轮边制动器下起重机的抗风防滑机理研究＊

薛志钢 苏文胜 巫 波 黄海润

1 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院 无锡 214174 2 国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心 无锡 214174 3 江南大学 无锡 214122

0 引言

起重机的抗风防滑性能是大型起重机重要考虑的因素，特别是在港口码头上的起重机，经常会遇到突遇的大风。以前常用的起重机抗风防滑装置有铁鞋、锚定装置、顶轨器和夹轨器等[1]，但这些装置有的不能在司机室进行远程控制，当突遇大风时不能及时地对起重机进行制动；有的由于将起重机抗风防滑力仅仅依靠两个单点制动，容易对轨道产生一定的影响。轮边制动器能够很好地解决以上问题，实行司机端远程控制，并将抗风防滑力通过车轮均匀作用在轨道上，不会对轨道产生较大冲击荷载，进而起到保护轨道的作用。有学者提出了室外起重机轮边制动器的防风制动方案[2]，电动轮边制动器具有功能绿色、不存在漏油的情况出现被广泛的应用[3，4]，方便对轮边制动器的自动化控制实现ABS防抱死功能[5]，起到柔性刹车的功能，在保证起重机抗风防滑能力的同时进一步保护轨道。基于以上优势，轮边制动器被越来越多地应用在起重机上，但其在工作中如何通过摩擦力传递至轨道，轨道对车轮摩擦及与制动器制动力之间关系目前还缺少相关的研究工作，本文基于以上问题开展研究工作。

1 理论分析

首先以车轮架为研究对象，车轮架受力示意图如图1所示，其中在1号车轮上安装轮边制动器，2号车轮自由转动，车轮在荷载作用下做平面运动，故在A点和B点的主矩为零。

由此可得两个车轮的轮压为

由此可知，起重机在运行过程中，由于惯性力和轮边制动器的作用，车轮架下的两个车轮轮压并不是相等的。提取单个车轮作为研究对象，如图2所示，对C点求矩，则有

图1 车轮架受力示意图

图2 车轮受力示意图

由式（5）可知，当f≤FNμ静时，随着轮边制动器制动力的增加，f逐渐增加；当f＝FNμ静时，轨道对车轮的制动力无法提供车轮转动所需摩擦力，此时车轮由滚动变为滑动，此时f＝FNμ动，因为μ静＞μ动，起重机的抗风能力缩减。故提高车轮对轨道的压力FN，增加轨道与车轮之间的摩擦力，才能使轮边制动器更好地发挥制动能力，由式（3）和式（4）可知，同一车架下车轮轮压不等，故在轮边制动器制动能力充足的情况下，沿风荷载方向的车轮上布置轮边制动器能够有效地提高起重机的抗风防滑性能。由此可知轮边制动器下的起重机抗风防滑能力是缘于轮边制动器提供给车轮一定的转动阻力，同时在起重机的惯性荷载作用下，车轮与轨道之间产生使车轮转动的摩擦力，车轮开始做减速平面运动。随着制动能力的增加，车轮与轨道之间的摩擦力足以提供车轮转动时，车轮开始由转动变为滑动，做平移运动，直至起重机完全停止或倾覆。

2 起重机的动力学分析

基于ADAMS建立起重机—轨道—轮边制动器的多体动力学模型，在文献[6]中已对模型的建立做了详细说明，在此不做详述。图3为车轮的轮边制动器布置图，图4为提取各个车轮与轨道之间的压力和摩擦力。

图3 轮边制动器配置图

图4 车轮轮压分布

一条轨道上车轮对轨道压力的最大值和最小值相差174.1 kN，在同一个车轮架下，有轮边制动器的车轮轮压大于无轮边制动器的车轮轮压。一条轨道上车轮对轨道的压力并不是沿着轨道长度方向呈现线性关系，以主梁支腿为界，在主梁正风压一侧的车轮（5、6、7、8号支架下的车轮）轮压低于起重机静止下的轮压；在主梁负风压一侧的车轮（1～4号支架下的车轮）轮压高于起重机静止下的轮压。由于平衡梁跨度较大，造成16号车轮轮压相对于17号车轮轮压发生较大突变。

