林梅 上海鐵路局貨運(yùn)處

鐵路貨場(chǎng)門式起重機(jī)防風(fēng)裝置的計(jì)算與選擇

林梅 上海鐵路局貨運(yùn)處

分析鐵路貨場(chǎng)門式起重機(jī)在風(fēng)力作用下發(fā)生事故的狀況及其原因，并通過不同工況和不同風(fēng)力作用下，門式起重機(jī)受力情況的分析計(jì)算，給出選取防風(fēng)裝置的方法和實(shí)踐證明有效的防風(fēng)裝置。

鐵路貨場(chǎng)；門式起重機(jī)；防風(fēng)裝置；計(jì)算改進(jìn)

鐵路貨場(chǎng)門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱起重機(jī)）是裝卸笨重貨物和集裝箱的主要機(jī)械。其作業(yè)和停放處于露天狀態(tài)，迎風(fēng)面積大，承受較大的風(fēng)載荷，對(duì)防風(fēng)裝置及技術(shù)要求較高。盡管使用單位對(duì)起重機(jī)的防風(fēng)措施不斷加強(qiáng)，近年來，起重機(jī)被大風(fēng)吹動(dòng)引起脫軌或傾覆的事故仍時(shí)有發(fā)生，影響了鐵路貨場(chǎng)的安全生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此研究和進(jìn)一步改進(jìn)起重機(jī)防風(fēng)裝置有著重要的意義。

1 起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生的狀況分析

起重機(jī)在風(fēng)力作用下發(fā)生事故的情況通常是：起重機(jī)在工作中突遇大風(fēng)，水平方向的風(fēng)力大于起重機(jī)與軌道的靜摩擦阻力時(shí)，起重機(jī)被風(fēng)吹著沿軌道快速滑移，動(dòng)能不斷增大，直至撞上軌道盡頭端檔，撞壞端檔脫軌，或使起重機(jī)迅速減速，產(chǎn)生很大的水平慣性力，該力與水平方向的風(fēng)力共同作用，使得另一側(cè)支腿被抬起，起重機(jī)重心轉(zhuǎn)到大車輪距以外，整機(jī)傾覆。

起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了風(fēng)載荷的作用，因此起重機(jī)本身結(jié)構(gòu)不會(huì)被風(fēng)吹垮。從事故狀況可以看出，起重機(jī)的防風(fēng)主要是防其在任何情況下不被風(fēng)吹動(dòng)，具有足夠的防風(fēng)抗滑安全性。因?yàn)槠鹬貦C(jī)質(zhì)量大，一旦被風(fēng)吹動(dòng)將有很大的動(dòng)能，難以制止，從而導(dǎo)致事故。同時(shí)要有有效的抗傾覆措施保證起重機(jī)意外被風(fēng)吹動(dòng)后能減速停止。因此選擇有效、合適的防風(fēng)裝置，是防止起重機(jī)發(fā)生風(fēng)災(zāi)事故的重要手段。

2 防風(fēng)裝置的計(jì)算與選擇

起重機(jī)在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下防風(fēng)裝置的選取有所不同，通常工作狀態(tài)下用緊急制動(dòng)裝置來防風(fēng)抗滑，非工作狀態(tài)下用預(yù)防防風(fēng)裝置來固定起重機(jī)。下面就這兩種情況分別對(duì)防水平滑移和防失穩(wěn)傾覆來進(jìn)行探討。

2.1 工作狀態(tài)陣風(fēng)作用下的防滑計(jì)算

目前大多數(shù)鐵路貨場(chǎng)門式起重機(jī)大車走行機(jī)構(gòu)沒有采用全驅(qū)動(dòng)形式，通常只在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高速軸端設(shè)二級(jí)防風(fēng)制動(dòng)器實(shí)施緊急防風(fēng)。

工作中突遇大風(fēng)時(shí)，司機(jī)控制大車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)斷電，二級(jí)防風(fēng)制動(dòng)器動(dòng)作，在車輪處產(chǎn)生足夠制動(dòng)力矩阻止驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪與鋼軌間產(chǎn)生靜摩擦阻力。當(dāng)風(fēng)力大于驅(qū)動(dòng)輪與鋼軌間的靜摩擦阻力時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪相對(duì)與軌面呈滑移狀態(tài)，從動(dòng)車輪相對(duì)軌面呈滾動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)通過實(shí)時(shí)增加起重機(jī)水平方向的摩擦阻力來抵御風(fēng)力使起重機(jī)不被吹移。增加起重機(jī)水平方向摩擦阻力有兩種途徑：一是將從動(dòng)輪的滾動(dòng)摩擦變成滑動(dòng)摩擦，利用起重機(jī)自重增加摩擦阻力；二是通過加裝另外的裝置來增加額外的摩擦阻力。

