門式起重機手動夾軌器的設(shè)計要素

陸紅，曽明聰，王雪剛，吳廣東，彭振琦

（1．中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；2．中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

1 概述

手動夾軌器結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，有較強的抗風(fēng)防滑及抗傾覆效能，得到普遍使用。但由于夾軌器屬于門式起重機非工作狀態(tài)下的裝置，僅在門機遭遇突風(fēng)襲擊時才發(fā)揮效能，因此一直以來在業(yè)內(nèi)，不論是在規(guī)范、設(shè)計、制造、安裝及使用中都未引起足夠的關(guān)注?，F(xiàn)今許多施工工地、廠區(qū)露天作業(yè)場所在用產(chǎn)品五花八門，給操作使用帶來諸多不便，時有出現(xiàn)疏忽的情況。近年來異常氣候增多，風(fēng)災(zāi)事故頻發(fā)，當門機遭遇強風(fēng)襲擊時，可能因夾軌器性能不佳、使用不便，操作人員未正確使用等，不能有效阻止門機滑移，造成被強風(fēng)吹跑、傾覆，甚至人員傷亡的事故[1]。因此，本文針對手動夾軌器設(shè)計中的幾大要素進行分析，以便正確認識、設(shè)計、選用及使用手動夾軌器，提高門機抗風(fēng)防滑能力，最大限度減少風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生概率。

2 設(shè)計要素分析

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

門式起重機屬隨行抗風(fēng)防滑裝置，首先須滿足功能性要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)符合工作原理；其次由于該裝置需要隨時在夾持與擱置工況之間進行頻繁轉(zhuǎn)換，操作應(yīng)能快速、簡便。因此設(shè)計中，應(yīng)注重以下設(shè)計要素。手動夾軌器工作示意圖見圖1。

2.1 功能性要素

功能性要素是機械裝置設(shè)計的基礎(chǔ)。手動夾軌器的抗風(fēng)防滑機理是依靠“自鎖”原理實現(xiàn)[2]，夾持板U形槽口與鋼軌頭部兩側(cè)面形成的摩擦副，是建立“自鎖”條件的基礎(chǔ)。摩擦力是通過旋緊螺桿施加在夾持板上的作用力獲得。夾持板受力簡圖見圖2。

圖2 夾持板受力分析圖Fig.2 Stress analysis of gripper

夾持板受力屬典型簡支梁結(jié)構(gòu)[3]，鋼軌頭部側(cè)面與支墊鋼套為2個支座，旋緊螺桿施加1個集中力N，F(xiàn)1即為產(chǎn)生摩阻力的正壓力，這是建立可靠摩擦副的基礎(chǔ)。

因此，在裝置中無設(shè)置“支墊鋼套”的結(jié)構(gòu)，雖然“旋緊”了螺桿，往往是夾持板歪斜后與銷軸孔咬合或螺桿憋緊，結(jié)構(gòu)受力不清，自鎖條件不足，夾軌器僅能起到一定拖帶、阻滯效果，極大降低了效能，更難產(chǎn)生極限抗風(fēng)防滑能力。

2.2 結(jié)構(gòu)可靠性

夾軌器各部件的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)按額定抗風(fēng)防滑工況進行受力分析和設(shè)計，確保裝置在“自鎖”及抗傾工況下，各零部件以及與門機下橫梁或臺車連接強度滿足額定載荷要求。

除按上述額定載荷設(shè)計外，還應(yīng)校核裝置在趨于失效狀態(tài)時，即極端荷載作用下，能提供的極限抗風(fēng)防滑能力?！皹O限工況”的意義往往比“額定載荷”更重要，是安全保護裝置的一項重要性能指標。圖1所示的輕便型夾軌器，經(jīng)檢測試驗，額定抗風(fēng)防滑能力為50～60 kN，而在極限條件下，可達到180～200 kN[2]。

2.3 制造工藝適應(yīng)性

夾持板是夾軌器的重要零部件，其U形槽口與軌道頭部的可靠咬合是正常發(fā)揮效能的基礎(chǔ)，并應(yīng)有足夠抗剪、抗擠壓強度。槽口與鋼軌頭部有配合要求，槽口下部留有配合間隙Δ=3～4 mm，即需滿足夾持便利，又不致因間隙太大，降低自鎖可靠性。因此，采用焊接成型、氣割成孔的粗糙加工方法制作的槽口結(jié)構(gòu)是不能滿足功能性要求的。夾持板應(yīng)采用整體鍛件或厚板材機加工成型制造工藝。

銷軸及旋緊螺桿也是裝置的主要零件?，F(xiàn)場時有采用螺栓替代情況，如選擇合適也能達到旋緊螺栓的功能，但操作耗時費工，僅適用一些不頻繁使用或長期停滯的門機。而隨意用一條螺栓或焊接螺桿進行替代是不可取的。

