林梅 上海鐵路局貨運處

鐵路貨場門式起重機防風裝置的計算與選擇

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

鐵路貨場；門式起重機；防風裝置；計算改進

鐵路貨場門式起重機（以下簡稱起重機）是裝卸笨重貨物和集裝箱的主要機械。其作業(yè)和停放處于露天狀態(tài)，迎風面積大，承受較大的風載荷，對防風裝置及技術要求較高。盡管使用單位對起重機的防風措施不斷加強，近年來，起重機被大風吹動引起脫軌或傾覆的事故仍時有發(fā)生，影響了鐵路貨場的安全生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此研究和進一步改進起重機防風裝置有著重要的意義。

1 起重機風災事故發(fā)生的狀況分析

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

起重機在設計時，充分考慮了風載荷的作用，因此起重機本身結構不會被風吹垮。從事故狀況可以看出，起重機的防風主要是防其在任何情況下不被風吹動，具有足夠的防風抗滑安全性。因為起重機質量大，一旦被風吹動將有很大的動能，難以制止，從而導致事故。同時要有有效的抗傾覆措施保證起重機意外被風吹動后能減速停止。因此選擇有效、合適的防風裝置，是防止起重機發(fā)生風災事故的重要手段。

2 防風裝置的計算與選擇

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

2.1 工作狀態(tài)陣風作用下的防滑計算

目前大多數(shù)鐵路貨場門式起重機大車走行機構沒有采用全驅動形式，通常只在驅動機構高速軸端設二級防風制動器實施緊急防風。

工作中突遇大風時，司機控制大車驅動機構斷電，二級防風制動器動作，在車輪處產(chǎn)生足夠制動力矩阻止驅動輪滾動，驅動輪與鋼軌間產(chǎn)生靜摩擦阻力。當風力大于驅動輪與鋼軌間的靜摩擦阻力時，驅動輪相對與軌面呈滑移狀態(tài)，從動車輪相對軌面呈滾動狀態(tài)。此時應通過實時增加起重機水平方向的摩擦阻力來抵御風力使起重機不被吹移。增加起重機水平方向摩擦阻力有兩種途徑：一是將從動輪的滾動摩擦變成滑動摩擦，利用起重機自重增加摩擦阻力；二是通過加裝另外的裝置來增加額外的摩擦阻力。

2.1.1 利用起重機自重增加摩擦阻力

目前常用在從動輪處設置活絡鐵鞋阻止從動輪滾動的方法，因為需要手動放置，車輪滾動后難以實施，存在安全隱患，故效果不佳。而在從動輪上加裝可以集中控制的輪邊制動器、夾輪器等緊急防風裝置是不錯的選擇。不同型號規(guī)格的起重機，所需制動的從動輪個數(shù)可以不同。

以起重機工作狀態(tài)的風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行阻力的工況，計算在陣風作用下確保工作中的起重機緊急制動后不被風吹移所需的摩擦阻力，其驗算工公式為：

式中：n1-驅動輪個數(shù)；

n2-未裝制動裝置的從動輪個數(shù)；

n3-裝制動器裝置的從動輪個數(shù)；

P輪-車輪輪壓（N）；

f滑-車輪與鋼軌的滑動摩擦系數(shù)；

f滾-車輪與鋼軌的滾動摩擦系數(shù)；

F風-工作狀態(tài)下（沿大車運行方向）的最大風力（N）；

其中：C-風力系數(shù)；

Kh-風壓高度變化系數(shù)；

β-風振系數(shù)（對常用起重機β=1.0）；

A-垂直于方向的迎風面積（m2）；

q-計算風壓（N/m2）

PP-坡度引起的滑行力（N）；

PP=Ggy，其中：G-起重機自重（N）；y-起重機軌道坡度（‰）；W-起重機運行摩擦阻力（N）；

W=Gω，其中：ω-運行摩擦阻力系數(shù)，對滑動軸承車輪，取ω=0.015；對滾動軸承車輪，取ω=0.006。

通過驗算合理確定需要制動的從動輪個數(shù)n3。

2.1.2 增加額外摩擦力

如果起重機自身摩擦阻力不足以克服風作用力，也可以通過獨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施的液壓夾軌器或液壓頂軌器。

根據(jù)以下計算公式計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-驅動輪個數(shù)；n2-從動輪個數(shù)；F-所需增加的額外摩擦力（N）。

2.2 非工作狀態(tài)下的防風計算

起重機在非工作狀態(tài)下受臺風襲擊一般是預知情況，可以采取防范措施。錨定裝置是非工作狀態(tài)下防止起重機沿水平滑移的有效的必備防風裝置。起重機在非工作狀態(tài)下，應實施錨定預防防風裝置，同時緊急防風制動裝置應處于實施狀態(tài)，確保起重機足夠的摩擦阻力。此時起重機在水平方向主要受3個力的作用，風作用力、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-F摩；F摩為起重機所受的總摩擦力。

起重機相關安全規(guī)程規(guī)定，起重機有錨定裝置時，錨定裝置應能獨立承受起重機非工作狀態(tài)下的風載荷。設計選擇錨定裝置時，不考慮緊急防風裝置的防風抗滑作用。錨定裝置的安全性的驗算式為：F水=F風

2.3 防止起重機整機傾覆

起重機在設計時已對其正常工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的傾覆穩(wěn)定性都進行了計算校驗。起重機抗傾覆穩(wěn)定性的力矩表達通式為：

式中：MG、MP、Mi、Mf-分別為起重機自重、起升載荷、水平慣性力和風力對傾覆線的力矩；

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，防止起重機整機傾覆主要考慮起重機在工作中，突遇大風，防滑失效時的惡劣工況。工作中突遇大風，防滑失效的起重機被風吹動在軌道上移動，積聚動能，撞上端檔，產(chǎn)生的水平慣性力加上風力作用足以使∑M≤0時，起重機失穩(wěn)傾覆。此時應通過減小水平慣性力距Mi和增加反傾覆力矩使得∑M≥0，來避免起重機傾覆事故的發(fā)生。

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

沈陽中鐵安平制動技術開發(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 防翻緩沖地錨結構示意圖及組成

防翻緩沖地錨的地錨裝置設在走行線端頭，與軌道和走行基礎連成一體，緩沖裝置安裝在起重機走行梁上，與起重機連成一體。起重機被風吹動在軌道上移動至軌道端頭時，地錨裝置的地錨套自動套住緩沖器上的闖桿，地錨套強制推動闖桿上的闖板，彈簧緩沖器和滑道緩沖器先后兩次增力緩沖，吸收起重機大部分動能，有效降低起重機的水平慣性力。同時，由于緩沖時地錨的位置位于走行梁后半部，緩沖器闖桿自動鉤住地錨不放而產(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 結束語

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

[1]張質文,虞謙和,王金諾等.起重機設計手冊.中國鐵道出版社.2001.

[2]起重機械安全規(guī)程.GB6067-2010.

[3]鐵路貨場橋式、門式起重機防風制動裝置技術條件.TB1428-90.

責任編輯：王華 于建明
來稿日期：2014-01-23