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)或臨時停車狀態(tài)遭受突發(fā)性陣風(fēng)或臺風(fēng)時，操作人員來不及將起重機(jī)移動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)吹動并沿大車軌道快速移動，有可能車輪已被制動但仍產(chǎn)生滑動或半滾半滑狀態(tài)，積蓄了大量的動能，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，及時采取措施制止起重機(jī)運(yùn)動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，已廣泛用于國內(nèi)外多個碼頭。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)時響應(yīng)，能有效防止軌道行走式起重機(jī)因無預(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、制動靴、限位檢測開關(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)與電動推桿連接并控制連桿機(jī)構(gòu)的動作。連桿的中間位置連接柔性鏈條裝置并與下部制動靴相連接，通過連桿的動作實(shí)現(xiàn)接地靴的起升和下降。柔性鏈條的長度可根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場調(diào)節(jié)，以保證工作及非工作狀態(tài)制動靴的狀態(tài)。

4）制動靴裝置 該裝置是與軌道面接觸時產(chǎn)生抗滑移能力的重要部件，制動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 壓輪裝置通過銷軸與主體支承結(jié)構(gòu)剛性連接，可與制動靴裝置聯(lián)合作用，將水平風(fēng)力通過壓輪與制動靴斜面轉(zhuǎn)化為制動靴對于軌道的垂直壓力，是產(chǎn)生抗滑移性能的主要動力。

6）限位檢測裝置 該裝置由水平和豎直感應(yīng)限位組成，可通過限位與感性板的相對位置變化將信號傳遞給整機(jī)電控系統(tǒng)中，以便于系統(tǒng)識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)過預(yù)報(bào)的臺風(fēng)時，錨定裝置還未及時插入錨定坑內(nèi)，即上述中港口事故多發(fā)的情況，此時風(fēng)力自鎖防爬裝置可以保持整個起重機(jī)不出現(xiàn)滑移。

風(fēng)力自鎖防爬裝置的工作狀態(tài)可通過限位進(jìn)行監(jiān)測，并將信號提供給電氣控制系統(tǒng)，同時電控系統(tǒng)可以根據(jù)大車運(yùn)行狀態(tài)控制連桿機(jī)構(gòu)的動作。當(dāng)起重機(jī)大車運(yùn)行時，連桿機(jī)構(gòu)通過鏈條將制動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，連桿機(jī)構(gòu)將制動靴放到軌道表面，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靴上部靴架的斜面上，制動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。以上操作簡單，無需人為控制，制動靴工作與非工作狀態(tài)示意圖如圖3 所示。

圖3 制動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，制動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)一步研究制動靴的抗滑移安全性能及影響因素，本文通過簡化力學(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)載荷作用下制動靴支架斜面對壓輪產(chǎn)生的反力及壓輪對斜面壓力；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為軌道面對制動靴的支承力；Ff 為軌道面與制動靴產(chǎn)生靜摩擦力；α為制動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，以壓輪為研究對象可得

以制動靴裝置為研究對象可得

設(shè)制動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)力越大制動靴與軌道的摩擦系數(shù)越大，制動靴坡角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，整機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

軌道制動影響抗風(fēng)能力的因素較多，特別是摩擦系數(shù)的影響會造成防爬裝置性能不穩(wěn)定。防爬裝置的制動靴采用齒式結(jié)構(gòu)，軌道制動所產(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，軌道制動所能產(chǎn)生的抗風(fēng)阻力是一個不穩(wěn)定的值。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)表明：軌道制動的當(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，軌道制動方式的摩擦系數(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)時一般取μ＝0.4，α＝15°，即

由式（6）可知，風(fēng)力自鎖制動器的抗滑移能力隨風(fēng)力的增大而增大。制動靴產(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，具有安裝使用簡單、可靠性高、能增強(qiáng)起重機(jī)作業(yè)防風(fēng)等級等優(yōu)點(diǎn)。

