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风和结构，Vol。 19，No.1（2014）1-14

DOI：http://dx.doi.org/10.12989/was.2014.19.1.001

风载荷作用下轨行式起重机制动性能分析

Hui Jin and Da Chen

江苏混凝土重点实验室与预应力混凝土工程力学重点实验室

东南大学结构学院，南京，210096

（收到日期：2013年8月23日，修订日期： 2014年2月3日，

接受日期：2014年2月6日）

摘要:由于质量大和重心位置高，轨行式起重机在高速度运行时可能由于突然的阵风而容易损坏。在当前设计中，轨行式起重机主要依赖车轮制动转矩以抵抗大的风载荷。然而，常规制动器不能令人满意地进行起重机制动，这引起起重机发生安全问题，并且因此导致频繁的起重机事故，特别是在突然的风浪中。因此，研究轨行式起重机在风荷载作用下的制动性能是非常重要的。在本研究中，建立了一个简化的机械模型来模拟轨行式龙门起重机，并对模型进行动态分析，以推导出反映制动时间、制动距离、风荷载和制动转矩之间的定性关系的制动性能方程。研究表明，在恒定的制动力矩下，在制动时间和制动距离与风力相关的曲线上存在拐点。当风载荷超过拐点值时，制动时间和距离都急剧增加，称为阈值风力。使用多体动力学软件ADAMS对300吨造船门式起重机的制动性能进行建模和分析。模拟结果通过二次曲线拟合，以显示制动时间、制动距离与各种制动力下的风力的关系。阈值风力可以通过获得拟合曲线的导数在理论上获得。基于阈值风力和制动转矩之间的拟合函数关系，提供理论基础以确保起重机防风制动系统的安全和设计的合理性。

关键词： 动态分析; 制动性能; ADDAMS; 防风设计

1. 介绍

现在轨道式起重机广泛应用于开放区域，如港口，台风或突然阵风相当普遍（图1）。 起重机在大风载荷下容易损坏或甚至崩溃，同时在外部以运行速度工作，由于它们的大质量和高重心位置，（图2 Simiu和Scanlan 1986，Forristall 1988，Ochi and Shin 1988，Mara和Asce 2010，Han和Han 2011）常规制动器不能令人满意地停止起重机，并确保其在突然的高阵风中的安全性。 因此，对于轨行式起重机来说，其制动能力和防风制动设计的验证是必不可少的（McCarthy等人2007，Wu 2011）。

图 1轨行龙门起重机 图 2风力致使起重机损毁

目前，轨行式起重机最常用的防风装置包括铁鞋，锚固装置，制动卡钳等。铁鞋通过将起重机推到车轮下方来避免滑动（图3（a）和3（b）） 同时通过将起重机固定在地面上的锚固装置上（图4（a）和4（b））。 这两种类型的设备只能在起重机停止时使用。 当起重机处于工作状态时，可以使用制动卡钳，但是制动力有限，不需要严格安装（图5）。 尽管有所有这些辅助装置，起重机主要依赖于车轮制动器（图6）来抵抗大的风载荷。

图 3铁鞋

图 4锚固装置

图 5制动钳 图 6起重机车轮制动器

根据起重机设计规范（Zhang等人，2001），车轮制动转矩应足够大以保持制动时间和距离尽可能短，以有效地避免碰撞。由于车轮制动器也在正常工作条件下使用，在实践中，操作员倾向于调节制动器并减小制动转矩以避免日常使用中产生的冲击和摇摆。这种调节大大降低了起重机的防风能力。减小的制动转矩将导致制动时间和距离的增加，这对工作安全确实带来很大的隐患。然而，对于这些，没有防止预防措施，也没有风荷载、制动转矩和制动性能之间的定性或定量关系可以参考。

起重机的制动性能和安全验证一直被认为是重要的研究课题。 张先生通过沿铁路的简单理论分析计算起重机的抗风能力（Zhang et al。2001）。 徐先生分析了工作机械参数的计算方法和制动器的选择（Zhang et al。2001）。 吴先生模拟了不同类型风下工作轨道起重机的制动性能（Wu 2011）。 李先生分析了风荷载对使用风洞试验的50吨集装箱起重机的稳定性的影响（Lee et al。2007）。麦卡锡提出了制动系统的建议（McCarthy等人2007）。 但到目前为止，在任何研究报告中还没有提供评估起重机抗风能力的方法。 因此，迫切需要对这一主题进行研究工作。

