門(mén)式起重機(jī)手動(dòng)夾軌器抗風(fēng)防滑機(jī)理

陸紅1，鄭遠(yuǎn)斌1，張長(zhǎng)城2，匡朝暉1，冼嘉和1，韓少浦1

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

摘要：門(mén)式起重機(jī)配置安裝抗風(fēng)防滑裝置，是保障起重機(jī)在非工作狀態(tài)下遭遇強(qiáng)風(fēng)襲擊時(shí)，能有效阻止起重機(jī)滑移、傾覆。手動(dòng)夾軌器是最常見(jiàn)的一種抗風(fēng)防滑裝置。通過(guò)對(duì)手動(dòng)夾軌器的抗滑機(jī)理研究，得出了夾軌器的夾持板不但與鋼軌側(cè)面形成摩擦副阻抗門(mén)機(jī)滑移，且槽形鉗口產(chǎn)生的被動(dòng)抗滑力更大，即自鎖效應(yīng)。以使這類(lèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗風(fēng)效果好，操作便捷的手動(dòng)夾軌器能更好的發(fā)揮其功能。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；夾軌器；防風(fēng)抗滑；機(jī)理分析

1 概述

門(mén)式起重機(jī)由于具有良好的工藝性、經(jīng)濟(jì)性、安全性以及故障率低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于工程施工領(lǐng)域。室外工作的門(mén)式起重機(jī)按要求需配置安裝抗風(fēng)防滑裝置[1]，以保障起重機(jī)在非工作狀態(tài)下遭遇強(qiáng)風(fēng)襲擊時(shí)，防風(fēng)裝置能有效阻止門(mén)式起重機(jī)在軌道上的滑移碰撞、傾覆。

由于抗風(fēng)防滑裝置屬起重機(jī)在非工作狀態(tài)下的附屬配套件，長(zhǎng)期以來(lái)在業(yè)內(nèi)，不論是設(shè)計(jì)、制造、安裝以及使用都未引起足夠的關(guān)注，也較少對(duì)其抗風(fēng)防滑的機(jī)理、結(jié)構(gòu)工藝性、操作工藝性等進(jìn)行較多的研究。以至于許多現(xiàn)有的產(chǎn)品五花八門(mén)，有些抗風(fēng)防滑能力較弱，操作工藝性不佳，給使用帶來(lái)諸多不便，時(shí)有出現(xiàn)疏忽的情況。特別是近年來(lái)異常氣候增多，風(fēng)災(zāi)事故頻發(fā)[2]，當(dāng)門(mén)機(jī)遭遇強(qiáng)風(fēng)襲擊時(shí)，可能因安裝配置的防風(fēng)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(mén)機(jī)被強(qiáng)風(fēng)吹跑、傾覆，甚至造成人員的傷亡事故。手動(dòng)夾軌器是一種常用的門(mén)機(jī)抗風(fēng)防滑裝置，通過(guò)對(duì)手動(dòng)夾軌器的防風(fēng)抗滑機(jī)理的分析及了解，可以結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)門(mén)機(jī)的特點(diǎn)、防風(fēng)等級(jí)等要求，選配合適的防風(fēng)抗滑裝置，滿足工地門(mén)式起重機(jī)的防風(fēng)要求。

2 抗風(fēng)防滑機(jī)理分析

手動(dòng)夾軌器主要由2塊左右對(duì)稱(chēng)，帶有槽形“鉗口”的夾持板組成。工作原理見(jiàn)圖1。由于夾持板從擱置狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)（夾持狀態(tài)）為一個(gè)組合動(dòng)作，鉗口運(yùn)動(dòng)軌跡雜、旋轉(zhuǎn)角大，夾持行程長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)“電液驅(qū)動(dòng)”在機(jī)構(gòu)及工藝上有一定的難度，因此該類(lèi)夾軌器的操作主要靠“手動(dòng)”完成，故稱(chēng)其為“手動(dòng)夾軌器”。