结合图4、图5可知，由于惯性力和轮边制动器制动力的影响，车轮轮压分布不同，造成轨道提供给起重机的抗风防滑能力不同，两者呈彼此对应的关系。

图5 车轮与轨道之间的摩擦力

3 起重机抗风防滑因素分析

由以上分析可知，轮边制动器下的起重机抗风防滑能力主要依靠制动器的制动力和轨道与车轮之间的摩擦力协调配合。两者的摩擦力与正压力和摩擦系数相关，改变其中任何一个参数，都可以直接改变相应的摩擦力。通过改变两者的摩擦系数改变相应的摩擦力如表2所示。其中轮边制动器闸瓦的静摩擦系数为0.4，动摩擦系数为0.35，车轮与轨道的静摩擦系数为0.14，动摩擦系数为0.12，动/静摩擦系数同步降低。

在制动闸瓦摩擦系数降低到90%之前，并不会对起重机的抗风防滑性能造成较大程度的影响，主要因为在90%μ、100%μ、110%μ三种工况下，轮边制动器具有足够大的制动力，而轨道与车轮之间的摩擦力较小，无法提供车轮转动所需力矩，故在轮边制动器工作时，多数车轮处于滑动状态，此时轨道对车轮的摩擦力多是动摩擦，再增加轮边制动器的制动性能对轨道和车轮的摩擦力影响甚微。由此可知，单纯地依靠增大轮边制动器的制动力，当增加到极限值时，对起重机抗风防滑能力的提高没有任何意义，但通过对数据的分析可知，110% μ下起重机的制动时间和制动距离相比于100%μ有一定增加，主要因为在110%μ下，摩擦系数增加造成摩擦力增加，1号车轮制动器还未完全抱闸就开始由滚动转为滑动，同时轨道对车轮的摩擦力也由滚动摩擦转为滑动摩擦，降低了起重机的抗风防滑能力。

在80%μ工况下的起重机抗风防滑能力优于70%μ，在这一类工况中，增加轮边制动器的制动性能对提高起重机的抗风防滑能力起到主导作用，随着轮边制动器制动能力的增加，轨道与车轮之间的摩擦力逐渐增加，使起重机的抗风防滑能力得到有效的提高。

在轮边制动器配备足够的情况下，轨道与车轮之间摩擦系数的减少对起重机的抗风防滑能力的影响较大，当摩擦系数降低到80%μ以下时，制动加速度与起重机运行速度方向一致，起重机处于一致加速状态，直至发生碰撞、倾倒或跌入海中。当摩擦系数大于90%μ时，起重机抗风防滑能力随摩擦系数的增强逐渐增加，且此时滑动车轮的个数逐渐减少，滚动车轮的个数逐渐增加，但当增加到一定程度时，起重机抗风防滑能力趋于极限值，此时所有的车轮都处于滚动状态，在该种情况下如果再提高起重机的抗风防滑能力，就需要提高轮边制动器的制动能力。

表2 起重机制动性能

通过以上分析可知，起重机的抗风防滑能力的提高并不是单纯地依靠增强起重机轮边制动器的制动能力，而是轮边制动器制动能力和轨道对车轮摩擦力两者相互配合的结果，具体如图6所示。

图6 轮边制动器与轨道摩擦系数配置图

在强风荷载作用下，安装有轮边制动器的车轮处于三种状态：纯滚动、滚动滑动相结合、纯滑动。当车轮处于纯滚动状态，此时轮边制动配备不足，安全系数较低，在提高起重机抗风防滑能力方面，轮边制动器占主导地位，解决方法为增加轮边制动器数量或提高制动能力；当车轮处于纯滑动状态时，此时轮边制动器冗余度较高，相应地起重机的成本也较高，在提高起重机抗风防滑能力方面，轨道摩擦系数占主导地位；当车轮处于滚动和滑动相结合的状态时，综合考虑成本和抗风防滑能力，性价比较高，轨道摩擦系数在提高起重机抗风防滑能力上占主导地位。

为了增加起重机的安全系数，起重机轮边制动器的配置要有一定的冗余度，配备制动器车轮处于滚动和滑动状态，通过制动闸瓦和轨道摩擦系数降低的对比发现，轨道摩擦系数的降低更容易造成起重机抗风防滑失效。

4 结论

1）对轮边制动器下的起重机抗风防滑能力进行了理论分析，分析了运行过程中轮压的分布，以及轨道对车轮摩擦力和制动器制动力的关系，研究了轮边制动器作用下的起重机抗风防滑机理。

2）基于起重机—轮边制动器—轨道建立的起重机多体动力学模型，分析了轨道轮压和轨道对车轮摩擦力的分布规律，研究了两者的关系。

3）通过改变轮边制动器和轨道的参数，对影响起重机的抗风防滑能力的因素进行了分析，通过分析发现轨道摩擦系数的降低对起重机抗风防滑能力影响较大，并对轮边制动器配置的合理性和有效性进行了研究。