基于等效风载模型的门式起重机整体抗风性能检测技术研究

蔡福海，盛 林，高顺德，朱建康

（1.常州机电职业技术学院机械工程学院，江苏常州213164；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏南京210036；3.大连理工江苏研究院有限公司，江苏常州213164）

门式起重机广泛用于室外货物的装卸和搬运作业，在服役多年后，整机制动性能会有所下降。如果不采取有效的抗风防滑措施，起重机在工作状态下突遇强阵风或非工作状态下遭遇暴风，起重机有可能沿轨道滑行甚至倾翻，导致巨大的财产损失和人员伤害。因此，对在役起重机的最大抗风性能检测技术进行研究，具有重大的经济价值和社会意义。

Frendo等［1］针对某龙门起重机的风载事故，基于有限元梁模型对负载进行平面分析，阐述了起重机受到风载塌陷的原因。唐飞等［2］基于ADAMS动力学仿真软件，对龙门起重机的抗风制动过程进行了动力学仿真分析，明确了风载失效机理，并对前后轮制动力的协调控制进行了研究，得到了两轮协调匹配控制模型，进而得到最大的制动力。万当［3］基于流体动力学对门式起重机进行了数值分析与模拟，得到不同风速、不同风向下起重机的表面风压、周围风速图，并总结出了风速风压变化的一般规律，为企业拟定防风策略提供了有效依据。仇佳捷［4］基于等效静力法对港口起重机的防风能力进行了论证，提出了一种液压测试机构来实施整机抗风检测。陈明琪等［5-6］提出了一种便携式的门式起重机抗风性能检测装置，能够实时采集起重机信号，对起重机整体实施抗风性能等级测试。

可以看出，目前绝大部分抗风测试的对象是起重机大车制动器，是在实验室内对其制动扭矩进行检测，很难考虑“铁鞋”等轨道固定器或锚定装置的作用，对于起重机整体抗风性能检测无法实施。还有部分试验装备可以在室外实施整机检测，但并没有区分起重机的刚性腿和柔性腿之间的受力不均匀导致的风载差异，无法有效指导起重机抗风措施的实施。

本文以典型门式起重机为研究对象，基于有限元仿真技术，考虑现场风速、风向对实测风载效果的影响，研究了起重机刚、柔腿的止档模块支反力（后续简称“支反力”）与风速的对应关系，建立了油缸顶推力等效风载模型，并开发了门式起重机整体抗风性能检测装备，为在役门式起重机的现场抗风性能检测提供了方法参考。

1 动力学仿真模型

等效风载模型的建模思路如图1所示。以典型门式起重机为研究对象，基于ANSYS建立有限元模型，并导入ADAMS进行动力学仿真分析，得到不同风速、风向下的支反力，建立支反力与风速的对应关系。下面以某100/32 t典型刚、柔腿起重机为例阐述分析过程。

图1 等效模型建模流程Fig.1 Modeling process of the equivalent model

起重机主要参数如表1所示。风载计算中，没有考虑栏杆等迎风面积较小的零部件，经计算对结果影响很小。

表1 100/32 t门式起重机主要参数表Tab.1 Main parameter table of 100/32 t gantry crane

利用ANSYS软件进行有限元建模，如图2所示。

图2 柔体有限元模型Fig.2 Finite element model of the flexible body

由于支腿高度较高，根据文献［7］，在支腿上设置5个区域，用于模拟风速随高度的变化影响：

式中：Vh为高度h处的风速，m/s；V0为高度h0处的风速，m/s；c为幂指数，和地面粗糙度有关，可取c=0.2。

在每个支腿上设置5个耦合点，用于计算风压的分区域加载。将有限元模型导入ADAMS软件，如图3所示。全约束起重机左侧止挡部分，并设立传感器，用于测量支反力。部分约束起重机右侧止挡，只放开其沿着轨道方向的约束。由于大车行走轨道对起重机的约束，加载风压后，图3中全约束止挡处的反力等效为整机理论风载引起的作用力。

