风力自锁防爬器对岸边集装箱起重机端梁结构影响分析

赵吉刚 程大庆 房本用 邱亚越 李少良

1 辽宁港口集团有限公司 2 盘锦港集团有限公司集装箱分公司 3 武汉开锐海洋起重技术有限公司

1 引言

近年来我国沿海频繁遭遇强台风等恶劣气候，给沿海的港口生产作业带来巨大的影响。岸边设备使用年限较后方堆场设备要长，设备上配置的各类防风装置部分已失效或不具备防风抗滑的能力[1]。同时起重机在设计过程中，对设备的稳定性计算校核和在锚定位的防风能力校核较为严苛，但对于设备在非锚定位防阵风能力的设计校核重视不足，由此导致突发阵风天气时这些岸边设备存在巨大的防风安全隐患。

辽宁港口集团盘锦港区位于渤海湾，港区面临突发阵风的恶劣气候条件，部分岸桥于2003年开始投入使用，为防止设备的防风抗滑装置在突发阵风下失效或能力不足，必须要对现有的防风设备进行计算校核，对于失效或能力不足的防风设备，必须采取相应的措施提升其防风能力。

2 岸桥现有设备防阵风能力分析

港口设备常见的防风抗滑装置主要的有3类：顶轨类、夹轨类以及锚定类[2]。顶轨类的防风抗滑装置有顶轨器、夹轮器、电动铁楔、惯性制动器等。这类设备一般通过阻止车轮转动，依靠设备自重产生顶轨滑动摩擦力，其提供的防滑摩擦力有限，且使用数量多，维护量较大，调整困难，容易失效。夹轨类的防风抗滑装置主要有液压式夹轨器，其夹紧力一般由液压、弹簧等外力提供，防滑力恒定，但无法适应轨道高低落差和轨道与起重机台车中心偏离。锚定类的防风抗滑装置能够在锚定位提供较大的防风抗滑能力，其缺点是设备只能在特定的位置防风，在非锚定位无法起作用。

辽宁港口集团盘锦港区岸桥使用防风拉杆和锚定装置作为非工作状态下的防风设备，电机制动器和夹轮器作为工作状态下的防风设备。为便于对岸桥的防风抗滑能力进行研究，对现有的岸桥进行抽检，抽检岸桥的初始设计参见表1。

表1 抽检岸桥的初始参数表

抽检岸桥现有的防滑力依靠制动器和夹轮器来提供，其防风抗滑能力取决于车轮与轨道的摩擦力和车轮制动力大小。当车轮与轨道的摩擦力大于车轮的制动能力时，车轮开始滚动，车轮的制动能力即为该车轮的防风抗滑能力；当车轮与轨道的摩擦力小于车轮的制动能力时，车轮滑动，车轮与轨道的摩擦力即为该车轮的防风抗滑能力。行走电机制动器和夹轮器的参数见表2。

表2 行走电机制动器和夹轮器参数表

由行走电机制动器的参数可知：

(1)

式中，Fz为制动器的制动力矩能够提供的最大防风抗滑力，N；Mz为制动器的制动力矩，Nm；i为制动器传动比；D为车轮直径，m。

车轮与轨道的摩擦系数取f=0.1，则制动器能够保证主动车轮不滚动时的最大轮压为529 kN。当主动轮的轮压小于529 kN时，制动器的制动力矩能够制止车轮滚动，此时主动车轮与轨道的摩擦力即为该主动轮提供的防风抗滑能力；当轮压超过529 kN后,制动器制动力矩不足,此时制动器制动力矩产生的防风抗滑能力为52.9 kN。同理可知，夹轮器能够保证被动车轮不滚动时的最大轮压为1 500 kN。当被动轮的轮压小于150 t时，夹轮器的制动能力能够保证车轮不滚动，此时车轮与轨道的摩擦力即为被动轮产生的防风抗滑能力；当轮压超过1 500 kN后，夹轮器的制动能力不足，夹轮器的制动力即为该被动轮产生的防风抗滑能力，即为150 kN。根据上述分析可知各支腿下单个主动轮和被动轮提供的防风抗滑力见表3。