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

2.1 鋼軌側(cè)摩擦抗滑阻力

通過(guò)圓桿旋轉(zhuǎn)雙頭鎖緊螺桿，使手動(dòng)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(cè)面緊密貼合，并建立起一對(duì)摩擦副，起到一定的抗風(fēng)防滑的作用。這也是一般“鉗型”夾軌器的基本抗風(fēng)防滑原理。一般條件下，鋼與鋼的靜摩擦系數(shù)僅0.1耀0.2[3]，即使采用鋼與鑄鐵組成的摩擦副，無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下的靜摩擦系數(shù)最大值也就0.3。門(mén)機(jī)在陣風(fēng)的作用下，一旦出現(xiàn)了滑移的趨勢(shì)，即形成了動(dòng)摩擦條件，摩擦系數(shù)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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩T獲得。（設(shè)旋緊圓桿長(zhǎng)400 mm，人力為200 N，可獲得80 N·m的扭矩），夾持板與鋼軌側(cè)面產(chǎn)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(dāng)螺桿為公制螺紋M24耀30時(shí)：2.60毅耀2.30毅）；漬為螺紋當(dāng)量摩擦角（當(dāng)螺紋為普通公制螺紋約為：9.5毅耀11毅）；f為鋼軌側(cè)面與夾持板鉗口的摩擦系數(shù)（鋼與鋼?。?.15耀0.2）；k為夾持板為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，實(shí)際作用在鋼軌側(cè)面上的壓力與夾持板計(jì)算長(zhǎng)度及螺桿位置有關(guān)：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(shè)螺桿M30、摩擦系數(shù)0.2、跨支比0.65，上式計(jì)算得出鎖緊力Q抑13 750 N，鋼軌側(cè)面產(chǎn)生的摩擦阻力P抑3 600 N。因此，如理解為靠鎖緊螺桿產(chǎn)生的夾緊力來(lái)防風(fēng)，則是致命的錯(cuò)誤[5]。僅靠鋼軌側(cè)摩擦力原理設(shè)計(jì)的各類(lèi)手動(dòng)及電動(dòng)抗風(fēng)防滑裝置，要想獲得數(shù)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(chǎn)生的防滑力分析[6]如圖2所示。

圖2 槽形鉗口“嚙合”效應(yīng)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(dāng)門(mén)機(jī)出現(xiàn)滑移趨勢(shì)時(shí)，夾持板在門(mén)機(jī)的水平推力F作用下，除了夾持板與鋼軌側(cè)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(diǎn)C的摩擦阻力Gf外；還有一個(gè)繞槽形鉗口中心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的附加摩擦力2Nf。為便于分析，假設(shè)附加摩擦力作用點(diǎn)在槽形鉗口上下邊與鋼軌頭部的交點(diǎn)C、D。如忽略其他的阻力情況下，上述各力達(dá)到平衡，即：

式中：B為夾持板的寬度；L為夾持板計(jì)算長(zhǎng)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(duì)稱(chēng)各一片，因此式（4）、式（5）等式右邊附加摩擦力數(shù)分別取4、2。

把方程式（5）代入式（4）得：

即當(dāng)上式分母寅0時(shí)：

夾持板槽形鉗口與鋼軌頭部滿足“自鎖”條件。

假設(shè)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(jiǎn)為當(dāng)時(shí)，夾持板將發(fā)生“自鎖”。自鎖效應(yīng)與摩擦系數(shù)f、夾持板計(jì)算長(zhǎng)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(shè)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(jì)算長(zhǎng)度L逸210 mm時(shí)，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(mén)機(jī)繼續(xù)滑移。由于該防風(fēng)抗滑阻力的大小主要是依靠夾持板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供，直到結(jié)構(gòu)失效為止，因此阻滑抗力比上述鎖緊螺栓產(chǎn)生的摩擦阻力大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上?！皣Ш稀笨癸L(fēng)防滑力，是槽形鉗口夾軌器的最主要部分。如假設(shè)取槽形鉗口部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yīng)力，取100 MPa[1]。

把式（7）代入式（5）得出抗風(fēng)防滑力：

由于夾軌器自重作用下與軌面摩擦力及鋼軌側(cè)摩擦力都較小，忽略后得出夾持板主要結(jié)構(gòu)（槽形鉗口）強(qiáng)度計(jì)算公式：

按夾持板等參數(shù)帶入式（8）得：F=110.8 kN。

綜上所述，手動(dòng)夾軌器的抗風(fēng)防滑機(jī)理主要是依靠夾持板與軌道頭部形成的“自鎖”條件，來(lái)防風(fēng)抗滑的。如適當(dāng)提高夾持板槽形鉗口的強(qiáng)度及硬度，增強(qiáng)銷(xiāo)軸、支座以及與門(mén)機(jī)的連接強(qiáng)度，手動(dòng)夾軌器的抗風(fēng)防滑能力將會(huì)更高。

2.3 抗傾覆效應(yīng)

夾軌器的槽形鉗口與鋼軌頭部近似閉合，夾持板與銷(xiāo)軸、支座、門(mén)機(jī)臺(tái)車(chē)機(jī)座（或下橫梁）通過(guò)銷(xiāo)軸、螺栓與門(mén)機(jī)行走軌道形成了半剛性連接，近似一個(gè)固定約束的端點(diǎn)。極大的約束了門(mén)機(jī)結(jié)構(gòu)與鋼軌軌道之間的垂向位移。阻止了門(mén)機(jī)在強(qiáng)風(fēng)襲擊下，下橫梁（支腿）的“上浮”，具有一定的“錨固”作用。產(chǎn)生的抗傾覆力矩由安裝于門(mén)機(jī)一側(cè)軌道上的夾軌器之間距、夾軌器結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度以及與門(mén)機(jī)的連接強(qiáng)度限制。

