港口起重机械特指在港口作业的起重机械，通常被用来完成船舶和车辆的装卸，库场的堆码、堆垛和转运，舱内、库内和车内的作业以及船厂内的安装等作业，是一种进行间歇动作的机械，具有短暂、重复、周期性循环的工作特点。随着港口起重机数量的不断增加，起重机设备也朝着大型化、高效化方向发展，起重机的这些变化也引发港口起重机外形尺寸、迎风面积、工作风载、风力作用中心高度的增加，进而对港口起重机械尤其是大型起重机械的防风性能提出更高的要求。
国内外因风灾造成港口起重机倾覆事故时有发生。例如：1996 年湛江港遭15 号台风袭击，导致16 台港口起重机倾覆，成为新中国成立后最大的港口灾难之一；1991 年7月青岛港突发飓风，造成2台岸桥相撞倒塌，致使港口集装箱作业停产半年；2003年韩国釜山港受“蝉鸣”号台风袭击损失惨重。
本文以港口2 750 t/h卸船机为例，采用数值模拟计算的方式，分析在7级风速下卸船机工作状态防倾覆和防滑移性能，以提升港口企业大型起重机械抗风性能、抗风灾和减灾能力。
1卸船机工作状态抗风性能评估方法
依据《港口装卸机械风载荷计算及防风安全要求》（JT/T 90—2008）和《起重机设计规范》（GB/T 3811—2008）所提供的公式进行校核计算，分别从防倾覆稳定性、抗风防滑安全性2个方面进行评估。
1.1起重机械防倾覆稳定性评估方法简介
在校核计算中，当稳定力矩的代数和大于倾覆力矩的代数和时，认为该起重机整机是稳定的。由自重载荷产生稳定力矩，由除自重载荷外其他载荷产生倾覆力矩，它们都是对所规定的特定倾覆线计算的结果。
计算中要考虑起重机的结构形态及其零部件的位置，各项载荷与力作用的方向及其影响均按照实际可能出现的最不利载荷组合的原则来考虑。校核计算的假定是起重机在坚实、水平的支承面上或轨道上工作。
抗风防倾覆总力矩计算公式为
M=M重+M风+M货+M惯
式中：M为总力矩，即倾覆力矩与稳定力矩之和，N·m；M重为起重机械各部件重力产生的力矩，N·m；M风为起重机械和货物受风压产生的力矩，N·m；M惯为臂架收缩、机械回转产生的力矩，N·m；M货为货物提升产生的力矩，N·m。
防倾覆判断标准：当M>0时，不会发生倾覆；当M<0时，会发生倾覆。
1.2起重机械抗风防滑安全性评估方法简介
起重机正常工作状态设定为带载荷、顺风、下坡运行制动，此时的抗风防滑安全性检验计算公式为
P制≥1.1P风 +P惯 +P坡-P摩
式中：P制为运行机构制动器在车轮踏面上产生的制动力，N；P风为起重机承受的风载荷，N；P惯为起重机运行停车减速和回转惯性力，N；P坡为起重机自重载荷与起升载荷沿坡道产生的滑行力，N；P摩为起重机运行摩擦力，N。
防滑移判断标准：
P摩≥1.1P风 +P惯 +P坡
1.3风荷载选取
依据《风力等级》（GB/T 28591—2012）规定的7级风速值，选取3 s瞬时风速为23.7 m/s的风载荷作用或10 min平均风速为13.9~17.1 m/s的风载荷作用，计算防滑制动力和防倾覆力矩，同时考虑重力、货物位于前大梁最前端起升作用力。
2港口2 750 t/h卸船机防倾覆稳定性计算分析
2.1倾覆边和全局坐标系选取
港口2 750 t/h卸船机的防倾覆稳定性计算，选择2条倾覆边，分别为倾覆边1（海侧轨道）、倾覆边2（最左侧2个车轮与轨道接触点连线）。计算岸桥各部件重心时，坐标原点位于龙口的中心位置，X轴平行于轨道方向，Y轴垂直于轨道方向，Z轴垂直于轨道面。选择倾覆边示意图见图1，全局坐标系示意图见图2。
图1选择倾覆边示意图
图2全局坐标系示意图
2.2相对于倾覆边1产生的力矩
计算中要考虑卸船机的结构形态及其零部件的位置，各项载荷与力作用的方向及其影响均按照实际可能出现的最不利载荷组合的原则来考虑。
相对于倾覆边1最不利的载荷组合：重力+Y向风作用力+货物位于前大梁最前端起升作用力。
2.2.1重力相对于倾覆边1产生的力矩
计算卸船机各部件所受重力相对于倾覆边1产生的力矩，考虑各个构件的重心位置、质量、所受重力，各个部件所受重力相对于倾覆边1的力矩之和M重=1.25×108 N·m。
2.2.2Y向风作用力相对于倾覆边1产生的力矩
计算卸船机各部件受计算工况下风载荷作用产生力相对于倾覆边1产生的力矩，考虑各个构件的重心位置、结构物的风载体型系数、迎风面积、结构纵轴相对于风向的夹角、风作用产生的力，各个部件受风作用力相对于倾覆边1的力矩之和M风=-1.37×107 N·m。
