起重機(jī)大車止檔的設(shè)計與安全

董富祥 楊棋劍

（浙江麒龍起重機(jī)械有限公司 紹興 312043）

1 起重機(jī)大車止檔的重要性

1.1 使用范圍

行走式起重機(jī)又可分為軌道行走式起重機(jī)和輪胎式(履帶式)起重機(jī)，輪胎式起重機(jī)沒有固定的運(yùn)動軌跡，且整體移動機(jī)構(gòu)與車輛運(yùn)動方式類似，不需要大車止檔。所有的軌行式起重機(jī)，大車沿固定軌道往返運(yùn)動的，必須使用大車止檔這一安全裝置。

1.2 作用

在軌道式起重機(jī)使用中，當(dāng)起重機(jī)在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動下，將要到達(dá)軌道行程終點(diǎn)時，首先經(jīng)過預(yù)先裝設(shè)的限位開關(guān)位置，安全尺與限位開關(guān)接觸，斷開運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動力。但起重機(jī)在原先運(yùn)動的慣性作用下，仍會繼續(xù)向前滑行。此時，起重機(jī)為制動滑行狀態(tài)，車輪與軌道滑動摩擦，速度很快減??；在滑行一段距離后，起重機(jī)大車緩沖器與大車止檔相撞，在緩沖器吸能作用下，起重機(jī)迅速平穩(wěn)停止。

1.3 重要性

在實(shí)際使用中，大多數(shù)的中小噸位起重機(jī)大車限位開關(guān)采用機(jī)械彈簧式限位開關(guān)，使用一段時間后限位開關(guān)容易損壞或失靈，此時起重機(jī)存在全速撞擊大車止檔的現(xiàn)象。在此狀況下，大車止檔本身的強(qiáng)度、大車止檔與承軌梁的連接焊縫的強(qiáng)度必須滿足這種極端工況的需要，確保起重機(jī)不至于沖出軌道，避免造成重大安全事故。

1.4 結(jié)構(gòu)和固定方式

止檔的外形一般采用三角型結(jié)構(gòu)，止檔底部通常采用焊接方式與承軌梁連接在一起；門機(jī)軌道行程端部，采用焊接加預(yù)埋螺栓的固定型式。另外，運(yùn)行速度較快的起重機(jī)易對止檔和起重機(jī)本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大沖擊，宜采用緩沖行程較長，吸能較大的緩沖器，如液壓緩沖器，大車止檔和固定方式也應(yīng)比普通型做適當(dāng)加強(qiáng)。

2 大車止檔的結(jié)構(gòu)形式

2.1 常見基本型式一

如圖1所示，常見基本型式的大車止檔為一塊底板，兩塊豎版，豎版間布置2～3塊橫筋板和一塊緩沖器撞板組成。這種結(jié)構(gòu)的大車緩沖止檔較為常見，外形設(shè)計合理，抗沖擊承載力較大。可應(yīng)用在室內(nèi)起重機(jī)廠房端部承軌梁上方，止檔底板與鋼結(jié)構(gòu)承軌梁焊接連接；也可以應(yīng)用在室外門式起重機(jī)行程端部，將止檔焊接在有預(yù)埋螺栓連接好的底面板上。

圖1 常見基本型式一

2.2 常見基本型式二

如圖2所示，常見基本型式二的大車止檔為一塊豎版，撞頭位置豎版兩邊布置兩塊加強(qiáng)筋，再加一塊撞板組成。其一般直接焊接在起重機(jī)承軌梁上，這種結(jié)構(gòu)重量輕，制作簡單，但相對第一種結(jié)構(gòu)，其抗撞擊強(qiáng)度差。因?yàn)樵O(shè)計時大車車輪輪緣與軌道寬度方向有30～40mm的水平間隙防止啃軌，所以實(shí)際起重機(jī)運(yùn)行時與軌道中心有可能偏移，使起重機(jī)緩沖器與大車止檔中心不在同一直線上，撞擊時使止檔產(chǎn)生水平扭矩力，而此種結(jié)構(gòu)的抗扭強(qiáng)度很差，容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形失效，發(fā)生危險。所以本結(jié)構(gòu)只適用于噸位很小，運(yùn)行速度較慢的起重機(jī)，設(shè)計時應(yīng)特別注意。

圖2 常見基本型式二

2.3 常見基本型式三

如圖3（a）、圖3（b）所示，常見基本型式三的大車止檔采用單個型材（工字鋼或槽鋼），或采用型材、鋼板混合焊接的結(jié)構(gòu)。其與底部連接基本都采用焊接，這種結(jié)構(gòu)的組合型式各種各樣，受力特征也不相同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況具體選擇，圖3分別列舉了其中兩種型式。

圖3 常見基本型式三

3 大車止檔的受力分析

以上面所述結(jié)構(gòu)型式一(室內(nèi)使用)為例，進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 大車止檔受力分析圖

