门式起重机端部止挡系统优化方案探讨

杨 雷 中国铁路上海局集团有限公司科研所

伴随着门式起重机在铁路装卸作业中的比重也越来越大。在我们广泛运用新型的起重机来解决装卸效率的同时，各类门式起重机的相关事故也随之多了起来，而门式起重机的因突发天气因素导致的倾覆事故就是常见的事故之一。通过近几年的事故调查我们发现大车车轮因突发大风人为制动后在，车轮在钢轨上面高速滑行导致门式起重机缓冲器与走行端部止挡碰撞后产生强大的惯性力矩导致是导致门式起重机倾覆的重要原因。

虽然门式起重机根据国家特种设备管理需要进行安装监检和定期检验，但对端部止挡系统的检验仅仅是外观及是否安装的检查，而对其可靠性也只是基于常规碰撞下产生载荷计算的，因此，非常有必要对于端部止挡系统进行分析和设想。

1 常规端部止挡系统的设计方法

门式起重机端部止挡装置的功能是防止起重机因操作失误而冲出轨道，对人员及设备产生损毁，它的设计对起重机非常重要。从实际工况分析可知，起重机端部止挡装置设计要点在缓冲碰撞力的求取，传统的设计方法是利用动能定理结合动量定理，计算出缓冲器与端部止挡装置的碰撞载荷。

根据《起重机设计规范》GB/T3811-2008，特殊载载荷是指在起重机非正常工作时或不工作时的特殊情况下才发生的载荷，计算时以额定运行速度计算缓冲器和端部止挡装置发生碰撞时的缓冲碰撞力，并按照载荷组C4进行计算。

1.1 动量定理求取缓冲碰撞力

根据起重机运行到端部时的质量和速度，可以估算出缓冲碰撞力F（N）：

式中：t为碰撞所用时间s；m为碰撞质量kg；V1和V0分别为碰撞初速度和末速度m/s。在计算过程V0=0，则式（1）可以简化为：

式（2）可进一步简化为：

式中：a为起重机与端部止挡缓冲器发生碰撞时的减速度。

由式（3）得出最大减速度与缓冲力和缓冲行程的关系，取值过大将导致缓冲力过大，取值过小会使缓冲行程过长，应根据碰撞速度大小选取适当的数值。

1.2 动能定理求取缓冲碰撞力

依据动能定律，起重机械的主要动能应由缓冲器、运行阻力、起重机械结构等吸收。在碰撞过程中的动能可表示为：

式中：W1为起重机械的运行阻力N；W2为起重机械换算到车轮踏面制动力N；S 为起重机械所选缓冲器的缓冲行程m；F(s)为起重机械的缓冲器在碰撞后缓冲过程所受的缓冲力N；本式并未考虑啃轨等一些不确定因素所产生的额外运行阻力。

根据所选缓冲器类型的不同，缓冲器能力吸收公式简化为不同形式，但是都转化为最大碰撞力与有效行程的公式，即：

式中：C为缓冲系数（如表1 所示）；P为起重机械缓冲器在碰撞后缓冲过程中所受的平均缓冲力N。

表1 缓冲系数C示意表

为了达到缓冲器与端部止挡装置发生碰撞后最终速度为0，起重机运行阻力为 是大车运行车轮与轨道摩擦力，而车轮踏面的制动力为大车运行机构制动器产生的制动力矩换算到车轮上的制动力。在计算中及忽略啃轨等不确定因素，则式（5）可以简化为：

1.3 缓冲行程的计算

起重机止挡装置的缓冲器行程主要是根据能量转换的原则计算得到，因此根据式（6）可以得到选择缓冲器需要的行程计算公式：

根据式（7）可以推算出满足行程要求的缓冲器类型，并选择出最合适的缓冲器。

2 对于门式起重机端部止挡系统的优化设想

在上述门式起重机端部止挡的通常设计中所考虑到的情况和通过计算得出的选型都是基于普通情况下正常运行的起重机走行梁与端部止挡相撞的设想，并未考虑由于突发环境下起重机制动器已经生效，车轮与钢轨打滑的情况下与端部止挡相对高速的情况下发生碰撞后产生的危险。

从整体的稳定性角度分析，在发生碰撞时门式起重机的重心都成倍高于缓冲器中心线。由于门式起重机重心高，当与端部止挡装置发生碰撞后，自重的惯性载荷与缓冲器的碰撞载荷形成倾覆力矩，当力矩大于抗倾覆力矩时，门式起重机将发生倾覆。那么在如何在实际的设计和使用中减少倾覆的危险呢？我个人有两点设想。

2.1 通过提高缓冲器与止挡装置的高度来减小倾覆危险

由于门式起重机的对称性以及钢结构相对均布，我们将一台门式起重机简单的建模（如图1）所示，起重机的重力N为：

图1 受力简易图

式中：M为起重机的重量kg；g为9.8 N/kg。

起重机水平方向的所受力N为：

式中：PW为风载荷n；F1为起重机的惯性力n；C为风力系数；Kh为风压高度变化系数；P0为非工作状态计算风压N/m2；A为起重机垂直于风向的迎风面积；m为起重机重量kg；a为加速度m/s2。

由此得出倾覆力矩为：

抗倾覆力矩为：

倾覆的临界值为 ：

由此我们得出理论结果，适当的调高门式起重机缓冲器与止挡装置接触点能够有效地减少倾覆的危险。

2.2 通过轨道在端部增加上升弧度来减少倾覆危险

根据式（12）我们知道，门式起重机在大车车轮与钢轨打滑时的速度与加速度和倾覆也有直接的关系，由此我们设想将起重机大车钢轨在接近两端做相应的抬高（如图2）所示。

图2 车轮与钢轨简图

根据力学中动能与势能的关系：

由式（15）得出速度与高度h的关系为：

门式起重机在钢轨上的滑行速度随着钢轨的升高而变慢，这样就减少了高速情况下撞击止挡的风险，也就减少了倾覆事故的发生。

3 对于设想的可行性探讨

综合上述两个设想，我们认为可以通过1+1＞2的方式来实现。由于门式起重机设计形式的特殊性，导致整个设备的外立面最接近止挡装置的就是下横梁端面，所以想要调高缓冲器的位置，就变得捉襟见肘。但是通过一方面略微抬高止挡装置前的钢轨，使其有一个平缓的上升来减少速度，另一方面在现有不改变强度的情况下调高缓冲器的位置。