3 手動(dòng)夾軌器試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述分析的手動(dòng)夾軌器抗風(fēng)防滑機(jī)理的正確性，以及實(shí)際抗風(fēng)防滑的能力，在車(chē)間條件下進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖3。試驗(yàn)中分別在起重機(jī)輪軌臺(tái)車(chē)架的前后對(duì)稱(chēng)安裝一套手動(dòng)夾軌器。夾持板主要參數(shù)：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(dòng)夾軌器抗滑力試驗(yàn)臺(tái)架
Fig.3Skid resistance test bench of manual rail clamp

試驗(yàn)過(guò)程采用分級(jí)加載：

1）當(dāng)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(guān)），輪軌臺(tái)車(chē)開(kāi)始有滑移趨勢(shì)，即油缸加載的水平推力超過(guò)了鉗口與鋼軌側(cè)面摩擦副的最大抗力。

2）繼續(xù)加載，輪軌臺(tái)車(chē)開(kāi)始有微小位移，主要是進(jìn)一步消除各結(jié)構(gòu)件連接的間隙，臺(tái)車(chē)右側(cè)夾軌器的夾持板有向順時(shí)針?lè)较虻奈⑥D(zhuǎn)動(dòng)，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(tái)車(chē)基本保持原態(tài)，夾持板本體結(jié)構(gòu)基本完好，但槽形鉗口的前部開(kāi)始出現(xiàn)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(yīng)力已超過(guò)材料的應(yīng)力值。

4）再繼續(xù)加載，鉗口邊角開(kāi)始出現(xiàn)明顯的塑變，最終加載到約190 kN（試驗(yàn)過(guò)程中的最大值），鉗口變形嚴(yán)重，銷(xiāo)軸彎曲，結(jié)構(gòu)基本失效。

上述試驗(yàn)同時(shí)得到了一個(gè)結(jié)論：手動(dòng)夾軌器在門(mén)式起重機(jī)上應(yīng)“成對(duì)安裝”，上風(fēng)向的夾軌器僅能產(chǎn)生鋼軌側(cè)摩擦阻力（不滿足自鎖條件），下風(fēng)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(fēng)防滑能力；但上風(fēng)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(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)情況及采集的數(shù)據(jù)，基本與本文中舉例的計(jì)算數(shù)據(jù)相符。證實(shí)了手動(dòng)夾軌器具有優(yōu)越的抗風(fēng)防滑效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)手動(dòng)夾軌器抗風(fēng)防滑機(jī)理的分析研究，得出了手動(dòng)夾軌器的抗風(fēng)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(chǎn)生的“自鎖”效應(yīng)承擔(dān)抗風(fēng)防滑的作用。夾持板與鋼軌側(cè)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(dòng)抗風(fēng)防滑”的概念。并總結(jié)整理出手動(dòng)夾軌器設(shè)計(jì)計(jì)算的4個(gè)公式：夾緊力計(jì)算公式（1）、鋼軌側(cè)面摩擦防滑阻力計(jì)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算公式（8）。為今后類(lèi)似工作原理的夾軌器設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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(shè)計(jì)上的重要環(huán)節(jié)。一套夾持可靠、抗風(fēng)阻滑能力強(qiáng)，而且操作簡(jiǎn)便的夾軌器，是室外門(mén)式起重機(jī)非工作狀態(tài)下可靠抵抗突發(fā)強(qiáng)風(fēng)襲擊的重要安全保證。

一對(duì)常用規(guī)格的手動(dòng)夾軌器，能可靠提供約10 t的抗風(fēng)防滑能力，并且在極端的條件下，夾軌器結(jié)構(gòu)達(dá)到“失效”狀態(tài)時(shí)，更可獲得比常態(tài)約大2.0耀3.0倍的抗風(fēng)防滑力。在極端氣候條件襲擊起重機(jī)時(shí)，可起到自損毀而保全起重機(jī)的效果。這是其他結(jié)構(gòu)形式的（不論是手動(dòng)或電、液驅(qū)動(dòng)）夾軌器、防風(fēng)鐵楔、頂軌器從原理上都不具備的超強(qiáng)功能。

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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）

Abstract：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.

Key words：crane;rail clamp;wind resistance;mechanism analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：U655.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-7874（2017）09-0095-04

doi：10.7640/zggwjs201709021

收稿日期：2017-01-25

作者簡(jiǎn)介：陸紅（1957—），男，重慶市人，高級(jí)工程師，船機(jī)設(shè)備技術(shù)專(zhuān)業(yè)。E-mail：lhong@cccc4.com