图3 ADAMS动力学模型Fig.3 Dynamic model based on ADAMS

据文献《起重机设计规范》GB/T 3811［8］，计算风压和理论计算风载：

式中：p为理论计算风压，N/m2；Vs为计算风速，m/s；F为由于理论计算风压所引起的风载荷，N；A为有效迎风面积，m2；C为风力系数，无量纲；η为挡风折减系数，无量纲；θ为风向与构件纵轴或构架表面的夹角，（°）。

2 仿真分析

在ADAMS中对不同风速下的动力学模型

实施风压分段加载［9-10］。在不考虑摩擦力影响下，其刚性腿、柔性腿处支反力与起重机整体理论风载荷、风速的仿真结果如表2所示，其变化关系曲线如图4所示。

图4 支反力与理论风载荷、风速的变化关系曲线（工作状态）Fig.4 The relationship curve between the counterforce and the theor etical wind load and wind speed（working state）

表2 支反力与起重机整体理论风载荷计算数值Tab.2 Counterforce and the calculation value of the crane’s overall theoretical wind load

可以看出，由于迎风面积、挡风折减系数、风力系数等参数的不同，会引起刚性腿和柔性腿支反力的不同。引入载荷比例系数：

则通过α、β两个参数，当已知理论计算风载F时，可计算得到刚性腿和柔性腿的支反力。仿真的目的就是确定不同起重机的α、β。

3 等效风载模型计算

考虑用液压缸来同步顶推刚、柔性腿止挡，即用油缸顶推力FD来等效模拟理论风载F。当起重机被油缸推动的瞬间，FD即为起重机整体能承受的最大抗风载荷。当FD或F已知，式（3）中的Vs则成为待求参数，即起重机能够承受的最大风速。

当现场实测环境无风，理论风载F传递到柔性腿和刚性腿的支反力为

式中：x、y为调整系数，默认是1，用于实测过程中的模型微调。

当现场实测环境有风时，风速、风向会对油缸顶推力测量造成影响，因此需要修正。现场瞬时风速Vss，通过传感器获取，其产生的瞬时风载为

传递到柔性腿侧的力为

传递到刚性腿侧的力为

当瞬时风载和顶推力的方向一致时，即油缸以较小的顶推力推动起重机，表现出来的等效风速偏小，所以实际在计算中，应该把瞬时风速所引起的风载加上油缸顶推力，以这个合力作为等效风速引起的等效载荷。

那么此时的起重机最大抗风性能计算公式为

式中：FDr为柔性腿油缸顶推力，测量获取，N；FDg为刚性腿油缸顶推力，测量获取，N。

综上，当柔性腿和刚性腿处的顶推力已知时，可计算等效风速Vs为

当瞬时风载和顶推力的方向相反时，得到

式中：当FDr+FDg-0.625⋅Vss2⋅A⋅C(1+η)⋅sin2θ⋅(α⋅x+β⋅y)＜0时，则令Vs=0。

4 案例分析

以本文案例进行分析，以α=0.40、β=1.25和不同的Vss代入式（13）计算，结果如图5所示。

图5 顶推力与等效风载计算结果Fig.5 Calculation results of thrust force and equivalent wind load

现场检测方案和等效风载判定分别如图6和图7所示。

图6 风载模拟装置布置图Fig.6 Design plan of the wind load simulation device

图7 等效风载判定流程图Fig.7 Judgment flow chart of the equivalent wind load

通过仿真和现场实测，测试结果如表3所示。可以看出，在仅仅大车制动器作用情况下，可以抵抗23.1 m/s的计算风速而不移动。

表3 现场实测结果Tab.3 Field test results

5 结论

（1）基于ANSYS建立了某典型门式起重机刚、柔腿多体动力学模型，通过ADAMS动力学仿真分析，得到了载荷比例系数，建立了基于油缸顶推力与风载的等效模型。基于此方法，可以对多种类型起重机进行仿真分析，得到不同的载荷比例系数，方便用于多种类型起重机的等效风载计算。

（2）提出了一种方便现场检测的门式起重机整体抗风性能检测方案。通过电动泵驱动油缸自动顶推，监测起重机大车行走机构的移动速度和位移信息，降低了现场检测的技术难度，为在役门式起重机的现场抗风性能检测提供了方法参考。