PortOperation 20071No12(SerialNo1172)
港口门座起重机防风装置的计算与选择
武汉理工大学物流工程学院 李 娜 胡吉全
摘 要:阐述了港口门座起重机结构形式与风作用的关系,以及门座起重机发生事故的状况及其原因,并通
过不同工况和不同风力作用下门座起重机受力情况的计算分析,提出了如何选取合适、有效的防风装置。
关键词:门座起重机;防风装置;计算
CalculationandSelectionforPortPortalCrane
SchoolofLogisticsEngineeringofWuhanUniversityofTechnology LiNa HuJiquan
Abstract:Thispaperpresentstherelationshipbetweenthestructuraltypeofportalcraneandthewindforce,and
givestheaccidentcasesandreasonsoftheportalcranes.Inaddition,itbringsforwardthemethodhowtochoosetherightandefficientanti-winddevicebycalculatingtheloadstatementsoftheportalcraneindifferentworkingconditionsandwindforces.
Keywords:portalcrane,anti-winddevice;calculation 近10年来,台风和突发性阵风对港口大型机械
造成灾难性损毁的事故日趋增多,影响了码头的正常生产,造成了巨大的经济损失。门座起重机是港口码头前沿使用最多的机型,其结构复杂,影响大,台装置有重要意义值为2.0～5.0,,Liftech的专家建议陆侧取值至少为海侧的50%。使用较设计要求更高的系固装置,即使额外增加成本也是值得的。
Liftech的专家建议码头部件的设计采用与起重机系固装置同样的载荷和安全系数,即采用荷载与抗力系数法确定系固装置强度要求(ACI给定的稳定性载荷系数为固定载荷的0.9;小车载荷和起升系统载荷的0.9;平均重现时间间隔为50a的风载荷,如果不包括ASCE7-02的方向性系数则取1.30,否则取1.60),花篮螺丝能够承受2倍的系固装置系数载荷,系固装置结构部件在整个承受拉力部分的允许应力取0.9倍的材料屈服拉应力。
图5 码头轨道车挡被起重机撞击损坏的实例
1 、转台与转柱、,其制造通常采用箱形结构和。箱形结构用钢板焊接制成,而桁架结构
可用角钢、槽钢、工字钢和无缝钢管等材料制作。因
挡,导致起重机门框支在设在下横梁端部的防倾支承板上时的冲击载荷,即每个码头轨道车挡能够承受的最大撞击载荷约为起重机固定载荷的1/4。
参考文献
[1] WilliamC.Gettingthewindupovercranedesigns[J].
WorldCargoNews,1996(7):43-44.
[2] 郑维馥.港口大型装卸设备的防风措施[J].起重运输
5 码头轨道车挡设计
通常岸边集装箱起重机缓冲器的设计目的,是
为了缓解起重机大车以最大运行速度与码头轨道车挡之间发生的碰撞,并不能适应失控的起重机与码头轨道车挡之间的碰撞,图5所示为轨道车挡被起重机撞击损坏的实例。
Liftech的专家建议码头轨道车挡的承载力适应起重机发生倾覆状态的需要,即起重机撞击轨道车8
机械,1997(9):3-6.