我们在这项工作中开发了一个简化的机械模型，研究轨行起重机的变量制动时间，制动距离，风载荷和制动扭矩。 基于dAlembert原理对起重机车身和车轮进行动态分析，以推导出表示这些变量之间的定性关系的制动性能方程。 结果分析表明，当制动转矩为常数时，在制动时间和距离与风力的曲线上存在拐点。 当风载荷超过拐点值时，制动时间和距离都急剧增加，该拐点称为阈值风力。

此外，通过使用ADAMS模拟工作的300吨造船龙门起重机，通过拟合计算分析研究变量之间的定量关系通过拟合计算分析。 通过获得的定量关系，很容易确定在一定制动扭矩下的阈值风力，这使得能够对工作起重机的防风性能进行科学的评价。

1. 理论分析

2.1简化机械模型

如图1和图2所示，开发了典型的轨行式起重机的简化机械模型。 如图7（a）和7（b）所示，简化模型是具有四个圆形轮和两个圆柱形轴的长方体。

基于考虑惯性力和施加力之间的平衡的dAlembert原理对起重机主体和车轮进行动态分析（参见图8（a）和8（b））。 风载荷（风力）被简化为施加在起重机主体的重心上的恒定集中力。 假设在相同的制动转矩下四个车轮均匀受力。 由于四个车轮的力分析是类似的，仅示出了车轮A的典型分析过程。

（a）立体图 （b）场景图

图 7轨行式起重机的简化机械模型

（a）起重机机身的分析 （b）车轮A的分析

图 8起重机车身和车轮A的动态分析

如图8（a）所示，X和Y轴与起重机主体的重心O建立在同一平面上，Z轴通过重心。 假设起重机车身的初始速度沿着X轴的负方向，而制动加速度沿着正方向。 该空间力系统的平衡方程可以描述为：

其中和是沿X和Y轴的合力;，和是围绕A-D，C-D和Z轴的合力矩; m指定起重机主体的质量，指施加在重心上的，与初始速度共享相同方向的风力;是沿着X轴的相反方向施加的惯性力以及起重机主体重心。 没有来自具有轴的车轮的连接的扭矩，只有沿着X和Z轴的集中的（和）。 注意，模型忽略沿着Y轴的力。 L是两个轴之间的距离，K是起重机本体的高度。 b，a，h分别指定重心O和X轴，Y轴与底面之间的距离。

为了分析起重机轮的运动，产生如图1所示的轮A的典型模型。 如图8（b）所示，考虑共面力系统的平衡。 坐标轴的原点设置在车轮A的重心O处。所有车轮被假定为具有重心的均匀性，质心是同一点。 假定运动是纯滚动，其与起重机主体共享相同的速度和加速度。 平衡方程可以描述如下。 等式 （3）和（4）是补充方程

以相同的方式，和是沿X和Y轴的合力; 是围绕重心O的合力矩; 表示车轮的质量，R表示半径delta;表示滚动阻力系数; 是转动惯量。 假设车轮由于其体积小和重心低而在无风力负荷下滚动。 M，是制动扭矩和滚动阻力偶的力矩，它们都与车轮具有相反的滚动方向。 虽然（施加在重心上的惯性矩）与车轮具有相同的滚动方向，但是具有与角加速度alpha;的相反方向。 是沿着加速度a的相反方向施加的惯性力。 表示从地面施加到具有相同加速度方向的车轮的摩擦力。 指定传递到车轮的垂直力。

从起重机体和四个车轮的受力系统推导出的所有平衡方程可以组合在一起，包括总共23个方程。 然而，在整个力系统中总共有24个未知参数，这意味着方程式只能用补充条件求解。 注意到加速度a，风力F和制动力矩M之间的关系可以从这些方程的变量代入推导出，如方程式 （5）;制动性能方程（制动时间t和距离s的方程）如 （6）和（7）。 由制动性能方程表示的定性关系可用于分析风载荷和制动扭矩对制动时间和距离的影响。

2.2结果与讨论

将40吨龙门起重机的相关数据代入式 （6）和（7），以获得制动时间和距离与在恒定制动转矩下的风力的曲线，如 图9（a）和9（b）所示。

（a）制动时间曲线 （b）制动距离曲线

图 9制动时间和距离与在一定的恒定制动力矩下的风力的曲线

从上图可以看出，制动时间和距离与风力的曲线上明显存在拐点。 当风力负荷超过拐点值（定义为阈值风力）时，制动时间和距离都急剧增加。

轨行式起重机的安全性可以基于与制动转矩具有一对一关系的阈值风力来评估。 当风力负荷小于阈值风力时，风力负荷的小变化不会导致制动时间和距离的大变化。 作为轨行式起重机的安全基础，确定制动转矩和阈值风力之间的关系可以为计算合理制动转矩提供理论依据，确保相应的阈值风力大于实际风荷载。

