張 惲

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司天津天管特殊鋼有限公司，天津300301）

1 引言

橋式起重機(jī)（又稱天車，以下簡(jiǎn)稱起重機(jī)）運(yùn)行時(shí)常會(huì)出現(xiàn)車輪輪緣與鋼軌側(cè)面接觸并發(fā)生非正常磨損的現(xiàn)象，即起重機(jī)的啃軌。容易出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象的起重機(jī)包括：額定起重量50 t以下的中小型起重機(jī)、跨度較寬（25 m以上）的起重機(jī)、運(yùn)行速度較快（50 m/min以上）的起重機(jī)、運(yùn)行距離長(zhǎng)且作業(yè)率較高的起重機(jī)，門式起重機(jī)啃軌現(xiàn)象尤為突出。因啃軌而造成的危害是顯而易見的，啃軌嚴(yán)重時(shí)，車輪輪緣會(huì)在短時(shí)間內(nèi)變薄甚至損壞，更加嚴(yán)重的啃軌還容易引起重機(jī)“脫軌”等重大安全事故。輕微啃軌，鋼軌側(cè)面和車輪輪緣內(nèi)側(cè)也會(huì)磨損，影響車輪、鋼軌的使用壽命。另外，啃軌也會(huì)使電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器等傳動(dòng)部件的負(fù)荷額外增加，容易出現(xiàn)故障，造成維護(hù)費(fèi)用增高。

2 起重機(jī)啃軌的原因及分析

2.1 起重機(jī)的運(yùn)行與啃軌的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)起重機(jī)我們實(shí)地調(diào)查了天津鋼管公司的110臺(tái)起重機(jī)，又調(diào)查了倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)的20余臺(tái)起重機(jī)，從中發(fā)現(xiàn)由于中小噸位的起重機(jī)往往跨度較大、速度較快、行程較大，存在啃軌現(xiàn)象的概率達(dá)到60%以上，解決啃軌問題屬于行業(yè)難題。

2.2 造成起重機(jī)車輪啃軌的原因

（1）車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同步（起重機(jī)橫向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般分為兩套或四套分布在主梁兩端，且難以設(shè)計(jì)同步軸）。

（2）兩側(cè)主動(dòng)輪的輪徑誤差過大，從而在相同轉(zhuǎn)速時(shí)造成兩側(cè)行程長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致運(yùn)行偏斜啃軌。

（3）車輪安裝精度不夠（一側(cè)多個(gè)車輪安裝后的直線度超差或兩側(cè)車輪的平行度超差）。

（4）起重機(jī)主梁、端梁結(jié)構(gòu)安裝精度不符合要求（這里指整車鋼結(jié)構(gòu)的兩條對(duì)角線不相等且超差）。

（5）起重機(jī)運(yùn)行的軌道安裝沒有達(dá)到技術(shù)要求。一般兩條軌道的跨度（既兩條軌道間距）公差為±6 mm；兩根軌道的標(biāo)高誤差＜10 mm（在柱子處）和＜15 mm（不在柱子處）；兩條軌道坡度＜1%[3]。

（6）由于跨度大客觀上造成鋼結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度不足；造成啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，車體偏斜，導(dǎo)致啃軌。

（7）負(fù)載偏差（這里指吊運(yùn)負(fù)載的縱向位置處于橫向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一側(cè)，從而造成該側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行速度慢于對(duì)面一側(cè)系統(tǒng)），當(dāng)天車大車平移機(jī)構(gòu)功率設(shè)計(jì)較小時(shí)，容易出現(xiàn)負(fù)載偏差造成的啃軌現(xiàn)象。

（8）兩側(cè)制動(dòng)器調(diào)整不一致，一側(cè)制動(dòng)力矩大于另一側(cè)。這種類型的啃軌容易出現(xiàn)在停車過程中。

3 啃軌的預(yù)防及解決方法

3.1 常見預(yù)防啃軌的方法

3.1.1 安裝輪緣石墨潤(rùn)滑設(shè)備（見圖1）

圖1 德國(guó)巴登鋼廠輪緣石墨潤(rùn)滑設(shè)備

該方法能一定程度上減少啃軌造成的設(shè)備損傷，提高設(shè)備使用壽命。

3.1.2 采用雙錐面車輪或圓錐踏面車輪

此方法對(duì)于新車輪效果較好，但隨著運(yùn)行磨損和踏面碾壓變形，使運(yùn)行平穩(wěn)性急劇下降，車輪的使用壽命仍受制約。

3.1.3 電氣糾偏

根據(jù)電氣控制系統(tǒng)是否調(diào)速以及調(diào)速方式（切電阻、變頻、調(diào)壓等）采用不同的控制方法。其中關(guān)鍵是反饋信號(hào)的精確度、穩(wěn)定性、誤動(dòng)作以及控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度和響應(yīng)時(shí)間的匹配，實(shí)際應(yīng)用中效果不是很理想。