[3] 包起帆,沈 .港口大型起重机抵御风害的安全措施
[J].起重运输机械,2006(11):1-5. 彭传圣:100088,北京市西土城路8号 收稿日期:2007-02-26
港口装卸 2007
年第2期(总第172期)
其母材细长和漏空结构,所以桁架结构的迎风面积比箱形结构要小得多。由于在同等级风力作用下,起重机遭灾的可能性与自身迎风面积和体型系数成正比,因此防风装置的选取与起重机自身的结构设计密切相关。
如门座起重机臂架系统常用的型式有单臂架系统和四连杆组合臂架系统。单臂架系统可为桁架或者箱形结构,四连杆组合臂架系统则多为箱型结构。相对四连杆组合臂架而言,单臂架迎风面积小而抗风能力强,若为管形桁架单臂架,则抗风效果会更好。转台和转柱多为箱形结构,人字架一般分为桁架式和板式结构,箱形和板式迎风面积相对较大。门架的结构形式最常见的为8杆式门架、交叉式门架和圆筒形门架。8杆式门架中间为8根撑杆,可用圆管或箱形截面杆;交叉式门架中间由2片箱形截面的刚架交叉组成;圆筒形门架由1个大直径圆筒及下面的小门架
[1]
组成,其理论迎风面积相对最小。
选取有所不同。下面就这2种情况分别进行防水平移动和防失稳倾覆的探讨。3.1 工作状态阵风作用下的防滑计算
起重机在工作状态下突遇阵风,水平风力急剧增大,此时应该通过实时增加起重机水平方向的摩擦阻力来抵御风力使起重机不被吹移。增加起重机水平方向摩擦阻力有2种途径:一是将从动轮的滚动摩擦变成滑动摩擦,增加起重机自身的摩擦阻力;二是通过安装另外的装置来增加额外的摩擦阻力。以下通过计算说明在阵风作用下确保工作中的起重机不被风吹移须增加摩擦阻力的大小,以及如何选取适合的防风装置。3.1.1 增加自身摩擦阻力
在大车从动轮上,采用轮边制动器、夹轮器、防风铁楔制动器等防风装置,都可以阻止从动车轮的滚动。门座起重机由于回转惯性力的影响,工作中应使车轮有一定的游动量,以释放载荷,故采用防风铁靴制动器较为合适,将防风铁楔制动器安,,[2]
)2 风灾事故发生的状况分析
门座起重机在设计时,充分考虑了风作用载荷,因此,起重机本身不会被风吹垮,防风主要是防其在任何情况下不被风吹动,,风吹动将有很大的动能,。:机整机失稳倾覆;。港口起重机设计时必须满足稳定性条件,在此基础上再作强度、刚度校核。稳定性条件的计算已包括了水平方向和垂直方向风载荷的影响,故起重机一般不会出现零腿压和负腿压,也不会出现上拔力。但当起重机遇到超出设计风速的特大风或龙卷风作用时,上拔力可能会出现。当上拔力足够大时,将造成起重机整机倾覆。
另一方面,当水平方向的风力过大而超过起重机与轨道的静摩擦阻力时,起重机将被风吹着沿轨道快速移动,积聚动能。若与另一台静止的起重机或轨道端部的车挡相撞时,其一侧门腿的大车缓冲器受到阻挡而使起重机迅速减速,产生很大的水平惯性载荷,该载荷与水平方向的风力共同作用,使得另一侧门腿被抬起,起重机重心转到大车基距以外,造成直接倾翻倒塌。这是港口起重机事故中经常出现的情况。因此,选取有效、合适的防风装置,是防止起重机发生风灾事故的重要手段。
图1 防风铁楔制动器及车轮受力图
由腿压计算可以求出每个轮子上的压力P轮,再
由静力平衡条件得
′
α-P轮sinαF风cos
(1)F1=μ,1
μα-sinα1cos
′
μ1P轮-F风
μα,F2=2cosμααcos-sin1
α=μTan2。
(2)(3)
由整机水平方向平衡得
n1P轮f滑+n2P轮f滚+(F1+F2)n3=F风,
(4)
n3=
F风-n1P轮f滑-n2P轮f滚
。
F1+F2
(5)
3 防风装置的计算与选择
起重机在工作状态和非工作状态下防风装置的
式中,F1为轮子与地面的摩擦力;F2为铁楔与地面
μ的摩擦力;μ铁楔与地面的滑动1、2分别为轮子、
9
PortOperation 20071No12(SerialNo1172)
摩擦系数;F风为每个轮子所受的水平风力;n1、n2、n3为驱动轮、未装制动器的从动轮、装制动器的从动轮个数;F风为风载荷(通常取35m/s风速)。3.1.2 增加额外摩擦力
目前大多数港口门座起重机要求采用半数以上车轮驱动。通常制动器设在驱动机构高速轴端,在整机受风作用后,驱动轮相对轨面呈滑移状态,从动轮相对轨面呈滚动状态。如果起重机自身摩擦阻力不足以克服风作用力,则可以通过独立于车轮以外的装置来增加额外的摩擦力,通常选用电动铁靴。
由整机水平方向力平衡得
n1P轮f滑+n2P轮f滚+tF=F风,t=
F风-n1P轮f滑-n2P轮f滚
F
(6)(7)
′
况
,可以采取防范措施。锚定装置是防止起重机沿
水平方向运动的必备装置。起重机在水平方向主要受3个力作用,即风作用力、自身摩擦阻力、锚定装置的水平阻力。
此时锚定装置的水平力
F水=F风-F摩,F风=CKhqA。
(8)(9)
式中,C为风力系数;Kh为风力高度变化系数;q为起重机最大计算风压;A为起重机垂直于风向的迎
[3,4]
风面积;F摩为起重机所受的总摩擦力。3.2.2 防止起重机整机倾覆
。
式中,n2为从动车轮个数;t为防爬装置个数;F为
每个防爬装置所能提供的水平力。3.2 非工作状态下的防风计算3.2.1 防止起重机沿水平方向滑移
起重机若发生整机倾覆,则某些腿上的腿压在
风力作用下将小于零,因此需设置有效装置防止起重机负腿压的发生。防风拉索或拉板是起重机常用的防倾覆装置。当起重机受最大风速(通常取v=55m/s)作用时,可根据各种不同的工况计算出起重机各腿的负腿压值,此即为防风拉索装置垂直方向的作用力。(见图2),可求出拉索的受力F起重机在非工作状态受台风袭击一般是预知情
图2 拉索装置布置图
根据空间几何关系,得
F拉=
Rα
+d1+d2
h
2
2
2
。(10)
证明,以上选择防风装置的方法在实际工作中是可
行的。我们根据不同的工作状态选取不同的防风装置,有效地防止了灾难性事故的发生。
参考文献
[1
] 张质文,虞和谦,王金诺,等.起重机设计手册[M].