3 制動靴摩擦力作用原理與影響因素

3.1 制動靴摩擦力作用原理

風(fēng)力自鎖防爬裝置結(jié)構(gòu)簡單，抗滑移能力可靠，但制動效果仍會受到外部因素的影響。風(fēng)力自鎖防爬裝置由制動靴與軌道頂面組成制動副的制動方式稱為軌道制動。軌道制動的作用機(jī)理和特點(diǎn)是：由防風(fēng)裝置的制動摩擦塊與起重機(jī)運(yùn)行軌道的頂面形成摩擦副，在制動時給制動摩擦副施加壓力，從而使摩擦副之間產(chǎn)生摩擦阻力來抵抗風(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，與純滑動和純滾動摩擦有明顯區(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（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鑲嵌，則抗風(fēng)阻力R等于滑動摩擦力F。此時軌道制動器已基本失去制動能力，需及時進(jìn)行更換或維修齒形摩擦塊。

3.2 碼頭軌道對風(fēng)力自鎖防爬裝置影響因素

由式（5）可知，制動靴與軌道之間的摩擦系數(shù)對此抗滑移裝置產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。部分碼頭大車軌道的制動面一般都布滿腐蝕斑點(diǎn)和氧化皮，這種腐蝕斑點(diǎn)會對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。

防爬裝置的制動靴通過連桿機(jī)構(gòu)提升離開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，非工作位置時制動靴底部與大車軌道面發(fā)生干涉，將會影響大車正常運(yùn)行；工作位置時制動靴下降距離較大，整機(jī)滑移一定距離壓輪才能作用在制動靴斜面上，產(chǎn)生部分動能，對制動靴下部齒形沖擊較大，嚴(yán)重時會造成軌道的損壞。

軌道制動器用于靜態(tài)制動。軌道制動靠鑲嵌摩擦產(chǎn)生抗風(fēng)阻力，制動靴的制動齒面在動態(tài)制動時會產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊，齒尖無法承受這種沖擊力，在沖擊作用下會瞬間磨損或斷裂，同時破壞軌道的制動面，并在齒面磨平或斷裂后使鑲嵌摩擦失去作用，從而使制動力迅速下降甚至完全失效。因此，制動齒形的設(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移動阻力。

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)時充分考慮制動靴摩擦片的材質(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)過最初研發(fā)到首臺設(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 年歐洲某大型自動化港口岸橋項(xiàng)目，到目前國內(nèi)外已有20 余個項(xiàng)目均有使用，確保了碼頭設(shè)備防風(fēng)制動的安全性，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)對起重機(jī)的影響，部分陳舊設(shè)備在突發(fā)陣風(fēng)時存在夾輪器打滑無法剎住車輪的情況，給設(shè)備安全帶來隱患。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越關(guān)注的問題。如果更換夾輪器的數(shù)量較多，成本就會較高，還存在制動器與車輪匹配的問題。該裝置安裝調(diào)試簡單，成本較低，部分碼頭通過改造的方式增加了此裝置，解決了碼頭設(shè)備大車制動器制動力矩不足產(chǎn)生的滑移問題。

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，無需人為控制，具有安裝使用簡單、可靠性強(qiáng)、可增強(qiáng)設(shè)備作業(yè)防風(fēng)等級、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)和使用過程中要注意以下幾點(diǎn)：

1）軌道制動受布置空間限制，作用點(diǎn)少，一般情況下每臺起重機(jī)安裝2 ～4 套。當(dāng)軌道制動器工作時，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，會減少起重機(jī)大車車輪輪壓，而輪壓的減少又會減小驅(qū)動輪的制動力，削弱驅(qū)動輪的制動防風(fēng)效果。安裝4 套防爬裝置時存在過定位現(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)算時需要注意。

2）軌道面的不平整會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，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)及時檢查制動靴下部齒的磨損情況，當(dāng)齒下部磨損嚴(yán)重時，制動靴與軌道之間的摩擦系數(shù)已降低為鋼對鋼的滑動摩擦系數(shù)，軌道制動器基本失去制動能力，需及時更換或維修齒形摩擦塊，避免出現(xiàn)制動靴失效的情況。

4）一體式錨定風(fēng)力自鎖防爬裝置同時具備了錨定和防爬作用。雖然理論上自鎖防爬裝置對于風(fēng)力越大抗滑移能力越強(qiáng)，但實(shí)際設(shè)計(jì)時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)的臺風(fēng)工況，一般按低于35 m/s 風(fēng)速設(shè)計(jì)。對于有臺風(fēng)預(yù)警的情況，碼頭工作人員要及時將起重機(jī)移動到錨定裝置，并及時插入錨定板及連接防風(fēng)系固裝置，以保證起重機(jī)在臺風(fēng)狀態(tài)下的安全。