轨道式起重机抗风能力检测装置设计外文翻译资料
2021-12-31 23:29:28
英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
摘要 这篇文章分析了龙门起重机的灾难性的脱轨事故。在时速约110公里的强风持续作用下，起重机开始滑动并在行驶60米后脱轨倾覆。幸运的是，这次事故没有人员受伤。
起重机配备了被动轨道夹具，尺寸是根据标准中规定的非工作状态下最大风载荷确定的。通过对起重机的技术数据和安装夹具的分析，得出了这样的结论，在计算非工作状态风荷载时没有考虑气动系数。因此，夹具没有达到当前的要求，不能使起重机保持抵抗最强的风荷载，这可能发生在工厂的安装区域。基于起重机几何形状和风力记录的分析表明，在事故发生时，风力负载超过了夹具制动的能力。 基于梁模型对起重机负载情况进行平面分析，能解释起重机坍塌的方式，绕其中一个支腿的垂直轴线旋转，估算出了起重机转向架和轨道之间的交换载荷 ，这使几个轨道锚固螺栓破裂。
事故是由设计错误引起的，这也指出了进行多次独立检查和精确计算的必要性，否则在某些情况下有很大危险，比如对在大型工厂里工作的操作员。
关键词 龙门起重机 脱轨 风载 失败 设计错误
绪言
本文分析了龙门起重机的灾难性的故障。 如图1、图2所示，在很强的风载作用下，起重机开始滑移脱轨，进而倾覆。起重机顶部舱内的操作员报告说，在强风作用下，起重机在防爬器工作的情况下，在一定时间后开始滑动，在运行约几十米（约50-60米）后脱轨了。
图1.事故发生后的起重机图片。 摆腿仍然在行进轨道上，而固定腿旋转并部分落在化石丛中（参见图2）。
图2.事故发生后固定腿的细节。 一些轨道锚固螺栓被破坏，转向架脱轨，占据了乱石丛中轨道下方的部分轨道。
与起重机相关的安全和风险分析是工业和环境的重要问题，特别是在建筑行业[1]，[2]，[3]，[4]，[5]。 然而，据作者所知，这种涉及由风引起的起重机漂移的事故以前没有记录在技术文献中。 风力是起重机设计要考虑的气候效应造成的载荷之一，并且风力对起重机结构的完整性和稳定性的影响已在若干工作中进行了讨论（参见例如最近的论文[6]，[7] ，[8]，[9]）。
根据标准，风荷载基于给定的参考速度，该参考速度与不同的操作条件有关[10]，[11]，[12]。 动态风压N / m2必须通过以下关系作为风速V（m / s）的函数进行评估：
P=0.613V2(1)
工作风速可高达28米/秒（100.8公里/小时），相当于约500牛顿/平方米的动态压力（标准中给出的值）。 另一方面，停用的风是地面高度的函数，高度在20米到100米之间的结构是42米/秒（151.2公里/小时），相当于大约1100 N / m2（标准中给出的值）的动态压力。 标准还给出了如何评估由风引起的漂移阻力的指示，并建议使用导轨夹或类似的替代措施来防止停止漂移。2
起重机几何形状和故障描述
该起重机是一座古老的机器，可追溯到20世纪40年代。 图3给出了起重机的示意图：它由两个具有不同长度的支腿和具有起升机构的上部结构组成。 行程轨道与载荷提升高度之间的跨度分别约为90米和24米。 总高度为33米，上部结构的高度约为9米。 对于摆腿和固定腿，腿高分别约为22.5米和17米。 每条腿末端有两个转向架，每个转向架有两个带有双法兰的钢轮（直径120厘米），以保持转向架在轨道上（图4）。
图3.示意图：（a）龙门起重机的前视图和（b）侧视图。
图4.带轮子的转向架之一（拆卸起重机后拍摄的照片）。
最近，在21世纪初，每个转向架都被赋予了新的被动导轨夹具（安装在属于摆腿的转向架中的夹具在图5中可见）。
图5.两个转向架（摆腿）的图片，其中可以看到无源夹具。 由于非常高的接触载荷导致了永久变形，两个夹具的轴线在事故发生后相对于轨道在相同方向上倾斜。
图6.导轨夹具示意图。
在事故发生后对夹具进行详细检查有以下原因：摆腿与行走轨道上的两个转向架保持一致（图1），而在另一侧，固定腿在底视图中逆时针旋转并脱轨，导轨的一些锚固螺栓断裂（ 图2），起重机的一些结构坍塌;安装在摆腿上的夹具的摩擦片不再处于工作位置，因为承载片的系统破裂（图7a），或者是将反应块固定到夹具上的螺栓破裂了（图7b）; 其中一个摩擦垫是在乱石丛中发现的，在漂移前起重机的初始位置附近，另一个仍在夹钳下，但是它不再施加任何制动作用（见图7b和8）。