式中,Ra为负腿压值,其余见图2。
由式(10)可以看出,要减小拉索受力,应尽可能减小拉索沿轨道和垂直轨道方向的距离,当d2为零时,拉索受力最小。
北京:中国铁道出版社,2001.
[2] 李士瀛,由清育,田茸生,等.现代港口机械技术
[M].北京:人民交通出版社,1995.
[3] IngJ.V.起重机设计、使用和保养[M].刘宝静,译1
4 结语
港口大型起重机安装防风防爬装置的主要目的
是为了增加起重机的摩擦阻力,以抵消风力的影响。而增加摩擦阻力主要有2种途径:一是将起重机大车轮子的滚动摩擦变为滑动摩擦;二是通过添加防风装置来增加额外摩擦阻力。根据经验判断及实例10
上海:上海科学技术出版社,2002.
[4] 蒋国仁.港口起重机械[M〗.大连:大连海事大学出
版社,1995.
李娜:430063,武汉市武昌区和平大道1040号Y21信箱 收稿日期:2007-01-11
PortOperation 20071No12(SerialNo1172)
港口门座起重机防风装置的计算与选择
武汉理工大学物流工程学院 李 娜 胡吉全
摘 要:阐述了港口门座起重机结构形式与风作用的关系,以及门座起重机发生事故的状况及其原因,并通
过不同工况和不同风力作用下门座起重机受力情况的计算分析,提出了如何选取合适、有效的防风装置。
关键词:门座起重机;防风装置;计算
CalculationandSelectionforPortPortalCrane
SchoolofLogisticsEngineeringofWuhanUniversityofTechnology LiNa HuJiquan
Abstract:Thispaperpresentstherelationshipbetweenthestructuraltypeofportalcraneandthewindforce,and
givestheaccidentcasesandreasonsoftheportalcranes.Inaddition,itbringsforwardthemethodhowtochoosetherightandefficientanti-winddevicebycalculatingtheloadstatementsoftheportalcraneindifferentworkingconditionsandwindforces.
Keywords:portalcrane,anti-winddevice;calculation 近10年来,台风和突发性阵风对港口大型机械
造成灾难性损毁的事故日趋增多,影响了码头的正常生产,造成了巨大的经济损失。门座起重机是港口码头前沿使用最多的机型,其结构复杂,影响大,台装置有重要意义值为2.0～5.0,,Liftech的专家建议陆侧取值至少为海侧的50%。使用较设计要求更高的系固装置,即使额外增加成本也是值得的。
Liftech的专家建议码头部件的设计采用与起重机系固装置同样的载荷和安全系数,即采用荷载与抗力系数法确定系固装置强度要求(ACI给定的稳定性载荷系数为固定载荷的0.9;小车载荷和起升系统载荷的0.9;平均重现时间间隔为50a的风载荷,如果不包括ASCE7-02的方向性系数则取1.30,否则取1.60),花篮螺丝能够承受2倍的系固装置系数载荷,系固装置结构部件在整个承受拉力部分的允许应力取0.9倍的材料屈服拉应力。
图5 码头轨道车挡被起重机撞击损坏的实例
1 、转台与转柱、,其制造通常采用箱形结构和。箱形结构用钢板焊接制成,而桁架结构
可用角钢、槽钢、工字钢和无缝钢管等材料制作。因
挡,导致起重机门框支在设在下横梁端部的防倾支承板上时的冲击载荷,即每个码头轨道车挡能够承受的最大撞击载荷约为起重机固定载荷的1/4。
参考文献
[1] WilliamC.Gettingthewindupovercranedesigns[J].
