùn)行過程中輪壓的分布，以及軌道對車輪摩擦力和制動器制動力的關(guān)系，研究了輪邊制動器作用下的起重機(jī)抗風(fēng)防滑機(jī)理。

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

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