图7.事故发生后属于摆腿的导轨夹的底视图。 由于承载摩擦片（a）的系统的破裂，或者反应块（b）的螺栓破裂，摩擦片不再处于适当位置（也参见图8）。
图8.摆腿的一个夹子（图7b中所示的一个）的底视图，其失去了制动功能（a）。 左（图7b和8a中）反应块的三个螺栓断裂（b）。
事故重建
负责人，意大利法院专家顾问将事故分析和重建工作分两个阶段进行。 在第一部分中，将轨道夹具的承载能力与当前法规的要求和事故发生时的风荷载进行比较，以了解夹具是否设计得当，并验证实际风荷载是否超过其最大承载能力。 之后进行分析，试图解释起重机坍塌的方式，这已经参考图1，图2进行了描述。
事故发生时的夹具设计和风荷载
根据标准[10]，[11]，[12]，以牛顿为单位的风荷载F，作用于起重机的每个元件，必须通过以下关系获得：
F=pACf (2)
其中p是方程式给出的动态风压。 （1），A是所考虑元素的有效正面区域，Cf是该部分的风向形状系数。该系数取决于元素的几何形状，并在参考表中给出：对于平面截面，构成起重机结构的截面Cf = 1.7 [9]。然后，通过总结构成起重机的所有部件的贡献，同时考虑屏蔽效应，可以获得起重机上的总风荷载。此外，考虑到起重机的分类（A8类），标准建议使用1.2安全系数应用于方程式。 （2），在编制用于安装轨道夹具的技术报告中，动态风压为p = 1.1 kN / m2（相当于风速为42 m / s），总起效量为起重机A = 350 m2。假定。没有考虑形状系数，因此，失效条件下的总风荷载估计为462千牛（46.2吨）。
每个选定的导轨夹具的最大理论能力为124 kN，总制动能力为496 kN（49.6 ton）。 。 一个应考虑的上述估计的非工作状态下的小的余量被选择。此外，未考虑建议的安全系数。 参考这一点，值得注意的是，考虑垫和轨之间的理论0.58摩擦系数，估计最大夹紧能力; 该值已通过TUV认证为新的摩擦垫。
在事故分析重建期间对有效面积进行的准确评估显示，有效迎风面积被低估了; 考虑形状系数Cf = 1.7，相对估计的非工作状态载荷，工作状态的风荷载相当于1100 kN（110吨），即大于2.2倍，这被认为是铁路夹具的选择。 起重机本应该具有夹具，或者具有替代的防漂移系统，这会显著提升更大的防爬能力，计算不准确这将是一个被抓住的证据。
另一方面，尽管选择了夹具，但事故重建必须基于事故发生时的风荷载。 实际风荷载是根据两个独立的数据估算的：由位于工厂设施中的风速计，起重机附近（图9a）和从南丫岛网站获取的数据给出的记录; 南丫岛是由托斯卡纳地区和意大利国家研究委员会建立的公共财团，该委员会在事故地区设有气象站（图9b）。 事故发生在午夜之后，当时，根据两次记录，平均风速约为90-100公里/小时，阵风约为110公里/小时（见图9b）。
图9.事故发生当天的风录。 记录位于起重机附近的风速计（a）并记录南丫岛气象站（b）。 Lamma记录（面板（b））显示每小时4个值，表示每小时一小时的平均风速（上图）和阵风最大速度（下图）。
对于起重机漂移，平均风速接近最大阵风速度，这意味着风力强劲且不间断。对南丫岛网站上可用的记录进行的搜索证实，这是在过去3年中记录的最强风，这说明特别危险的情况就是事故发生的时候。
沿着滑动方向的风荷载通过考虑风的方向（SO，站在西南，在图9b中）和更新的有效区域来评估，考虑减少的正面面积和来自起重机腿。
根据风速为V = 108 km / h（30 m / s），关系式（1），（2）得到的总风荷载为431 kN，非常接近最大理论夹紧能力496 KN。类似地，可以发现341kN的风载荷对应于96km / h（26.7m / s）的风速。
如果考虑0.5或更低的摩擦系数（而不是0.58的标称值），可以很容易地发现风荷载超过夹紧能力。特别地，如果假设摩擦系数分别为0.5或0.4，则总夹具容量变为428kN或342kN。考虑到摩擦垫的磨损（见图10）和垫和轨道表面的非完美状态，这些摩擦系数值很可能出现。
图10.事故发生后摩擦垫的图片，显示出接触表面的明显磨损。
起重机载荷分析和故障说明