WorldCargoNews,1996(7):43-44.
[2] 郑维馥.港口大型装卸设备的防风措施[J].起重运输
5 码头轨道车挡设计
通常岸边集装箱起重机缓冲器的设计目的,是
为了缓解起重机大车以最大运行速度与码头轨道车挡之间发生的碰撞,并不能适应失控的起重机与码头轨道车挡之间的碰撞,图5所示为轨道车挡被起重机撞击损坏的实例。
Liftech的专家建议码头轨道车挡的承载力适应起重机发生倾覆状态的需要,即起重机撞击轨道车8
机械,1997(9):3-6.
[3] 包起帆,沈 .港口大型起重机抵御风害的安全措施
[J].起重运输机械,2006(11):1-5. 彭传圣:100088,北京市西土城路8号 收稿日期:2007-02-26
港口装卸 2007
年第2期(总第172期)
其母材细长和漏空结构,所以桁架结构的迎风面积比箱形结构要小得多。由于在同等级风力作用下,起重机遭灾的可能性与自身迎风面积和体型系数成正比,因此防风装置的选取与起重机自身的结构设计密切相关。
如门座起重机臂架系统常用的型式有单臂架系统和四连杆组合臂架系统。单臂架系统可为桁架或者箱形结构,四连杆组合臂架系统则多为箱型结构。相对四连杆组合臂架而言,单臂架迎风面积小而抗风能力强,若为管形桁架单臂架,则抗风效果会更好。转台和转柱多为箱形结构,人字架一般分为桁架式和板式结构,箱形和板式迎风面积相对较大。门架的结构形式最常见的为8杆式门架、交叉式门架和圆筒形门架。8杆式门架中间为8根撑杆,可用圆管或箱形截面杆;交叉式门架中间由2片箱形截面的刚架交叉组成;圆筒形门架由1个大直径圆筒及下面的小门架
[1]
组成,其理论迎风面积相对最小。
选取有所不同。下面就这2种情况分别进行防水平移动和防失稳倾覆的探讨。3.1 工作状态阵风作用下的防滑计算
起重机在工作状态下突遇阵风,水平风力急剧增大,此时应该通过实时增加起重机水平方向的摩擦阻力来抵御风力使起重机不被吹移。增加起重机水平方向摩擦阻力有2种途径:一是将从动轮的滚动摩擦变成滑动摩擦,增加起重机自身的摩擦阻力;二是通过安装另外的装置来增加额外的摩擦阻力。以下通过计算说明在阵风作用下确保工作中的起重机不被风吹移须增加摩擦阻力的大小,以及如何选取适合的防风装置。3.1.1 增加自身摩擦阻力
在大车从动轮上,采用轮边制动器、夹轮器、防风铁楔制动器等防风装置,都可以阻止从动车轮的滚动。门座起重机由于回转惯性力的影响,工作中应使车轮有一定的游动量,以释放载荷,故采用防风铁靴制动器较为合适,将防风铁楔制动器安,,[2]
)2 风灾事故发生的状况分析
门座起重机在设计时,充分考虑了风作用载荷,因此,起重机本身不会被风吹垮,防风主要是防其在任何情况下不被风吹动,,风吹动将有很大的动能,。:机整机失稳倾覆;。港口起重机设计时必须满足稳定性条件,在此基础上再作强度、刚度校核。稳定性条件的计算已包括了水平方向和垂直方向风载荷的影响,故起重机一般不会出现零腿压和负腿压,也不会出现上拔力。但当起重机遇到超出设计风速的特大风或龙卷风作用时,上拔力可能会出现。当上拔力足够大时,将造成起重机整机倾覆。
另一方面,当水平方向的风力过大而超过起重机与轨道的静摩擦阻力时,起重机将被风吹着沿轨道快速移动,积聚动能。若与另一台静止的起重机或轨道端部的车挡相撞时,其一侧门腿的大车缓冲器受到阻挡而使起重机迅速减速,产生很大的水平惯性载荷,该载荷与水平方向的风力共同作用,使得另一侧门腿被抬起,起重机重心转到大车基距以外,造成直接倾翻倒塌。这是港口起重机事故中经常出现的情况。因此,选取有效、合适的防风装置,是防止起重机发生风灾事故的重要手段。
图1 防风铁楔制动器及车轮受力图
由腿压计算可以求出每个轮子上的压力P轮,再