2.4 路軌適應(yīng)性

由于門機在整個作業(yè)區(qū)幾十或數(shù)百米長軌道上運行，夾軌器應(yīng)在全軌道的任意位置（除魚尾板聯(lián)接部位，約為全路軌7%長度），都能與鋼軌可靠夾持。因此，夾持工藝設(shè)計中應(yīng)考慮：軌道安裝平整度偏差、輪軌走偏量、鋼軌及輪組磨損、夾軌器安裝誤差等條件下，夾持板仍能夠便利、快捷、可靠夾持軌道。為滿足這一要求，夾持板銷軸孔宜采用“鍵形孔”結(jié)構(gòu)，合適選取鍵形孔e值（如圖2所示，約20～25 mm），可達到良好路軌適應(yīng)性，同時又為快速“擱置”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換提供條件。

2.5 良好的操作性能

良好的操作使用性能是保證夾軌器得以可靠使用，發(fā)揮功能的重要條件。作為一種需頻繁轉(zhuǎn)換工況，且又是預(yù)防小概率事件的裝置，如果操作耗時又費工，必然增加作業(yè)人員的厭倦感，增大疏忽大意的客觀因素，有可能增大遺漏操作的概率。

為滿足良好操作性，結(jié)構(gòu)上采用如下措施：旋緊螺桿宜用左右旋螺紋結(jié)構(gòu)，夾持板可對稱開合；支座兩邊板設(shè)計有下凹擱置槽。在夾持與擱置狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，旋緊螺桿連帶夾持板組件一起向上旋轉(zhuǎn)落在擱置凹槽內(nèi)，實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。鎖緊螺桿兩邊各加工一對90°交叉插孔。操作空間適應(yīng)性好，并可用圓鋼桿進行操作。

按上述第2．4、2．5要素設(shè)計的夾軌器，具有良好操作性，經(jīng)實測大約60 s內(nèi)完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

3 常見的夾軌器類型

作業(yè)現(xiàn)場常見安裝在門機上的夾軌器各式各樣，個別產(chǎn)品不符合夾軌器工作原理，形同虛設(shè)，只能起到有限的阻滯效果，在遭遇強風(fēng)襲擊時，不但不能抗風(fēng)防滑，反而可能延誤其它防風(fēng)措施跟進。以下為3類典型夾軌器。

圖3中第一類夾軌器：夾持板為整體結(jié)構(gòu)，機加工成型，銷軸中部安裝有支墊鋼套，符合功能性要求、結(jié)構(gòu)可靠、制造工藝合適等三要素。夾軌器槽口與軌道頭部能形成比較可靠的夾持。夾持板與鋼軌側(cè)面形成的摩擦副，可產(chǎn)生弱抗滑阻力3～10 kN，且為夾持板槽口與鋼軌頭部產(chǎn)生“自鎖”提供了條件，在自鎖狀態(tài)下，可產(chǎn)生50～120 kN的強抗風(fēng)防滑能力，直到整體結(jié)構(gòu)失效?？梢詽M足基本使用要求。

圖3 第一類典型夾軌器Fig.3 The first kind of typical rail clamp

上述夾軌器中：圖3（a）型夾持板結(jié)構(gòu)強度較大，銷軸孔為鍵形，路軌適應(yīng)性好，抗風(fēng)能力較強，但鎖緊螺桿直接采用了一條高強螺栓替代，夾持與擱置工況轉(zhuǎn)換時較耗時費工，有待改進。圖3（b）型結(jié)構(gòu)的夾持板安裝角為90°，自鎖效果好，鎖緊螺栓也是用一條高強螺栓替代，工況轉(zhuǎn)換較耗時費工，有待改進。圖3（c）型為常用中小型門式起重機使用的“改進型夾軌器”[4]，該型夾軌器有良好的路軌適應(yīng)性，又可快速進行夾持與擱置工況的轉(zhuǎn)換。

圖4中第二類夾軌器：圖4（a）型與圖4（b）型夾持板為整體結(jié)構(gòu)機加工成型，但銷軸中部未設(shè)置支墊鋼套，由于夾持板銷軸位支撐點“虛浮”，旋緊螺桿的“鎖緊”可能是夾持板傾斜后與銷軸的咬合；圖4（c）型銷軸上雖設(shè)有支墊鋼套，但尺寸精度差，基本不起作用，夾持板槽口采用粗糙焊接工藝，不但與鋼軌頭部咬合不良，槽口抗剪、抗擠強度都較差。

圖4 第二類典型夾軌器Fig.4 The second kind typical rail clamp

這類型夾軌器夾持效果欠佳，自鎖條件不可靠。但由于結(jié)構(gòu)整體強度尚好，也會有一定的抗風(fēng)防滑效果。前兩型只需增加銷軸中間支墊鋼套，后者夾持板應(yīng)更換整體機加工成型結(jié)構(gòu)，并調(diào)整支墊鋼套的尺寸。

圖5中第三類夾軌器：圖5（a）型夾持板銷軸之間無支墊鋼套，造成夾持板嚴重歪斜，槽口與鋼軌頭部咬合不良，并且整體結(jié)構(gòu)單薄；圖5（b）型為施工現(xiàn)場臨時用兩塊鐵板氣割下料，焊接組成夾持板，槽口無法與鋼軌可靠地咬合；圖5（c）型夾持板的槽口變成了“帶鉤”的板塊，并隨意尋找和焊接了2條螺栓拼湊而成。