1. 数值模拟

龙门起重机是造船业中最常用的大型起重机之一。通过使用软件ADAMS的动态分析，采用300t造船门式起重机作为研究对象，研究制动转矩和阈值风力之间的关系。

在制动力矩和风荷载的综合作用下的整体结构动力性能是本研究的关键问题，因此结构内力被忽略，整个起重机上部结构被简化为与64个起重机轮相连的刚性体。间隔布置的制动轮的数量为32，占轮的总数的一半。 ADAMS / View中的有限元模型显示在图10（a）和10（b）中。

铁路轨道直接建立在地面上作为一个整体，没有任何联系设置。回转接头用于将车轮连接到车轴，而起重机的其他部件通过布尔操作组装成一体。如方程（8）所示，按照IMPACT函数（Fan等人2006，Yu and Qian 2006），在车轮和铁路轨道接触的任何地方施加库仑接触力。

（a）立体图 （b）场景图

图 10 300t型造船门式起重机

其中x指用于计算IMPACT函数的距离变量; 是指定x的自由长度的正实变量; 指x对IMPACT的时间导数; k是指定边界表面相互作用的刚度的非负实数变量; e是指定力变形特征的指数的正实变量; 表示指定最大阻尼系数的非负实数变量; d是一个正实变量，指定Adams / Solver（C ）应用全阻尼的边界渗透; STEP近似具有三次多项式的阶梯函数，其可以如下定义：

风荷载被简化为作用在起重机主体重心上的恒定集中力，如图11所示。 制动转矩施加在制动轮的旋转接头上（见图12）。 同时，滚动阻力偶的力矩施加在每个回转接头上。

图 11起重机上的风载荷

图12制动轮上的制动力矩

上述模型用于模拟不同工作条件下的300吨船舶龙门起重机的制动性能，包括各种延迟时间（施加风力和制动扭矩的时间），初始速度，风荷载等。 模拟结果揭示了制动转矩和阈值风力之间的关系。

1. 结果和讨论

4.1数值模拟结果

典型工作条件描述如下。 施加在起重机上的风力为752.06kN（大风），初始速度为0.6m / s，与风力的方向相同。 延迟时间设置为1s。 根据上述工作条件，基于风载荷调节的制动转矩为10kN·m。 速度和距离对时间的曲线可以从ADAMS的模拟中获得，如 图13（a）和13（b）中示出了制动时间（t = 11.40s）和制动距离（s = 4.85m）。 在起重机沿着铁路轨道的运动的过程中发现振动，这可以通过车轮和轨道之间的接触力和扭矩的振动以逐渐减小的振幅来解释（参见图14（a）和14（b））。

（a）速度曲线 （b）距离曲线

图 13速度和距离对时间的曲线

（a）接触力的曲线 （b）接触转矩曲线

图 14车轮接触力和扭矩对时间的曲线

图 15恒定制动转矩下的制动时间和距离曲线

根据以上仿真结果，制动时间和距离的变化率与风力和制动转矩密切相关。为了消除其他影响因素，在不同的工作条件下使用恒定的制动力矩10kNsdot;m进行起重机模拟。表1所示的结果证明，延迟时间和初始速度的变化对制动性能的变化率几乎没有影响，尽管不同的延迟时间和初始速度确实对制动时间和尺寸的具体值有很大的影响。这意味着制动时间和距离的变化率仅与风力和制动转矩相关。换句话说，作为变化率的灾变点的拐点将保持相同，而不管延迟时间和初始速度如何变化。对应于拐点的阈值风力除了制动转矩和风力之外也与工作条件无关。因此，为了分析制动转矩和阈值风力之间的关系，仅仅在各种制动转矩和风力下模拟具有典型延迟时间和初始速度的工作状态。

基于典型的工作条件，在不同的风力下模拟300吨造船门式起重机的制动性能，以获得制动时间和距离与恒定制动转矩下的风力的函数曲线，如 图15（a）和15（b）所示。 使用立方样条内插来获得平滑曲线，其从理论分析中显示与图9中的曲线相同的特性。 这意味着在所有种类的轨道式起重机中存在阈值风力。

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