由静力平衡条件得
′
α-P轮sinαF风cos
(1)F1=μ,1
μα-sinα1cos
′
μ1P轮-F风
μα,F2=2cosμααcos-sin1
α=μTan2。
(2)(3)
由整机水平方向平衡得
n1P轮f滑+n2P轮f滚+(F1+F2)n3=F风,
(4)
n3=
F风-n1P轮f滑-n2P轮f滚
。
F1+F2
(5)
3 防风装置的计算与选择
起重机在工作状态和非工作状态下防风装置的
式中,F1为轮子与地面的摩擦力;F2为铁楔与地面
μ的摩擦力;μ铁楔与地面的滑动1、2分别为轮子、
9
PortOperation 20071No12(SerialNo1172)
摩擦系数;F风为每个轮子所受的水平风力;n1、n2、n3为驱动轮、未装制动器的从动轮、装制动器的从动轮个数;F风为风载荷(通常取35m/s风速)。3.1.2 增加额外摩擦力
目前大多数港口门座起重机要求采用半数以上车轮驱动。通常制动器设在驱动机构高速轴端,在整机受风作用后,驱动轮相对轨面呈滑移状态,从动轮相对轨面呈滚动状态。如果起重机自身摩擦阻力不足以克服风作用力,则可以通过独立于车轮以外的装置来增加额外的摩擦力,通常选用电动铁靴。
由整机水平方向力平衡得
n1P轮f滑+n2P轮f滚+tF=F风,t=
F风-n1P轮f滑-n2P轮f滚
F
(6)(7)
′
况
,可以采取防范措施。锚定装置是防止起重机沿
水平方向运动的必备装置。起重机在水平方向主要受3个力作用,即风作用力、自身摩擦阻力、锚定装置的水平阻力。
此时锚定装置的水平力
F水=F风-F摩,F风=CKhqA。
(8)(9)
式中,C为风力系数;Kh为风力高度变化系数;q为起重机最大计算风压;A为起重机垂直于风向的迎
[3,4]
风面积;F摩为起重机所受的总摩擦力。3.2.2 防止起重机整机倾覆
。
式中,n2为从动车轮个数;t为防爬装置个数;F为
每个防爬装置所能提供的水平力。3.2 非工作状态下的防风计算3.2.1 防止起重机沿水平方向滑移
起重机若发生整机倾覆,则某些腿上的腿压在
风力作用下将小于零,因此需设置有效装置防止起重机负腿压的发生。防风拉索或拉板是起重机常用的防倾覆装置。当起重机受最大风速(通常取v=55m/s)作用时,可根据各种不同的工况计算出起重机各腿的负腿压值,此即为防风拉索装置垂直方向的作用力。(见图2),可求出拉索的受力F起重机在非工作状态受台风袭击一般是预知情
图2 拉索装置布置图
根据空间几何关系,得
F拉=
Rα
+d1+d2
h
2
2
2
。(10)
证明,以上选择防风装置的方法在实际工作中是可
行的。我们根据不同的工作状态选取不同的防风装置,有效地防止了灾难性事故的发生。
参考文献
[1
] 张质文,虞和谦,王金诺,等.起重机设计手册[M].
式中,Ra为负腿压值,其余见图2。
由式(10)可以看出,要减小拉索受力,应尽可能减小拉索沿轨道和垂直轨道方向的距离,当d2为零时,拉索受力最小。
北京:中国铁道出版社,2001.
[2] 李士瀛,由清育,田茸生,等.现代港口机械技术
[M].北京:人民交通出版社,1995.
[3] IngJ.V.起重机设计、使用和保养[M].刘宝静,译1
4 结语
港口大型起重机安装防风防爬装置的主要目的
是为了增加起重机的摩擦阻力,以抵消风力的影响。而增加摩擦阻力主要有2种途径:一是将起重机大车轮子的滚动摩擦变为滑动摩擦;二是通过添加防风装置来增加额外摩擦阻力。根据经验判断及实例10
上海:上海科学技术出版社,2002.
[4] 蒋国仁.港口起重机械[M〗.大连:大连海事大学出
版社,1995.
李娜:430063,武汉市武昌区和平大道1040号Y21信箱 收稿日期:2007-01-11