2.2.3货物起升产生作用力相对于倾覆边1产生的力矩
计算货物位于前大梁最前端起升作用力相对于倾覆边1产生的力矩，货物的质量取最大额定载荷64 t，并考虑抓斗的质量23.2 t，经计算货物与抓斗提升产生的力矩M货=-4.94×107 N·m。
2.2.4评估结果
货物起升作用力相对于倾覆边1产生的力矩的计算结果，M总=M重+M货+M风=0.61×108 N·m>0。当M总>0时，不会发生倾覆；当M总<0时，会发生倾覆。因此，卸船机在工作状态承受计算工况下风载荷作用时，相对于倾覆边1不会发生倾覆。
2.3相对于倾覆边2产生的力矩
计算中要考虑卸船机的结构形态及其零部件的位置，各项载荷与力作用的方向及其影响均按照实际可能出现的最不利载荷组合的原则来考虑。
相对于倾覆边2最不利的载荷组合：重力+负X向风作用力+大车行走减速或加速产生的惯性力。
2.3.1重力相对于倾覆边2产生的力矩
计算卸船机各部件所受重力相对于倾覆边2产生的力矩，考虑各个构件的重心位置、质量、所受重力，各个部件所受重力相对于倾覆边2的力矩之和M重=2.63×108 N·m。
2.3.2负X向风作用力相对于倾覆边2产生的力矩
计算卸船机各部件受计算工况下风载荷作用力相对于倾覆边2产生的力矩，考虑各个构件的重心位置、结构物的风载体型系数、迎风面积、结构纵轴相对于风向的夹角、风作用产生的力，各个部件受风作用力相对于倾覆边2的力矩之和M风=-1.85×107 N·m。
2.3.3大车减速或加速惯性力相对于倾覆边2产生的力矩
计算大车减速或加速惯性力相对于倾覆边2产生的力矩，大车行走速度为25 m/min，减速或加速时间为5 s，加速度为0.083 3 m/s2。考虑各个构件的重心位置、质量、惯性力相对于倾覆边2力矩，各个部件所受惯性力相对于倾覆边2力矩之和M惯=-0.39×107 N·m。
2.3.4评估结果
经计算，M总=M重+M惯+M风=2.41×108 N·m>0。当M总>0时，不会发生倾覆；当M总<0时，会发生倾覆。因此，卸船机在工作状态承受计算工况下风载荷作用时，相对于倾覆边2不会发生倾覆。
3港口2 750 t/h卸船机防滑移稳定性计算分析
3.1X向风作用力
计算卸船机各部件受计算工况下风载荷作用产生力，考虑各个构件的重心位置、结构物的风载体型系数、迎风面积、结构纵轴相对于风向的夹角、风作用产生的力，将各部件承受的风作用力相加等于卸船机承受的风作用力P风=5.77×105 N。
3.2大车减速或加速惯性力
计算大车减速或加速所产生的惯性力。大车行走速度为25 m/min，减速或加速时间为5 s，加速度为0.083 3 m/s2。考虑各个构件的重心位置、质量、惯性力，将各部件承受的惯性力相加等于卸船机承受的惯性力P惯=1.33×105 N。
3.3车轮踏面制动力计算
营口港卸船机大车行走机构共有车轮48个，其中：驱动轮数量为28个；制动轮数量为20个。制动车轮每个夹轮器的最大静摩擦力为7.2×104 N。
3.4摩擦力计算
总轮压为每个车轮承受的额定起升载荷与自重载荷之和，P压=1.68×107 N。假定每个车轮承受的轮压相同，则每个车轮承受的轮压P压/48=3.5×105 N。
当制动车轮与轨道之间发生静摩擦时，每个车轮与轨道之间的静摩擦力Pf静=4.9× 104 N。制动轮与轨道之间的静摩擦力小于制动车轮每个夹轮器的最大夹紧力所产生的摩擦力，进行卸船机防滑移稳定性评估。
由此可知，20个制动车轮受到的总静摩擦力Ptf静=9.8× 105 N；28个驱动车轮受到的总静摩擦力Ptf滑= 0.59×105 N；40个车轮受到的总摩擦力P摩= Ptf静+Ptf滑=10.39×105 N。
3.5评估结果
当P摩>1.1P风+P惯时不会发生滑移，在此，P摩>1.1P风+P惯=7.67×105 N。因此，卸船机在工作状态承受计算工况下风载荷作用时不会发生滑移。
4结论
以港口2 750 t/h卸船机为例，采用数值模拟计算的方式，分别计算和分析在7级风速下卸船机工作状态防倾覆防滑移性能。研究结果表明：港口卸船机在承受3 s瞬时风速为23.7 m/s的风载荷作用或10 min平均风速为13.9~17.1 m/s的风载荷作用下，相对于倾覆边1满足防倾覆要求，相对于倾覆边2满足防倾覆要求；卸船机在承受3 s瞬时风速为23.7 m/s的风作用下或10 min平均风速为13.9~17.1 m/s的风作用下，满足防滑移要求。
