基于等效風載模型的門式起重機整體抗風性能檢測技術研究

蔡福海，盛 林，高順德，朱建康

（1.常州機電職業技術學院機械工程學院，江蘇常州213164；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇南京210036；3.大連理工江蘇研究院有限公司，江蘇常州213164）

門式起重機廣泛用于室外貨物的裝卸和搬運作業，在服役多年后，整機制動性能會有所下降。如果不采取有效的抗風防滑措施，起重機在工作狀態下突遇強陣風或非工作狀態下遭遇暴風，起重機有可能沿軌道滑行甚至傾翻，導致巨大的財產損失和人員傷害。因此，對在役起重機的最大抗風性能檢測技術進行研究，具有重大的經濟價值和社會意義。

Frendo等［1］針對某龍門起重機的風載事故，基于有限元梁模型對負載進行平面分析，闡述了起重機受到風載塌陷的原因。唐飛等［2］基于ADAMS動力學仿真軟件，對龍門起重機的抗風制動過程進行了動力學仿真分析，明確了風載失效機理，并對前后輪制動力的協調控制進行了研究，得到了兩輪協調匹配控制模型，進而得到最大的制動力。萬當［3］基于流體動力學對門式起重機進行了數值分析與模擬，得到不同風速、不同風向下起重機的表面風壓、周圍風速圖，并總結出了風速風壓變化的一般規律，為企業擬定防風策略提供了有效依據。仇佳捷［4］基于等效靜力法對港口起重機的防風能力進行了論證，提出了一種液壓測試機構來實施整機抗風檢測。陳明琪等［5-6］提出了一種便攜式的門式起重機抗風性能檢測裝置，能夠實時采集起重機信號，對起重機整體實施抗風性能等級測試。

可以看出，目前絕大部分抗風測試的對象是起重機大車制動器，是在實驗室內對其制動扭矩進行檢測，很難考慮“鐵鞋”等軌道固定器或錨定裝置的作用，對于起重機整體抗風性能檢測無法實施。還有部分試驗裝備可以在室外實施整機檢測，但并沒有區分起重機的剛性腿和柔性腿之間的受力不均勻導致的風載差異，無法有效指導起重機抗風措施的實施。

本文以典型門式起重機為研究對象，基于有限元仿真技術，考慮現場風速、風向對實測風載效果的影響，研究了起重機剛、柔腿的止檔模塊支反力（后續簡稱“支反力”）與風速的對應關系，建立了油缸頂推力等效風載模型，并開發了門式起重機整體抗風性能檢測裝備，為在役門式起重機的現場抗風性能檢測提供了方法參考。

1 動力學仿真模型

等效風載模型的建模思路如圖1所示。以典型門式起重機為研究對象，基于ANSYS建立有限元模型，并導入ADAMS進行動力學仿真分析，得到不同風速、風向下的支反力，建立支反力與風速的對應關系。下面以某100/32 t典型剛、柔腿起重機為例闡述分析過程。

圖1 等效模型建模流程Fig.1 Modeling process of the equivalent model

起重機主要參數如表1所示。風載計算中，沒有考慮欄桿等迎風面積較小的零部件，經計算對結果影響很小。

表1 100/32 t門式起重機主要參數表Tab.1 Main parameter table of 100/32 t gantry crane

利用ANSYS軟件進行有限元建模，如圖2所示。

圖2 柔體有限元模型Fig.2 Finite element model of the flexible body

由于支腿高度較高，根據文獻［7］，在支腿上設置5個區域，用于模擬風速隨高度的變化影響：

式中：Vh為高度h處的風速，m/s；V0為高度h0處的風速，m/s；c為冪指數，和地面粗糙度有關，可取c=0.2。

在每個支腿上設置5個耦合點，用于計算風壓的分區域加載。將有限元模型導入ADAMS軟件，如圖3所示。全約束起重機左側止擋部分，并設立傳感器，用于測量支反力。部分約束起重機右側止擋，只放開其沿著軌道方向的約束。由于大車行走軌道對起重機的約束，加載風壓后，圖3中全約束止擋處的反力等效為整機理論風載引起的作用力。

