轨道起重机在风荷载作用下的制动性能外文翻译资料

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轨道起重机在风荷载作用下的制动性能

摘要：轨道式起重机以运行速度工作时可能由于突然的阵风而容易损坏，这是由于大质量和高重心位置。在当前设计中，轨道起重机主要通过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制动，而引起起重机的安全问题，并因此导致频繁的起重机事故，特别是在突然的阵风中。因此，研究轨道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道龙门起重机，并进行模型的动态分析，以推导制动性能方程，反映制动时间，制动距离，风荷载和制动之间的质量关系曲线。研究表明，在恒定的制动力矩下，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，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，显示在各种制动转矩下制动时间和距离与风力的变化。阈值风力可以通过拟合曲线的导数获得。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合理的设计。

关键词： 动态分析; 制动性能; ADDAMS; 防风设计。

1现状介绍

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）。 由于它们的质量大并且重心位置高，如图1所示，起重机在运行速度下外部工作时容易损坏，甚至在大风载荷下塌缩。（Simiu和Scanlan 1986，Forristall 1988，Ochi and Shin 1988，Mara和Asce 2010，Han和Han 2011）。 常规制动器不能有效地制动，并确保起重机在突发阵风中的安全性。因此，对于轨道式起重机来说，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）。

图片1 轨道式龙门起重机 图片2被风吹垮的起重机

目前，轨道式起重机最常用的防风装置包括滑动制动器，锚固装置，制动卡钳等。滑动制动器通过与地面接触增大制动力矩来限制起重机滑动（图3（a）和3（b））同时锚固装置通过将起重机固定在地面上来避免滑动（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，制动钳可以使用，但制动力是有限且未严格安装（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滑动制动器

图四锚固装置

图5制动钳 图6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。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，以避免使用中产生的冲击载荷和摇摆载荷。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，既没有预防措施，也未考虑风荷载，制动转矩和可能涉及到的制动性能之间定性或定量关系。

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。Zhang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）。Wu模拟了不同类型风载荷下轨道起重机的制动性能（Wu 2011）。Lee分析了风洞试验中，风载荷对50吨集装箱起重机的稳定性的影响（Lee et al。2007）。McCarthy提出了制动系统的建议（McCarthy等人2007）。但迄今为止，在任何研究报告中都没有提到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。

在这项工作中开发了一个简化的机械模型，研究轨道起重机具有的变量如制动时间，制动距离，风力和制动扭矩。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，称为阈值风力。

此外，通过使用ADAMS模拟工作的300吨造船门式起重机，研究变量之间的反关系，并通过拟合计算进行分析。通过定量关系，容易确定在一定的扭矩下阈值风力，从而能够对工作起重机的防风性能进行科学评价。

2.理论分析

2.1 简易机械模型

如图1和图2所示，典型的轨道起重机的简化机械模型。 如图7（a）和7（b）所示，具有长方体，四个圆形轮和两个圆柱形轴。

图7轨道起重机简易机械模型

图8 起重机机身和轮的受力分析

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））。风荷载被简化为施加在起重机主体的重心上的恒定集中力（风力）。假设在相同的制动转矩下，四个车轮均匀受力。由于四个车轮的受力分析是类似的，仅示出了车轮A的典型分析过程。

如图1所示。 如图8（a）所示，X和Y轴与起重机主体的重心O建立在同一平面内，Z轴通过重心O。假设起重机车身的初始速度VO沿着X轴的负方向，而制动加速度ao沿着正方向。该空间力系统的平衡方程可以描述为

sum;FX = 0 = F _AX F_BX F_CX F_DX - F_W - m₁a₀

sum;FY = 0 = F_AZ F_BZ F_CZ F_DZ - m₁g

sum;MA-D = 0 = F_CZL F_BZL - m₁g(L₂- a) - F_WK/2 - m₁a₀h

sum;MC-D = 0 = F_AZK F_BZK - m₁g(K₂ - b) = 0

sum;MZ = 0 = (F_AX - F_DX)K/2 (F_BX- F_CX)K/2 - m₁a₀b

其中Sigma;FX和Sigma;FY是沿X和Y轴的合力; Sigma;MA-D，Sigma;MC-D和Sigma;MZ是围绕A-D，C-D和Z轴的合力矩; m1指定起重机主体的质量，Fw指定施加在重心上的，与初始速度共享相同方向的风力; m1a0是沿X轴相反方向施加的惯性力以及起重机主体的重心。没有来自具有轴的车轮的扭矩连接，只有沿X和Z轴（FAX，FBX，FCX，FDX和FAZ，FBZ，FCZ，FDZ）的集中力。注意，模型忽略沿着Y轴的力。L是两个轴之间的距离，K是起重机身高。b，a，h分别指定重心O和X轴，Y轴，底面之间的距离。

为了分析起重机轮的运动，建立如图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。假设所有车轮均匀，重心和质心为同一点。假设运动是纯滚动，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。

sum;F_X = 0 = m₂a₀ F_AX- F_AX

sum;F_Z = 0 = F_AZ m₂g - F_AZ

sum;M_O = 0 = F_AXR - M_Adelta; - M J_oalpha;

M_Adelta; = delta;F_AZ

a₀ = Ralpha;

Jo = 1/2m₂R²

以相同的方式，Sigma;FX和Sigma;FY是沿X和Y轴的合力;Sigma;Mo是围绕重心O的合力矩;m2指定车轮的质量，R指定半径;delta;表示滚动阻力系数;乔是中间的时刻。假设轮由于其小体积和质心的低高度而在无风力负荷下滚动。M，MAdelta;是与车轮共享相反滚动方向的滚动阻力偶的制动转矩和力矩。 虽然Joalpha;（施加在重心上的惯性矩）与车轮共享相同的滚动方向，但是具有角加速度alpha;的相反方向。m2a0是沿加速度a0的相反方向施加的惯性力。FAX是指以相同的加速度方向从地面施加到车轮的摩擦力。FAZ指定传递到车轮的垂直力。

从起重机体和四个车轮的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a0，风力FW和制动转矩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）示于方程（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。

a₀ = [-F_WR delta;(m₁ 4m₂)g 4M₂]/(m₁ 6m₂)R

t = [V₀(m₁ 6m₂)R]/4M - F_WR delta;(m₁ 4m₂)g

s = V0₂(m₁ 6m₂)R₂[4M - F_WR delta;(m₁ 4m₂)g]

2.2 结论与谈论

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6和7所示。图9（a）和9（b）。

图9 恒定制动转矩条件下，制动时间和距离与风力的曲线

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（阈值风力）时，制动时间和距离都急剧增加。工作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。作为工作轨安装起重机的安全基础，发展制动转矩和阈值风力之间的关系，可以为计算合理的制动转矩提供理论依据，确保相应的阈值风力大于实际风力负荷。

3.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造船龙门起重机研究制动转矩与阈值风力之间的关系。在制动力矩和风荷载的组合效应下的总体结构动态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，占总数的一半

车轮。 ADAMS / View中的有限元模型如图1所示。图10（a）和10（b）。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。库仑接触力应用在车轮和铁路轨道接触的任何地方，遵循IMPACT函数（Fan et al.2006，Yu and Qian 2006），如公式1所示。（8）。

图10 300船用门式起重机模型

IMPACT= Max(0,k(x₁-x)^e-STEP(x,x₁-d,cmax,x₁,0)x, xlt;x₁

0 , xgt;x₁

其中x指定用于计算IMPACT函数的距离变量; x1是指定x的自由长度的正实变量;x指定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; cmax表示指定最大阻尼系

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