2.1.1 利用起重機(jī)自重增加摩擦阻力

目前常用在從動(dòng)輪處設(shè)置活絡(luò)鐵鞋阻止從動(dòng)輪滾動(dòng)的方法，因?yàn)樾枰謩?dòng)放置，車輪滾動(dòng)后難以實(shí)施，存在安全隱患，故效果不佳。而在從動(dòng)輪上加裝可以集中控制的輪邊制動(dòng)器、夾輪器等緊急防風(fēng)裝置是不錯(cuò)的選擇。不同型號(hào)規(guī)格的起重機(jī)，所需制動(dòng)的從動(dòng)輪個(gè)數(shù)可以不同。

以起重機(jī)工作狀態(tài)的風(fēng)力沿著走行方向作用、有不利于防滑的最大坡度和最小的運(yùn)行阻力的工況，計(jì)算在陣風(fēng)作用下確保工作中的起重機(jī)緊急制動(dòng)后不被風(fēng)吹移所需的摩擦阻力，其驗(yàn)算工公式為：

式中：n1-驅(qū)動(dòng)輪個(gè)數(shù)；

n2-未裝制動(dòng)裝置的從動(dòng)輪個(gè)數(shù)；

n3-裝制動(dòng)器裝置的從動(dòng)輪個(gè)數(shù)；

P輪-車輪輪壓（N）；

f滑-車輪與鋼軌的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；

f滾-車輪與鋼軌的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；

F風(fēng)-工作狀態(tài)下（沿大車運(yùn)行方向）的最大風(fēng)力（N）；

其中：C-風(fēng)力系數(shù)；

Kh-風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

β-風(fēng)振系數(shù)（對(duì)常用起重機(jī)β=1.0）；

A-垂直于方向的迎風(fēng)面積（m2）；

q-計(jì)算風(fēng)壓（N/m2）

PP-坡度引起的滑行力（N）；

PP=Ggy，其中：G-起重機(jī)自重（N）；y-起重機(jī)軌道坡度（‰）；W-起重機(jī)運(yùn)行摩擦阻力（N）；

W=Gω，其中：ω-運(yùn)行摩擦阻力系數(shù)，對(duì)滑動(dòng)軸承車輪，取ω=0.015；對(duì)滾動(dòng)軸承車輪，取ω=0.006。

通過驗(yàn)算合理確定需要制動(dòng)的從動(dòng)輪個(gè)數(shù)n3。

2.1.2 增加額外摩擦力

如果起重機(jī)自身摩擦阻力不足以克服風(fēng)作用力，也可以通過獨(dú)立于車輪以外的裝置來增加額外的摩擦力，如可以集中控制緊急實(shí)施的液壓夾軌器或液壓頂軌器。

根據(jù)以下計(jì)算公式計(jì)算所需增加的額外摩擦力來選擇液壓式夾軌器或液壓式頂軌器的額定靜摩擦阻力：

式中∶n1-驅(qū)動(dòng)輪個(gè)數(shù)；n2-從動(dòng)輪個(gè)數(shù)；F-所需增加的額外摩擦力（N）。

2.2 非工作狀態(tài)下的防風(fēng)計(jì)算

起重機(jī)在非工作狀態(tài)下受臺(tái)風(fēng)襲擊一般是預(yù)知情況，可以采取防范措施。錨定裝置是非工作狀態(tài)下防止起重機(jī)沿水平滑移的有效的必備防風(fēng)裝置。起重機(jī)在非工作狀態(tài)下，應(yīng)實(shí)施錨定預(yù)防防風(fēng)裝置，同時(shí)緊急防風(fēng)制動(dòng)裝置應(yīng)處于實(shí)施狀態(tài)，確保起重機(jī)足夠的摩擦阻力。此時(shí)起重機(jī)在水平方向主要受3個(gè)力的作用，風(fēng)作用力、摩擦阻力、錨定裝置的水平阻力。

錨定裝置的水平力為：F水=F風(fēng)-F摩；F摩為起重機(jī)所受的總摩擦力。

起重機(jī)相關(guān)安全規(guī)程規(guī)定，起重機(jī)有錨定裝置時(shí)，錨定裝置應(yīng)能獨(dú)立承受起重機(jī)非工作狀態(tài)下的風(fēng)載荷。設(shè)計(jì)選擇錨定裝置時(shí)，不考慮緊急防風(fēng)裝置的防風(fēng)抗滑作用。錨定裝置的安全性的驗(yàn)算式為：F水=F風(fēng)

