趙吉剛 程大慶 房本用 邱亞越 李少良

1 遼寧港口集團有限公司 2 盤錦港集團有限公司集裝箱分公司 3 武漢開銳海洋起重技術(shù)有限公司

1 引言

近年來我國沿海頻繁遭遇強臺風(fēng)等惡劣氣候，給沿海的港口生產(chǎn)作業(yè)帶來巨大的影響。岸邊設(shè)備使用年限較后方堆場設(shè)備要長，設(shè)備上配置的各類防風(fēng)裝置部分已失效或不具備防風(fēng)抗滑的能力[1]。同時起重機在設(shè)計過程中，對設(shè)備的穩(wěn)定性計算校核和在錨定位的防風(fēng)能力校核較為嚴(yán)苛，但對于設(shè)備在非錨定位防陣風(fēng)能力的設(shè)計校核重視不足，由此導(dǎo)致突發(fā)陣風(fēng)天氣時這些岸邊設(shè)備存在巨大的防風(fēng)安全隱患。

遼寧港口集團盤錦港區(qū)位于渤海灣，港區(qū)面臨突發(fā)陣風(fēng)的惡劣氣候條件，部分岸橋于2003年開始投入使用，為防止設(shè)備的防風(fēng)抗滑裝置在突發(fā)陣風(fēng)下失效或能力不足，必須要對現(xiàn)有的防風(fēng)設(shè)備進行計算校核，對于失效或能力不足的防風(fēng)設(shè)備，必須采取相應(yīng)的措施提升其防風(fēng)能力。

2 岸橋現(xiàn)有設(shè)備防陣風(fēng)能力分析

港口設(shè)備常見的防風(fēng)抗滑裝置主要的有3類：頂軌類、夾軌類以及錨定類[2]。頂軌類的防風(fēng)抗滑裝置有頂軌器、夾輪器、電動鐵楔、慣性制動器等。這類設(shè)備一般通過阻止車輪轉(zhuǎn)動，依靠設(shè)備自重產(chǎn)生頂軌滑動摩擦力，其提供的防滑摩擦力有限，且使用數(shù)量多，維護量較大，調(diào)整困難，容易失效。夾軌類的防風(fēng)抗滑裝置主要有液壓式夾軌器，其夾緊力一般由液壓、彈簧等外力提供，防滑力恒定，但無法適應(yīng)軌道高低落差和軌道與起重機臺車中心偏離。錨定類的防風(fēng)抗滑裝置能夠在錨定位提供較大的防風(fēng)抗滑能力，其缺點是設(shè)備只能在特定的位置防風(fēng)，在非錨定位無法起作用。

遼寧港口集團盤錦港區(qū)岸橋使用防風(fēng)拉桿和錨定裝置作為非工作狀態(tài)下的防風(fēng)設(shè)備，電機制動器和夾輪器作為工作狀態(tài)下的防風(fēng)設(shè)備。為便于對岸橋的防風(fēng)抗滑能力進行研究，對現(xiàn)有的岸橋進行抽檢，抽檢岸橋的初始設(shè)計參見表1。

表1 抽檢岸橋的初始參數(shù)表

抽檢岸橋現(xiàn)有的防滑力依靠制動器和夾輪器來提供，其防風(fēng)抗滑能力取決于車輪與軌道的摩擦力和車輪制動力大小。當(dāng)車輪與軌道的摩擦力大于車輪的制動能力時，車輪開始滾動，車輪的制動能力即為該車輪的防風(fēng)抗滑能力；當(dāng)車輪與軌道的摩擦力小于車輪的制動能力時，車輪滑動，車輪與軌道的摩擦力即為該車輪的防風(fēng)抗滑能力。行走電機制動器和夾輪器的參數(shù)見表2。

表2 行走電機制動器和夾輪器參數(shù)表

由行走電機制動器的參數(shù)可知：

(1)

式中，F(xiàn)z為制動器的制動力矩能夠提供的最大防風(fēng)抗滑力，N；Mz為制動器的制動力矩，Nm；i為制動器傳動比；D為車輪直徑，m。

車輪與軌道的摩擦系數(shù)取f=0.1，則制動器能夠保證主動車輪不滾動時的最大輪壓為529 kN。當(dāng)主動輪的輪壓小于529 kN時，制動器的制動力矩能夠制止車輪滾動，此時主動車輪與軌道的摩擦力即為該主動輪提供的防風(fēng)抗滑能力；當(dāng)輪壓超過529 kN后,制動器制動力矩不足,此時制動器制動力矩產(chǎn)生的防風(fēng)抗滑能力為52.9 kN。同理可知，夾輪器能夠保證被動車輪不滾動時的最大輪壓為1 500 kN。當(dāng)被動輪的輪壓小于150 t時，夾輪器的制動能力能夠保證車輪不滾動，此時車輪與軌道的摩擦力即為被動輪產(chǎn)生的防風(fēng)抗滑能力；當(dāng)輪壓超過1 500 kN后，夾輪器的制動能力不足，夾輪器的制動力即為該被動輪產(chǎn)生的防風(fēng)抗滑能力，即為150 kN。根據(jù)上述分析可知各支腿下單個主動輪和被動輪提供的防風(fēng)抗滑力見表3。