假設(shè)：起重機(jī)滿載并全速運(yùn)行時產(chǎn)生的撞擊力為P(N)（考慮廠房鋼梁牛腿間1/1000拱度的下坡作用），起重機(jī)總重為G(kg)，額定起升重量為Q(kg)，大車運(yùn)行的額定速度為v(m/s)，下坡加速度為a(m/s2)，下坡運(yùn)行時間為t（s），輪壓為P1(kg)，車輪數(shù)目為n，車輪與軌道之間的滾動摩擦系數(shù)為f，撞擊緩沖作用時間為T(s)（起重機(jī)從v速度變?yōu)?的時間，按實(shí)際緩沖器大小行程選擇后確定）。則根據(jù)沖量定理[1]：

圖4 中，由P產(chǎn)生的剪切力F(N)，按式（2）計算：

由P產(chǎn)生的彎矩M(N·mm)[1]，按式（3）計算：

式中：

h——緩沖器中心到底邊高度，mm。

由P偏心作用產(chǎn)生的水平彎矩M水(N·mm)[1]，按式（4）計算：

式中：

e ——水平偏心距離，mm。

由于與作用力P垂直方向的焊縫剛度較差，剪力大多由與力平行方向焊縫承擔(dān)，因此計算時可忽略止檔垂直方向連接焊縫的抗剪作用，則圖4中最大應(yīng)力點(diǎn)A點(diǎn)的焊縫強(qiáng)度[2]按式（5）計算：

式中：

W——焊縫有效截面對A點(diǎn)的截面抗彎模量，mm3；

A——與P力平行的止檔與鋼梁連接焊縫的有效截面面積，mm2；

[τ]——焊縫許用剪應(yīng)力，N/mm2。

注：焊縫強(qiáng)度計算時，應(yīng)選擇距截面形心最遠(yuǎn)處的點(diǎn)。

由P偏心作用產(chǎn)生的水平彎矩引起的止檔內(nèi)應(yīng)力[1]按式（6）計算：

式中：

W水——計算截面的抗扭截面模數(shù)[1]：

r ——抗扭截面的極慣性半徑，mm。

止檔危險截面點(diǎn)的合成強(qiáng)度[3]：

式中：

σ ——由垂直方向彎矩引起的止檔內(nèi)應(yīng)力，N/mm2；

τ ——止檔所受的剪應(yīng)力；

[σ]——材料許用應(yīng)力，N/mm2。

4 實(shí)例計算

如圖5所示，用于QD50t-31.5m雙梁橋式起重機(jī)大車止檔，計算：起重機(jī)總重61t，工作級別A6，大車運(yùn)行額定速度75m/min，假設(shè)室內(nèi)廠房承軌梁在牛腿間存在1/1000拱度，兩牛腿的間距為12m，可知其拱度最高點(diǎn)至最低點(diǎn)落差為1.2cm，根據(jù)重力加速原理，可得出a=0.013m/s2，下坡運(yùn)行時間可算得約為8s，大車等效輪壓P1為33t，車輪數(shù)目為4只，查起重機(jī)設(shè)計手冊[2]，車輪與軌道間的摩擦系數(shù)f=0.0124，撞擊緩沖作用時間：緩沖器JHQ-C-13，長度160mm，一般壓縮20%行程為3.2cm， 時間T約為1.5s。

圖5 50/10t雙梁橋機(jī)大車止檔受力簡圖

則沖擊力P為：

因橋機(jī)運(yùn)行到一端終點(diǎn)時，同時有兩只緩沖器作用，一只止擋的受力：P′ =P2。故每只止擋產(chǎn)生的剪切力：F= 4 9280( N)。

由式（3），P'對止擋底邊產(chǎn)生的最大彎矩M為：

由式（4），P偏心作用產(chǎn)生的水平彎矩M水（水平偏心距離為e = 20mm）為：

圖5止擋底邊的截面尺寸計算可知，W=1986278 mm3，A=12200mm2，則由σ =M/W，可得：σ =29.8 N/mm2；由式（5）計算可得A點(diǎn)的合成剪應(yīng)力：

由P偏心作用產(chǎn)生的水平彎矩引起的止檔內(nèi)應(yīng)力，止擋截面抗扭截面模數(shù)W水=1463938mm3，則由式（6）計算可得：σ水=0.67 (N/mm2)

將上面的計算結(jié)果代入式（7），可得止檔危險截面點(diǎn)的合成強(qiáng)度：

為安全起見，考慮到止擋制作后的變形誤差和沖擊力的變化作用，對Q235材料，[σ]取80N/mm2，所以本尺寸的止擋用于QD50t的雙梁橋機(jī)上是安全的。

5 結(jié)束語

大車止檔作為起重機(jī)十分重要的一個安全裝置，在實(shí)際設(shè)計、制造、安裝各環(huán)節(jié)中，對其重要性存在或多或少的認(rèn)識不足，存在大車止檔被起重機(jī)撞落、甚至起重機(jī)沖出大車軌道的事故發(fā)生。有必要對大車止檔的安全性引起足夠的重視，必須在設(shè)計源頭按照受力分析計算止檔自身強(qiáng)度及連接焊縫的應(yīng)力，在安裝現(xiàn)場按有關(guān)技術(shù)要求、施工規(guī)范認(rèn)真施焊，確保大車止檔作為起重機(jī)運(yùn)行最后一道安全裝置的有效性。

[1]成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]張質(zhì)文，王金諾，程文明，等. 起重機(jī)設(shè)計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013：253-263.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.起重機(jī)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2008：38-59.