3.1.4 安裝水平導(dǎo)向輪（見圖2）

此方法最早在國(guó)外起重機(jī)上使用較多。通過在車體上加裝水平方向的輪子，作用在起重機(jī)運(yùn)行軌道上，把滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。起重機(jī)運(yùn)行時(shí)水平輪沿著鋼軌的側(cè)面滾動(dòng)，從而給車體運(yùn)行中產(chǎn)生的偏斜（側(cè)向力）施加一定的反作用力，阻止車輪輪緣與鋼軌側(cè)面的滑動(dòng)磨損。實(shí)際使用中，如果起重機(jī)產(chǎn)生輕微的啃軌，即側(cè)向力較小時(shí)，此種結(jié)構(gòu)的水平輪組應(yīng)用效果比較理想。但是起重機(jī)出現(xiàn)較大側(cè)向力時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多問題，當(dāng)起重機(jī)運(yùn)行由軌道的中心線剛剛開始向一側(cè)偏斜時(shí)，水平輪與鋼軌的側(cè)面不接觸（設(shè)計(jì)間隙一般取10 mm），水平輪組不能發(fā)揮作用，當(dāng)偏移量達(dá)到10 mm時(shí)，水平輪與鋼軌的側(cè)面突然接觸，水平輪要阻止起重機(jī)的慣性偏斜，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力。此種沖擊力對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)、水平輪、軌道產(chǎn)生嚴(yán)重危害，經(jīng)常出現(xiàn)水平輪組的軸承損壞、定位板脫落等故障，嚴(yán)重時(shí)造成車輪脫軌等重大安全事故。同時(shí)較大的沖擊力使軌道壓板螺栓連續(xù)大面積松動(dòng)或斷裂，導(dǎo)致鋼軌部分段落浮動(dòng)移位等問題出現(xiàn)。

圖2 德國(guó)巴登鋼廠使用的水平導(dǎo)向輪

3.2 出現(xiàn)啃軌問題后的常用解決方法

常用調(diào)整方法是調(diào)整車輪的偏斜角度，此種方法通常是直接有效的，但需要維護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)較豐富且需要反復(fù)試運(yùn)行，根據(jù)情況相應(yīng)增減襯墊。但對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同步、車體剛性不足，偏載等原因造成的啃軌則無法解決。

4 自動(dòng)調(diào)力水平輪組的設(shè)計(jì)方案

4.1 方案的確定

在起重機(jī)運(yùn)行的日常維護(hù)過程中，當(dāng)某部起重機(jī)發(fā)生啃軌現(xiàn)象時(shí)，找到其產(chǎn)生啃軌的準(zhǔn)確原因則比較困難（因?yàn)橥虮容^復(fù)雜，屬于綜合性原因，且維護(hù)人員的技術(shù)力量不能滿足需要），即使找到啃軌的原因，有針對(duì)性地徹底解決啃軌故障，通常難度較大，制約的因素較多，造成起重機(jī)經(jīng)常調(diào)整卻仍然存在啃軌問題。

本設(shè)計(jì)是針對(duì)剛性水平輪組（見圖3）所存在問題的改進(jìn)方案。

圖3 國(guó)內(nèi)常用水平輪組

4.2 自動(dòng)調(diào)力水平輪組工作原理

首先，在起重機(jī)運(yùn)行開始出現(xiàn)跑偏傾向時(shí)，自動(dòng)調(diào)力水平輪組立即能給出一個(gè)糾偏力并始終施加（設(shè)計(jì)值范圍是1787～2675 kg），隨著起重機(jī)偏移量增大而自動(dòng)增加糾偏力，以此減緩起重機(jī)運(yùn)行偏斜的程度，直到偏斜被修正。當(dāng)起重機(jī)運(yùn)行偏斜的側(cè)向力過大時(shí)，出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象，此時(shí)水平輪的最大糾偏力仍然在起作用，啃軌產(chǎn)生的危害被極大地降低。

自動(dòng)調(diào)力水平輪組給出最大的糾偏力（可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況更換彈簧、調(diào)整設(shè)計(jì)值），是在起重機(jī)運(yùn)行的各個(gè)相關(guān)部件（如軌道、軸承、底座等）強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

自動(dòng)調(diào)力水平輪適應(yīng)復(fù)雜情況保護(hù)設(shè)備能力，還體現(xiàn)在即使鋼軌側(cè)面在接縫處或其它某個(gè)部位出現(xiàn)不平滑突起，對(duì)行使到此處的老式水平輪會(huì)形成突然性的沖擊，而自動(dòng)調(diào)力水平輪組能緩沖并化解這種突然性的沖擊，避免由此帶來的對(duì)水平輪組軸承和起重機(jī)軌道、傳動(dòng)部件巨大的破壞力。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明