2.3 防止起重機(jī)整機(jī)傾覆

起重機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)已對(duì)其正常工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的傾覆穩(wěn)定性都進(jìn)行了計(jì)算校驗(yàn)。起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的力矩表達(dá)通式為：

式中：MG、MP、Mi、Mf-分別為起重機(jī)自重、起升載荷、水平慣性力和風(fēng)力對(duì)傾覆線的力矩；

KG、KP、Ki、Kf-分別為上述四類載荷的載荷系數(shù)。

前述事故分析看出，防止起重機(jī)整機(jī)傾覆主要考慮起重機(jī)在工作中，突遇大風(fēng)，防滑失效時(shí)的惡劣工況。工作中突遇大風(fēng)，防滑失效的起重機(jī)被風(fēng)吹動(dòng)在軌道上移動(dòng)，積聚動(dòng)能，撞上端檔，產(chǎn)生的水平慣性力加上風(fēng)力作用足以使∑M≤0時(shí)，起重機(jī)失穩(wěn)傾覆。此時(shí)應(yīng)通過減小水平慣性力距Mi和增加反傾覆力矩使得∑M≥0，來避免起重機(jī)傾覆事故的發(fā)生。

通常起重機(jī)緩沖器及大車走行軌道盡頭端檔的設(shè)計(jì)是為了緩解正常作業(yè)中起重機(jī)行程限位失效等情況下與軌道端檔之間發(fā)生的碰撞，減小起重機(jī)的水平慣性力預(yù)防脫軌，但并不能適應(yīng)風(fēng)力作用下失控的起重機(jī)與軌道端檔之間的高速碰撞。

沈陽中鐵安平制動(dòng)技術(shù)開發(fā)有限公司的專利產(chǎn)品防翻緩沖地錨是一種有效的防傾覆裝置（如圖1所示）：

圖1 防翻緩沖地錨結(jié)構(gòu)示意圖及組成

防翻緩沖地錨的地錨裝置設(shè)在走行線端頭，與軌道和走行基礎(chǔ)連成一體，緩沖裝置安裝在起重機(jī)走行梁上，與起重機(jī)連成一體。起重機(jī)被風(fēng)吹動(dòng)在軌道上移動(dòng)至軌道端頭時(shí)，地錨裝置的地錨套自動(dòng)套住緩沖器上的闖桿，地錨套強(qiáng)制推動(dòng)闖桿上的闖板，彈簧緩沖器和滑道緩沖器先后兩次增力緩沖，吸收起重機(jī)大部分動(dòng)能，有效降低起重機(jī)的水平慣性力。同時(shí)，由于緩沖時(shí)地錨的位置位于走行梁后半部，緩沖器闖桿自動(dòng)鉤住地錨不放而產(chǎn)生反傾覆力矩，使其安全停住而不翻倒，有效地防止了傾覆事故的發(fā)生。

3 結(jié)束語

通過起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故分析及起重機(jī)受風(fēng)力作用不同工況下的受力分析計(jì)算表明，防止起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故的發(fā)生，主要依靠安裝有效的防風(fēng)裝置來從以下兩個(gè)方面來保證：一是增加起重機(jī)的摩擦阻力，以抵消風(fēng)力的影響，防止起重機(jī)在任何情況下被風(fēng)吹動(dòng)；二是減少起重機(jī)的水平慣性力矩和增加反傾覆力矩，避免在風(fēng)力作用下防滑失效被風(fēng)吹動(dòng)的起重機(jī)脫軌、傾覆事故的發(fā)生。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷和實(shí)例證明，以上選擇防風(fēng)裝置的方法在實(shí)際工作中是可行的。針對(duì)不同型號(hào)規(guī)格的起重機(jī)，根據(jù)不同的工況條件下的分析計(jì)算，選取合適的防風(fēng)裝置，不斷改進(jìn)防風(fēng)裝置的防風(fēng)性能，可以有效地防止起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故的發(fā)生。

[1]張質(zhì)文,虞謙和,王金諾等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).中國(guó)鐵道出版社.2001.

[2]起重機(jī)械安全規(guī)程.GB6067-2010.

[3]鐵路貨場(chǎng)橋式、門式起重機(jī)防風(fēng)制動(dòng)裝置技術(shù)條件.TB1428-90.

責(zé)任編輯：王華 于建明
來稿日期：2014-01-23