門式起重機手動夾軌器抗風防滑機理

陸紅，鄭遠斌，張長城，匡朝暉，冼嘉和，韓少浦

門式起重機手動夾軌器抗風防滑機理

陸紅1，鄭遠斌1，張長城2，匡朝暉1，冼嘉和1，韓少浦1

（1.中交第四航務工程局有限公司，廣東廣州510291；2.溫州合力建設機械有限公司，浙江溫州325401）

門式起重機配置安裝抗風防滑裝置，是保障起重機在非工作狀態(tài)下遭遇強風襲擊時，能有效阻止起重機滑移、傾覆。手動夾軌器是最常見的一種抗風防滑裝置。通過對手動夾軌器的抗滑機理研究，得出了夾軌器的夾持板不但與鋼軌側面形成摩擦副阻抗門機滑移，且槽形鉗口產生的被動抗滑力更大，即自鎖效應。以使這類結構簡單，抗風效果好，操作便捷的手動夾軌器能更好的發(fā)揮其功能。

起重機；夾軌器；防風抗滑；機理分析

1 概述

門式起重機由于具有良好的工藝性、經濟性、安全性以及故障率低等優(yōu)點，被廣泛的應用于工程施工領域。室外工作的門式起重機按要求需配置安裝抗風防滑裝置[1]，以保障起重機在非工作狀態(tài)下遭遇強風襲擊時，防風裝置能有效阻止門式起重機在軌道上的滑移碰撞、傾覆。

由于抗風防滑裝置屬起重機在非工作狀態(tài)下的附屬配套件，長期以來在業(yè)內，不論是設計、制造、安裝以及使用都未引起足夠的關注，也較少對其抗風防滑的機理、結構工藝性、操作工藝性等進行較多的研究。以至于許多現有的產品五花八門，有些抗風防滑能力較弱，操作工藝性不佳，給使用帶來諸多不便，時有出現疏忽的情況。特別是近年來異常氣候增多，風災事故頻發(fā)[2]，當門機遭遇強風襲擊時，可能因安裝配置的防風裝置性能不佳、操作人員未按規(guī)程正確操作及使用，造成門機被強風吹跑、傾覆，甚至造成人員的傷亡事故。手動夾軌器是一種常用的門機抗風防滑裝置，通過對手動夾軌器的防風抗滑機理的分析及了解，可以結合施工現場門機的特點、防風等級等要求，選配合適的防風抗滑裝置，滿足工地門式起重機的防風要求。

2 抗風防滑機理分析

手動夾軌器主要由2塊左右對稱，帶有槽形“鉗口”的夾持板組成。工作原理見圖1。由于夾持板從擱置狀態(tài)轉為工作狀態(tài)（夾持狀態(tài)）為一個組合動作，鉗口運動軌跡雜、旋轉角大，夾持行程長，實現“電液驅動”在機構及工藝上有一定的難度，因此該類夾軌器的操作主要靠“手動”完成，故稱其為“手動夾軌器”。

圖1 手動式夾軌器工作示意圖Fig.1Schematic diagram of manual rail clamp device

2.1 鋼軌側摩擦抗滑阻力

通過圓桿旋轉雙頭鎖緊螺桿，使手動夾軌器的左右兩塊夾持板的槽形“鉗口”卡入鋼軌頭部，繼續(xù)旋緊螺桿，夾持板的槽形鉗口底面與鋼軌側面緊密貼合，并建立起一對摩擦副，起到一定的抗風防滑的作用。這也是一般“鉗型”夾軌器的基本抗風防滑原理。一般條件下，鋼與鋼的靜摩擦系數僅0.1耀0.2[3]，即使采用鋼與鑄鐵組成的摩擦副，無潤滑狀態(tài)下的靜摩擦系數最大值也就0.3。門機在陣風的作用下，一旦出現了滑移的趨勢，即形成了動摩擦條件，摩擦系數將迅速降為0.05耀0.1，摩擦阻力急劇下降。

施加在夾持板槽形鉗口上的夾持力主要靠人工旋緊雙頭鎖緊螺桿，產生的旋轉扭矩T獲得。（設旋緊圓桿長400 mm，人力為200 N，可獲得80 N·m的扭矩），夾持板與鋼軌側面產生的摩擦阻力[4]為P：

式中：d為螺桿的中徑；Q為螺桿施加在夾持板上的夾緊力；琢為桿的螺旋角（當螺桿為公制螺紋M24耀30時：2.60毅耀2.30毅）；漬為螺紋當量摩擦角（當螺紋為普通公制螺紋約為：9.5毅耀11毅）；f為鋼軌側面與夾持板鉗口的摩擦系數（鋼與鋼?。?.15耀0.2）；k為夾持板為簡支結構，實際作用在鋼軌側面上的壓力與夾持板計算長度及螺桿位置有關：跨支比k抑0.5耀0.7。