圖3 ADAMS動力學模型Fig.3 Dynamic model based on ADAMS

據文獻《起重機設計規范》GB/T 3811［8］，計算風壓和理論計算風載：

式中：p為理論計算風壓，N/m2；Vs為計算風速，m/s；F為由于理論計算風壓所引起的風載荷，N；A為有效迎風面積，m2；C為風力系數，無量綱；η為擋風折減系數，無量綱；θ為風向與構件縱軸或構架表面的夾角，（°）。

2 仿真分析

在ADAMS中對不同風速下的動力學模型

實施風壓分段加載［9-10］。在不考慮摩擦力影響下，其剛性腿、柔性腿處支反力與起重機整體理論風載荷、風速的仿真結果如表2所示，其變化關系曲線如圖4所示。

圖4 支反力與理論風載荷、風速的變化關系曲線（工作狀態）Fig.4 The relationship curve between the counterforce and the theor etical wind load and wind speed（working state）

表2 支反力與起重機整體理論風載荷計算數值Tab.2 Counterforce and the calculation value of the crane’s overall theoretical wind load

可以看出，由于迎風面積、擋風折減系數、風力系數等參數的不同，會引起剛性腿和柔性腿支反力的不同。引入載荷比例系數：

則通過α、β兩個參數，當已知理論計算風載F時，可計算得到剛性腿和柔性腿的支反力。仿真的目的就是確定不同起重機的α、β。

3 等效風載模型計算

考慮用液壓缸來同步頂推剛、柔性腿止擋，即用油缸頂推力FD來等效模擬理論風載F。當起重機被油缸推動的瞬間，FD即為起重機整體能承受的最大抗風載荷。當FD或F已知，式（3）中的Vs則成為待求參數，即起重機能夠承受的最大風速。

當現場實測環境無風，理論風載F傳遞到柔性腿和剛性腿的支反力為

式中：x、y為調整系數，默認是1，用于實測過程中的模型微調。

當現場實測環境有風時，風速、風向會對油缸頂推力測量造成影響，因此需要修正?，F場瞬時風速Vss，通過傳感器獲取，其產生的瞬時風載為

傳遞到柔性腿側的力為

傳遞到剛性腿側的力為

當瞬時風載和頂推力的方向一致時，即油缸以較小的頂推力推動起重機，表現出來的等效風速偏小，所以實際在計算中，應該把瞬時風速所引起的風載加上油缸頂推力，以這個合力作為等效風速引起的等效載荷。

那么此時的起重機最大抗風性能計算公式為

式中：FDr為柔性腿油缸頂推力，測量獲取，N；FDg為剛性腿油缸頂推力，測量獲取，N。

綜上，當柔性腿和剛性腿處的頂推力已知時，可計算等效風速Vs為

當瞬時風載和頂推力的方向相反時，得到

式中：當FDr+FDg-0.625?Vss2?A?C(1+η)?sin2θ?(α?x+β?y)＜0時，則令Vs=0。

4 案例分析

以本文案例進行分析，以α=0.40、β=1.25和不同的Vss代入式（13）計算，結果如圖5所示。

圖5 頂推力與等效風載計算結果Fig.5 Calculation results of thrust force and equivalent wind load

現場檢測方案和等效風載判定分別如圖6和圖7所示。

圖6 風載模擬裝置布置圖Fig.6 Design plan of the wind load simulation device

圖7 等效風載判定流程圖Fig.7 Judgment flow chart of the equivalent wind load

通過仿真和現場實測，測試結果如表3所示?？梢钥闯?，在僅僅大車制動器作用情況下，可以抵抗23.1 m/s的計算風速而不移動。

表3 現場實測結果Tab.3 Field test results

5 結論

（1）基于ANSYS建立了某典型門式起重機剛、柔腿多體動力學模型，通過ADAMS動力學仿真分析，得到了載荷比例系數，建立了基于油缸頂推力與風載的等效模型?；诖朔椒?，可以對多種類型起重機進行仿真分析，得到不同的載荷比例系數，方便用于多種類型起重機的等效風載計算。

（2）提出了一種方便現場檢測的門式起重機整體抗風性能檢測方案。通過電動泵驅動油缸自動頂推，監測起重機大車行走機構的移動速度和位移信息，降低了現場檢測的技術難度，為在役門式起重機的現場抗風性能檢測提供了方法參考。