圖5 第三類典型夾軌器Fig.5 The third kind of typical rail clamp

這類結(jié)構(gòu)是對夾軌器工作原理基本不理解而“設(shè)計”出來的。無法滿足抗風(fēng)防滑的要求，對門機滑行的阻滯效果也極其有限，還會造成一種假象，阻滯或延誤了其他有效抗風(fēng)防滑措施及時投入，安全隱患大，一旦遭遇強風(fēng)襲擊，甚至可能危害到設(shè)備或人員安全，應(yīng)堅決廢棄，更換合格產(chǎn)品。

4 夾軌器主要性能指標

夾軌器可根據(jù)抗風(fēng)防滑的額定阻滑力及配用的鋼軌型號進行設(shè)計。可分為：重型、普通型、輕便型等多種規(guī)格。由于夾軌器主要失效形式為夾持板U形槽口破壞，因此各規(guī)格夾軌器主要以槽口咬合尺度作為主設(shè)計參數(shù)，支座及其他結(jié)構(gòu)件強度、與門機裝配連接強度應(yīng)等于或大于槽口的抗剪、抗擠壓的結(jié)構(gòu)強度。

浙江某常用手動夾軌器主要性能指標及規(guī)格參數(shù)見表1所示[5]。

表1 手動夾軌器主要性能指標及規(guī)格參數(shù)表Table 1 Main performance index and specification parameter list of manual rail clamping device

例如：1臺30 t門機，受風(fēng)計算面積為150 m2，在11級風(fēng)暴襲擊下，計算風(fēng)壓值為498 N/m2，風(fēng)載可產(chǎn)生的滑行力約74．7 kN，可選用2對輕便型夾軌器安裝（2×50 kN）。門機非工作狀態(tài)下的額定抗風(fēng)能力定為9級（設(shè)計計算風(fēng)載取11級），極限狀態(tài)下的抗風(fēng)能力可達12級。

5 安全保護裝置特征

作為一種安全保護裝置，從原理上講，一般應(yīng)具有“2個典型工況”，即：正常工況下提供的額定抗力；極端狀態(tài)下可提供的最大極限抗力。這是一般安全保護裝置在工作原理、功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)有的基本要素。例如一些常見的帶保護功能裝置：保險銷、止回轉(zhuǎn)插銷、限位擋塊、棘輪機構(gòu)的棘爪、保險繩、防風(fēng)纜、防風(fēng)地錨等。

手動夾軌器從工作原理上分析[2]，具備了上述2個典型工況，雖然結(jié)構(gòu)較簡單，但的確是一種操作簡便、安全實用的門機防風(fēng)裝置。不論是日常作業(yè)期間的停歇，還是強風(fēng)襲擊下都能起到較強的抗風(fēng)防滑效果。

常見的僅依靠鉗口夾持鋼軌頭部側(cè)面為原理的手動或自動夾軌器，由于鋼與鋼摩擦系數(shù)僅為0．1～0．2，鉗口與軌側(cè)的“摩擦力”僅能夠產(chǎn)生“弱抗滑力”，并不具有“極端狀態(tài)”下的強抗力工況，因此綜合抗風(fēng)防滑性能較弱。例如：2017年8月23日強臺風(fēng)“天鴿”襲擊珠海沿岸，位于臺風(fēng)路徑的中交四航新會航通船業(yè)沙堆造船基地共有7臺25～60 t門式起重機（全部臨時拉了防風(fēng)纜），其中1臺同時安裝有鉗式夾軌器和防風(fēng)鐵楔的門機被強臺風(fēng)吹翻倒塌，而另5臺安裝了圖4（b）型夾軌器的門機則成功抵抗了15級強臺風(fēng)的襲擊。

6 結(jié)語

夾軌器是門式起重機抗風(fēng)防滑的重要安全保護裝置。近年隨著國內(nèi)建設(shè)規(guī)模的擴大，門機大量應(yīng)用于各施工工地，由于突發(fā)惡劣天氣頻度增多，多次發(fā)生門機被強風(fēng)吹翻傾覆事故，有的還造成較大人員傷亡。究其原因有，某些產(chǎn)品設(shè)計粗制濫造，個別設(shè)計或管理人員對各類夾軌器的抗風(fēng)防滑機理認識不清，誤以為夾軌裝置越復(fù)雜、自動化程度高、價格越貴則抗滑效果越好，其實并非如此。常用的幾類裝置中：液壓輪邊制動器，因摩擦副配合精度高[6]，摩擦阻力較大，效果尚好；而依賴鋼軌側(cè)面“摩擦原理”設(shè)計的鉗口式夾軌器[7]，因摩擦副配合精度低，也無第二類典型工況，因此效果較差；而采用自鎖原理設(shè)計的手動夾軌器不但簡單實用，且抗風(fēng)防滑效果比較好。但必須滿足上述要素中的前3項，這是夾軌器具有可靠抗風(fēng)防滑功能的基礎(chǔ)，新設(shè)計或改造的產(chǎn)品應(yīng)基本符合5項要素的要求。