將式（1）代入式（2）得摩擦防滑阻力：

假設螺桿M30、摩擦系數0.2、跨支比0.65，上式計算得出鎖緊力Q抑13 750 N，鋼軌側面產生的摩擦阻力P抑3 600 N。因此，如理解為靠鎖緊螺桿產生的夾緊力來防風，則是致命的錯誤[5]。僅靠鋼軌側摩擦力原理設計的各類手動及電動抗風防滑裝置，要想獲得數噸的摩擦力難度較大。

2.2 槽形鉗口嚙合阻滑力

夾軌器槽形鉗口“嚙合”產生的防滑力分析[6]如圖2所示。

圖2 槽形鉗口“嚙合”效應受力分析圖Fig.2Force analysis diagram of concave jaw bite effect

夾持板的槽形鉗口與鋼軌頭部之間形成了一種近似嚙合的狀態(tài)，當門機出現滑移趨勢時，夾持板在門機的水平推力F作用下，除了夾持板與鋼軌側面的摩擦力P；夾持板重力G作用下槽形鉗口與軌道面交點C的摩擦阻力Gf外；還有一個繞槽形鉗口中心O點轉動產生的附加摩擦力2Nf。為便于分析，假設附加摩擦力作用點在槽形鉗口上下邊與鋼軌頭部的交點C、D。如忽略其他的阻力情況下，上述各力達到平衡，即：

式中：B為夾持板的寬度；L為夾持板計算長度；茁為夾持板與軌道平面的夾角：安裝角；h為鋼軌（43 kg/m、50 kg/m）頭部的厚度，取約40 mm。

因夾持板為左右對稱各一片，因此式（4）、式（5）等式右邊附加摩擦力數分別取4、2。

把方程式（5）代入式（4）得：

即當上式分母寅0時：

夾持板槽形鉗口與鋼軌頭部滿足“自鎖”條件。

假設式中f值為0.2，夾持板安裝角度為90毅，代入上式后可化簡為當時，夾持板將發(fā)生“自鎖”。自鎖效應與摩擦系數f、夾持板計算長度L、鋼軌頭厚度h、安裝角茁（45毅耀90毅）成正比，與夾持板的寬度B成反比。

假設夾持板寬度B=80 mm，安裝角為60毅，鋼軌頭厚度為40 mm，代入上式，夾持板的計算長度L逸210 mm時，夾持板與鋼軌頭部之間可滿足“自鎖”條件。

槽形鉗口與軌道頭部之間形成的一種自鎖狀態(tài)，阻止了門機繼續(xù)滑移。由于該防風抗滑阻力的大小主要是依靠夾持板結構強度提供，直到結構失效為止，因此阻滑抗力比上述鎖緊螺栓產生的摩擦阻力大一個數量級以上?！皣Ш稀笨癸L防滑力，是槽形鉗口夾軌器的最主要部分。如假設取槽形鉗口部位的結構強度為失效條件，嚙合面正壓力許用值為：

式中：[滓]J為夾持板材料的許用擠壓應力，取100 MPa[1]。

把式（7）代入式（5）得出抗風防滑力：

由于夾軌器自重作用下與軌面摩擦力及鋼軌側摩擦力都較小，忽略后得出夾持板主要結構（槽形鉗口）強度計算公式：

按夾持板等參數帶入式（8）得：F=110.8 kN。

綜上所述，手動夾軌器的抗風防滑機理主要是依靠夾持板與軌道頭部形成的“自鎖”條件，來防風抗滑的。如適當提高夾持板槽形鉗口的強度及硬度，增強銷軸、支座以及與門機的連接強度，手動夾軌器的抗風防滑能力將會更高。

2.3 抗傾覆效應

夾軌器的槽形鉗口與鋼軌頭部近似閉合，夾持板與銷軸、支座、門機臺車機座（或下橫梁）通過銷軸、螺栓與門機行走軌道形成了半剛性連接，近似一個固定約束的端點。極大的約束了門機結構與鋼軌軌道之間的垂向位移。阻止了門機在強風襲擊下，下橫梁（支腿）的“上浮”，具有一定的“錨固”作用。產生的抗傾覆力矩由安裝于門機一側軌道上的夾軌器之間距、夾軌器結構本身強度以及與門機的連接強度限制。

3 手動夾軌器試驗

為驗證上述分析的手動夾軌器抗風防滑機理的正確性，以及實際抗風防滑的能力，在車間條件下進行了模擬試驗，試驗臺架見圖3。試驗中分別在起重機輪軌臺車架的前后對稱安裝一套手動夾軌器。夾持板主要參數：L=210 mm、B=80 mm、b=15 mm；安裝角茁=60毅，鋼軌規(guī)格50 kg/m；加載油缸最大推力250 kN。

圖3 手動夾軌器抗滑力試驗臺架Fig.3Skid resistance test bench of manual rail clamp

試驗過程采用分級加載：

1）當頂推油缸的推力加載到10耀15 kN（與鎖緊螺桿施加的扭矩有關），輪軌臺車開始有滑移趨勢，即油缸加載的水平推力超過了鉗口與鋼軌側面摩擦副的最大抗力。

2）繼續(xù)加載，輪軌臺車開始有微小位移，主要是進一步消除各結構件連接的間隙，臺車右側夾軌器的夾持板有向順時針方向的微轉動，之后趨于穩(wěn)定。即夾持板與鋼軌頭部依靠摩擦力等條件建立起了“自鎖”。