可以合理地假设，在漂移开始时，摆腿的夹子失去了它们的摩擦垫;实际上，正如第2节所述，在起重机的初始位置（漂移前）附近的化石丛中发现了一条摆锤的摩擦垫。由于垫承载系统或将反作用块固定到夹具壳体上的螺栓破裂，摩擦垫不再处于适当位置（图7，图8）。这种破裂可能是由于高摩擦载荷和粘滑现象导致的动态载荷引起的，最终通过转向架结构的可变形性（这些也可以在图5中识别）和可能铁路表面的非完美线性度得到增强。
为简单起见，图11表示在分布的风和惯性载荷的作用下，在脱轨之前的起重机的装载方案和变形形状的平面模型。通过支腿施加在轨道起重机上的约束作用是不同的，假设在摆腿侧摩擦垫在初始漂移阶段期间丢失（见第2节末尾）。
图11.在分布的风和惯性载荷的作用下，起重机的顶视图（a）和变形的形状（b）的装载方案。
在两侧，导轨通过转向架中的车轮进行弯曲反应（见图4）。 这些分别用M1和M2表示。 另外，在左侧参照图11，固定腿使两个摩擦垫处于适当位置并且可以施加纵向制动力，在图中用F表示。 该分析被认为是静态的，并且在图中假设纵向载荷F（其表示安装在固定腿上的夹具的总制动载荷）等于分布的风和惯性载荷的合成作用，表示为q。由夹紧能力限制的制动力F被假定为已知常数。
在图11的方案中，假设所有负载都施加在平面中。实际上，分布的风压和惯性载荷的合力在相对于轨道的一定高度处施加，这导致两个支腿的转向架受到的不同垂直载荷（前转向架，在漂移的方向上，在起重机减速期间达到较高的垂直载荷，在加速的情况下反之亦然）。然而，这里假设这种垂直载荷传递不会影响制动载荷，因为夹紧作用是由位于夹具内的Belleville弹簧的预载荷决定的（见图6），而不是由车轮和铁路轨道之间交换的垂直载荷决定的。（在车辆中发生）。
图11中所示的系统是静态不确定的，因为旋转平衡由M1和M2提供。对于静态不确定梁，可以通过标准求解方法轻松求解该系统，并获得以下结果：
M1=FL3(3a)
M2=FL6(3b)
然后，可以得出结论，在固定腿的侧面上已经采取制动作用，在事故发生时，由轨道施加在固定腿上的反作用力矩是由摆腿上的轨道施加的反应力矩的两倍。这意味着在转向架和轨道之间交换的载荷在固定腿侧更大，因此解释了相应轨道的锚固螺栓的破裂以及由此导致的脱轨。
可以观察到反应力矩的方向与图1中已经显示的方向一致;实际上，固定腿通过转向架施加在轨道上的力矩与图11中所示的力矩M1的方向相反。值得注意的是，上面给出的力矩M1和M2相对于它们的实际值估计有些过高。因为它们是在水平面内梁的末端部分零旋转的情况下获得的;这与假设无限刚性的腿相同。
考虑到属于同一支腿的两个转向架之间的相对距离d明显大于同一转向架的轮子之间的距离（图12），每个转向架和轨道T之间的合成负载可以通过以下方式获得：关系：
T=M1/d=FL/3d(4)
图12.轮子和导轨之间交换的负载T.
在先前的考虑的基础上，发现总风荷载在340-430kN的范围内，而新的衬垫（摩擦系数0.58）的总夹紧容量被发现为496kN。
考虑到摩擦系数为0.45，每条腿的制动能力估计约为F = 190kN。 利用该值，与轨道交换的力，等式（4）获得，约T = 350 kN。 另一方面，由于M2 = 0.5M1，转向架和轨道之间交换的负载是该值的一半。
如此估计的350kN的载荷分布在两个轮子上，这是导轨的锚固螺栓破裂的原因，如图2所示。
结论
本文讨论了在持续且非常强风的情况下发生的龙门起重机的脱轨和故障。两次独立的风速记录显示，在事故发生时，平均风速为90至100公里/小时，阵风为108公里/小时。
起重机被赋予了被动导轨夹具。然而，由于在设计误差很小的情况下，夹具的容量大约是现行标准所要求的容量的一半，因为在评估风荷载时没有考虑空气动力系数。另外，有效面积有些被低估了。正确设计无源夹具或替代防漂移系统可以防止事故发生。
在这方面，证明安全系统的设计应经过独立审查，特别是在环境或操作人员或人类的高风险情况下。
在事故发生后对被动夹具的详细检查观察到，在脱轨时，制动作用仅存在于起重机的一侧（即固定腿的转向架上）。
平面内负载方案能清楚地解释起重机脱轨的方式并估计固定腿和轨道的转向架之间交换的载荷，这导致一些轨道锚固螺栓的破裂。
References
[1]A. Suruda, D. Liu, M. Egger, D. Lillquis
全文共6972字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[2624]