表3 单个制动器和夹轮器提供的防风抗滑能力表

岸桥的制动器和夹轮器均布在4个支腿的车轮上，每个支腿上分布2台制动器和5个夹轮器。根据表3可知设备现有的防滑装置总防风抗滑能力为963.7 kN，对应风速为31.7 m/s，风力等级为11级(28.5 m/s<风速<32.6 m/s)，不满足交通运输部2018年发布的《港口大型机械防阵风防台风安全工作指南》中规定，内河港岸边设备防阵风能力不小于30 m/s，沿海港口岸边设备防阵风能力不小于35 m/s的防风要求，设备存在较大的安全隐患，需要采取一定的措施增强设备的防风抗滑能力。

3 岸桥防风能力提升改造

1.岸桥端梁 2.锚定立柱 3.锚定装置 4.风力自锁防爬器立柱 5.风力自锁防爬器图1 岸桥端梁下安装风力自锁防爬器示意图

为解决岸桥防风抗滑能力不足的难题，拟在岸桥的海陆侧横梁下的锚定装置旁各增加1台风力自锁防爬器(见图1)，通过机械装置将风力转化为沿轨道水平方向的分力和垂直于轨道方向的分力。水平方向的分力通过杠杆放大，对轨道侧面产生夹轨力，进而产生防风抗滑摩擦力，即风力自锁防爬器的防风抗滑力来源于风力且与风力成正比，风力越大，防爬器产生的防滑力就越大。风力自锁防爬器能够沿轨道任意位置机械式自锁，显著提高设备沿轨道抗滑能力。

3.1 受力分析

风力自锁防爬器加装在原有的横梁上，根据风力自锁防爬器的工作原理，将端梁的受力F0分解为水平载荷Ff与竖直载荷F1(见图2)。防风状态时产生的水平和竖直方向的载荷直接作用在结构横梁上，为防止这些载荷对横梁的强度和刚度产生较大影响，需要对改造后的岸桥端梁结构进行分析。

图2 岸桥端梁受力分析模型示意图

3.2 横梁结构分析结果

根据抽检岸桥的设计参数可知，在35 m/s的风速下，风力自锁防爬器需要提供的防滑力Fw为：

Fw=CqAKh=1.2×0.615×352×985×1.32

=1 175 445.8 N

(2)

式中，Fw为风力自锁防爬器需要提供的防滑力，N；C为风力系数，取1.2；q为计算风压q=0.615 V2，Pa；A为设备最大迎风面积，；Kh为风高系数，取1.32。

根据风载荷的计算结果可知，风力自锁防爬器选用SFZ60系列，单个防爬器能够提供的防滑力为600 kN，海陆侧共同起作用时防滑力为1 200 kN。根据岸桥的结构尺寸，使用ANSYS建立结构分析模型，计算岸桥端梁在35 m/s的风速下的强度和刚度(见图3)。通过结构计算分析结果可以看出，岸桥端梁最大位移位于端梁中间位置处，为3.84 mm；最大应力值位于端梁中间加装风力自锁防爬器处，为127.3 MPa。

图3 端梁结构强度及刚度分析结果

由岸桥端梁的材料明细可知，端梁的材料均为Q235,屈服强度δs为235 MPa，抗拉强度δb取500 MPa，依据δs/δb=235/500=0.47，许用安全系数[n]=1.34，许用应力δ为：

(3)

由式3可知，材料Q235的许用应力为175 MPa，远大于岸桥横梁的有限元模型的最大应力127.3 MPa，端梁加装风力自锁防爬器后的强度校核合格。岸桥端梁的最大变形位移必须小于1/750端梁的长度(长度为16 000 mm)，即位移必须小于21.3 mm，计算获得的最大值为3.84 mm，刚度校核合格。综上所述，岸桥端梁加装风力自锁防爬器后主梁的强度和刚度均在材料的许用范围内，由此得出岸桥端梁结构加装风力自锁防爬器满足使用要求。

4 结语

针对岸桥现有的防风装置防风抗滑能力不足问题，加装风力自锁防爬器提高岸桥防风抗滑能力，通过对安装风力自锁防爬器的端梁结构进行有限元计算分析，得出加装风力自锁防爬器后，岸桥端梁的结构强度和刚度满足安全使用要求。