3）繼續(xù)加載到80耀110 kN，輪軌臺車基本保持原態(tài)，夾持板本體結構基本完好，但槽形鉗口的前部開始出現微小變形，即夾持板槽形鉗口的前部最薄弱區(qū)域的擠壓應力已超過材料的應力值。

4）再繼續(xù)加載，鉗口邊角開始出現明顯的塑變，最終加載到約190 kN（試驗過程中的最大值），鉗口變形嚴重，銷軸彎曲，結構基本失效。

上述試驗同時得到了一個結論：手動夾軌器在門式起重機上應“成對安裝”，上風向的夾軌器僅能產生鋼軌側摩擦阻力（不滿足自鎖條件），下風向的夾軌器在與鋼軌頭部形成“自鎖”的條件下，能夠提供較大抗風防滑能力；但上風向的夾軌器與鋼軌頭部形成的“錨固”作用，又可起到抗傾覆的效果。

現場的試驗情況及采集的數據，基本與本文中舉例的計算數據相符。證實了手動夾軌器具有優(yōu)越的抗風防滑效果。

4 結語

通過對手動夾軌器抗風防滑機理的分析研究，得出了手動夾軌器的抗風防滑原理主要是依靠：夾持板槽形鉗口與鋼軌頭部“嚙合”作用產生的“自鎖”效應承擔抗風防滑的作用。夾持板與鋼軌側面形成的摩擦阻力量值較小，但為創(chuàng)造“自鎖”提供了前提條件。

本研究第一次明確提出了夾軌器“被動抗風防滑”的概念。并總結整理出手動夾軌器設計計算的4個公式：夾緊力計算公式（1）、鋼軌側面摩擦防滑阻力計算公式（3）、夾持板與鋼軌頭部滿足“自鎖”條件的判別式（6）、夾持板主要結構強度計算公式（8）。為今后類似工作原理的夾軌器設計提供了參考依據。

由于夾軌器是一種較為頻繁操作的裝置，其操作工藝性的便利與否，也是夾軌器設計上的重要環(huán)節(jié)。一套夾持可靠、抗風阻滑能力強，而且操作簡便的夾軌器，是室外門式起重機非工作狀態(tài)下可靠抵抗突發(fā)強風襲擊的重要安全保證。

一對常用規(guī)格的手動夾軌器，能可靠提供約10 t的抗風防滑能力，并且在極端的條件下，夾軌器結構達到“失效”狀態(tài)時，更可獲得比常態(tài)約大2.0耀3.0倍的抗風防滑力。在極端氣候條件襲擊起重機時，可起到自損毀而保全起重機的效果。這是其他結構形式的（不論是手動或電、液驅動）夾軌器、防風鐵楔、頂軌器從原理上都不具備的超強功能。

參考資料：

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[2]胡浩亮，張志堅，柯韜，等.港口起重機風災事故機理研究[J].起重運輸機械，2016（12）：87-92.

HU Hao-liang,ZHANGZhi-jian,KETao,et al.Mechanism research on port crane cyclone accident[J].Hoisting and Conveying Machinery,2016(12):87-92.

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Northwestern Polytechnical University Research Group to compile the mechanical principle and mechanical parts.Machine design [M].Beijing:People's Education Press,1980.

[5]利歌，胡水根.簡易手動夾軌器夾鉗設計要點[J].建筑機械，2002（2）：39-41.

LI Ge.HU Shui-geng.Clip design of simple manual rail clipper[J]. Construction Machinery,2002(2):39-41.

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Compile Group of Metal cutting machine tool design.Metal cutting machine tool design[M].Shanghai:Shanghai Scientific and Tech原nical Publishers,1979.

Wind resistance mechanism of manual rail clamp of gantry crane

LU Hong1,ZHENG Yuan-bin1,ZHANG Chang-cheng2,KUANG Zhao-hui1,XIAN Jia-he1,HAN Shao-pu1
（1.CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510291,China; 2.Wenzhou Heli Building Machinery Co.,Ltd.,Wenzhou,Zhejiang 325401,China）

Anti-wind device of the outside gantry crane,which is the guarantee of crane in the non-work state confronted with strong winds,can effectively prevent sliding,overturning crane.The manual rail clamp is one of the most common wind resistance devices.Through research the manual clamp rail device's sliding resistance mechanism,we concluded that the clamping plate in rail clamp forms sliding friction pair impedance gantry crane on the side of the rail,and the passive sliding resistance of concave jaw is bigger,that is the self-locking effect.Make this kind of simple structure,good wind resistance effect,convenient operation manual clamp rail device,better play to its function.

crane;rail clamp;wind resistance;mechanism analysis

U655.33

A

2095-7874（2017）09-0095-04

10.7640/zggwjs201709021

2017-01-25

陸紅（1957—），男，重慶市人，高級工程師，船機設備技術專業(yè)。E-mail：lhong@cccc4.com