自動(dòng)調(diào)力水平輪組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見圖4）。

圖4 自動(dòng)調(diào)力水平輪組

采用65Mn材質(zhì)通過鍛造加工、機(jī)械加工、工作表面熱處理后的硬度達(dá)到HRC45～50水平輪（14）[4]，通過兩套調(diào)心滾子軸承（15）與偏心軸（16）的下部相連接。水平輪（14）工作面與外界接觸產(chǎn)生的徑向力通過兩套調(diào)心滾子軸承（15）傳給偏心軸（16）的下部，同時(shí)不影響水平輪（14）在偏心軸（16）的下端部相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。偏心軸（16）以向心關(guān)節(jié)軸承Ⅰ（2）為支點(diǎn)，當(dāng)起重機(jī)整體跑偏時(shí)，其中一個(gè)水平輪向鋼軌（11）位移，水平輪接觸到鋼軌的側(cè)面并產(chǎn)生相互作用力。隨著位移量的增加，偏心軸（16）下部向外傾斜，其上部向內(nèi)傾斜，使得彈簧（9）進(jìn)一步壓縮，其張力增大，反過來通過水平輪作用到鋼軌的側(cè)面，水平輪與鋼軌之間作用力的作用點(diǎn)到偏心軸支點(diǎn)的距離，是其支點(diǎn)到彈簧（9）作用力的作用點(diǎn)距離一半。水平輪（14）與鋼軌（11）的側(cè)面作用力是彈簧（9）張力的2倍。起重機(jī)車體跑偏越嚴(yán)重，其作用力就越大。有效減緩因起重機(jī)車體跑偏嚴(yán)重，導(dǎo)致車輪輪緣與鋼軌側(cè)面的磨損加劇。作為偏心軸（16）的支撐點(diǎn)向心關(guān)節(jié)軸承Ⅰ（2），其功能是：保障偏心軸（16）以此為支點(diǎn)靈活擺動(dòng)；對(duì)偏心軸（16）作用的支撐力通過下支撐座（1）傳遞到結(jié)構(gòu)架（21）的下水平板上；通過墊圈（18）、連接螺栓（8）、夾板（17）將偏心軸（16）的重量支撐在向心關(guān)節(jié)軸承Ⅰ（2）的內(nèi)卷上。彈簧（9）的張力作用在其兩邊的推力器（3）上，推力器（3）通過向心關(guān)節(jié)軸承Ⅱ（4）與偏心軸（16）上部相連。當(dāng)彈簧（9）張力作用到某邊的偏心軸上部時(shí)，而另一邊的推力器以支撐架（22）的上水平板一個(gè)側(cè)面為支撐面，將支撐彈簧（9）的一側(cè)張力傳遞到支撐架（22）上。壓簧螺栓（10）屬于安裝工藝件，只是在自動(dòng)調(diào)力水平輪組裝配時(shí)發(fā)揮作用。導(dǎo)向器7通過導(dǎo)向桿（12）使偏心軸（16）在沿著鋼軌（11）的軸向限制擺動(dòng)，但能在其徑向擺動(dòng)，同時(shí)防止偏心軸（16）任意轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)向桿（12）由支撐架（22）的上水平板兩邊側(cè)板為支撐。導(dǎo)向器（7）通過半月板（6）、壓板（5）、連接螺栓Ⅱ（13）與偏心軸（16）組成可拆分式連接，使導(dǎo)向器（7）與偏心軸（16）能組成剛性體，又能無級(jí)差調(diào)整偏心軸（16）的旋轉(zhuǎn)角，再與導(dǎo)向器（7）組成剛性體。水平輪（14）與鋼軌（11）產(chǎn)生相互對(duì)抗力，鋼軌通過軌道壓板和壓板螺栓傳導(dǎo)到地基中，水平輪上的力通過結(jié)構(gòu)架（21）、定位板（20）傳遞到起重機(jī)本體（19）上。

5 結(jié)束語

新設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)力水平輪組借鑒了以往水平輪組的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，克服了以往設(shè)計(jì)的弊端，能夠保證起重機(jī)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定。當(dāng)起重機(jī)側(cè)向力小于水平輪組的糾偏力時(shí)，就能避免啃軌出現(xiàn)，否則也會(huì)極大地減輕啃軌對(duì)起重機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的危害。該設(shè)計(jì)得到了天津鋼管公司的大力支持，并且委托相關(guān)制造單位加工完成，并于2011年4月底，在啃軌問題嚴(yán)重的起重機(jī)（16+16 t雙梁電磁起重機(jī)）上試用（見圖5），取得了滿意的效果。原有的啃軌現(xiàn)象完全消除，極大延長(zhǎng)了車輪、軌道、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用壽命，降低了設(shè)備維護(hù)成本。

圖5 自動(dòng)調(diào)力水平輪組

自動(dòng)調(diào)力水平輪組的局限性是:不具備從根本上避免起重機(jī)車輪啃軌的能力，應(yīng)當(dāng)屬于“被動(dòng)校正”解決啃軌的方案之一。安裝自動(dòng)調(diào)力水平輪組的起重機(jī)，當(dāng)出現(xiàn)側(cè)向力大于糾偏力產(chǎn)生輕微啃軌時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用常規(guī)方法調(diào)整車輪偏斜角，消除較大的側(cè)向力。

[1]張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

[2]趙國(guó)君，吳錫忠.通用橋式和門式起重機(jī)的使用與維護(hù)[M].大連：大連起重設(shè)備安全技術(shù)檢測(cè)培訓(xùn)中心，1984.

[3]李會(huì)勤，李姿之.冶金起重機(jī)[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]成大先，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.