表3 單個制動器和夾輪器提供的防風(fēng)抗滑能力表

岸橋的制動器和夾輪器均布在4個支腿的車輪上，每個支腿上分布2臺制動器和5個夾輪器。根據(jù)表3可知設(shè)備現(xiàn)有的防滑裝置總防風(fēng)抗滑能力為963.7 kN，對應(yīng)風(fēng)速為31.7 m/s，風(fēng)力等級為11級(28.5 m/s<風(fēng)速<32.6 m/s)，不滿足交通運輸部2018年發(fā)布的《港口大型機械防陣風(fēng)防臺風(fēng)安全工作指南》中規(guī)定，內(nèi)河港岸邊設(shè)備防陣風(fēng)能力不小于30 m/s，沿海港口岸邊設(shè)備防陣風(fēng)能力不小于35 m/s的防風(fēng)要求，設(shè)備存在較大的安全隱患，需要采取一定的措施增強設(shè)備的防風(fēng)抗滑能力。

3 岸橋防風(fēng)能力提升改造

1.岸橋端梁 2.錨定立柱 3.錨定裝置 4.風(fēng)力自鎖防爬器立柱 5.風(fēng)力自鎖防爬器圖1 岸橋端梁下安裝風(fēng)力自鎖防爬器示意圖

為解決岸橋防風(fēng)抗滑能力不足的難題，擬在岸橋的海陸側(cè)橫梁下的錨定裝置旁各增加1臺風(fēng)力自鎖防爬器(見圖1)，通過機械裝置將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為沿軌道水平方向的分力和垂直于軌道方向的分力。水平方向的分力通過杠桿放大，對軌道側(cè)面產(chǎn)生夾軌力，進而產(chǎn)生防風(fēng)抗滑摩擦力，即風(fēng)力自鎖防爬器的防風(fēng)抗滑力來源于風(fēng)力且與風(fēng)力成正比，風(fēng)力越大，防爬器產(chǎn)生的防滑力就越大。風(fēng)力自鎖防爬器能夠沿軌道任意位置機械式自鎖，顯著提高設(shè)備沿軌道抗滑能力。

3.1 受力分析

風(fēng)力自鎖防爬器加裝在原有的橫梁上，根據(jù)風(fēng)力自鎖防爬器的工作原理，將端梁的受力F0分解為水平載荷Ff與豎直載荷F1(見圖2)。防風(fēng)狀態(tài)時產(chǎn)生的水平和豎直方向的載荷直接作用在結(jié)構(gòu)橫梁上，為防止這些載荷對橫梁的強度和剛度產(chǎn)生較大影響，需要對改造后的岸橋端梁結(jié)構(gòu)進行分析。

圖2 岸橋端梁受力分析模型示意圖

3.2 橫梁結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

根據(jù)抽檢岸橋的設(shè)計參數(shù)可知，在35 m/s的風(fēng)速下，風(fēng)力自鎖防爬器需要提供的防滑力Fw為：

Fw=CqAKh=1.2×0.615×352×985×1.32

=1 175 445.8 N

(2)

式中，F(xiàn)w為風(fēng)力自鎖防爬器需要提供的防滑力，N；C為風(fēng)力系數(shù)，取1.2；q為計算風(fēng)壓q=0.615 V2，Pa；A為設(shè)備最大迎風(fēng)面積，；Kh為風(fēng)高系數(shù)，取1.32。

根據(jù)風(fēng)載荷的計算結(jié)果可知，風(fēng)力自鎖防爬器選用SFZ60系列，單個防爬器能夠提供的防滑力為600 kN，海陸側(cè)共同起作用時防滑力為1 200 kN。根據(jù)岸橋的結(jié)構(gòu)尺寸，使用ANSYS建立結(jié)構(gòu)分析模型，計算岸橋端梁在35 m/s的風(fēng)速下的強度和剛度(見圖3)。通過結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果可以看出，岸橋端梁最大位移位于端梁中間位置處，為3.84 mm；最大應(yīng)力值位于端梁中間加裝風(fēng)力自鎖防爬器處，為127.3 MPa。

圖3 端梁結(jié)構(gòu)強度及剛度分析結(jié)果

由岸橋端梁的材料明細(xì)可知，端梁的材料均為Q235,屈服強度δs為235 MPa，抗拉強度δb取500 MPa，依據(jù)δs/δb=235/500=0.47，許用安全系數(shù)[n]=1.34，許用應(yīng)力δ為：

(3)

由式3可知，材料Q235的許用應(yīng)力為175 MPa，遠(yuǎn)大于岸橋橫梁的有限元模型的最大應(yīng)力127.3 MPa，端梁加裝風(fēng)力自鎖防爬器后的強度校核合格。岸橋端梁的最大變形位移必須小于1/750端梁的長度(長度為16 000 mm)，即位移必須小于21.3 mm，計算獲得的最大值為3.84 mm，剛度校核合格。綜上所述，岸橋端梁加裝風(fēng)力自鎖防爬器后主梁的強度和剛度均在材料的許用范圍內(nèi)，由此得出岸橋端梁結(jié)構(gòu)加裝風(fēng)力自鎖防爬器滿足使用要求。

4 結(jié)語

針對岸橋現(xiàn)有的防風(fēng)裝置防風(fēng)抗滑能力不足問題，加裝風(fēng)力自鎖防爬器提高岸橋防風(fēng)抗滑能力，通過對安裝風(fēng)力自鎖防爬器的端梁結(jié)構(gòu)進行有限元計算分析，得出加裝風(fēng)力自鎖防爬器后，岸橋端梁的結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足安全使用要求。