起重機水平導向輪的改進與應用

張 惲

（天津鋼管集團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（又稱天車，以下簡稱起重機）運行時常會出現車輪輪緣與鋼軌側面接觸并發生非正常磨損的現象，即起重機的啃軌。容易出現啃軌現象的起重機包括：額定起重量50 t以下的中小型起重機、跨度較寬（25 m以上）的起重機、運行速度較快（50 m/min以上）的起重機、運行距離長且作業率較高的起重機，門式起重機啃軌現象尤為突出。因啃軌而造成的危害是顯而易見的，啃軌嚴重時，車輪輪緣會在短時間內變薄甚至損壞，更加嚴重的啃軌還容易引起重機“脫軌”等重大安全事故。輕微啃軌，鋼軌側面和車輪輪緣內側也會磨損，影響車輪、鋼軌的使用壽命。另外，啃軌也會使電機、減速機、聯軸器等傳動部件的負荷額外增加，容易出現故障，造成維護費用增高。

2 起重機啃軌的原因及分析

2.1 起重機的運行與啃軌的現狀

國內起重機我們實地調查了天津鋼管公司的110臺起重機，又調查了倉儲物流行業的20余臺起重機，從中發現由于中小噸位的起重機往往跨度較大、速度較快、行程較大，存在啃軌現象的概率達到60%以上，解決啃軌問題屬于行業難題。

2.2 造成起重機車輪啃軌的原因

（1）車輪驅動系統不同步（起重機橫向驅動系統一般分為兩套或四套分布在主梁兩端，且難以設計同步軸）。

（2）兩側主動輪的輪徑誤差過大，從而在相同轉速時造成兩側行程長度不同，導致運行偏斜啃軌。

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

（4）起重機主梁、端梁結構安裝精度不符合要求（這里指整車鋼結構的兩條對角線不相等且超差）。

（5）起重機運行的軌道安裝沒有達到技術要求。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構的剛度、強度不足；造成啟動或制動時，車體偏斜，導致啃軌。

（7）負載偏差（這里指吊運負載的縱向位置處于橫向驅動系統的一側，從而造成該側系統運行速度慢于對面一側系統），當天車大車平移機構功率設計較小時，容易出現負載偏差造成的啃軌現象。

（8）兩側制動器調整不一致，一側制動力矩大于另一側。這種類型的啃軌容易出現在停車過程中。

3 啃軌的預防及解決方法

3.1 常見預防啃軌的方法

3.1.1 安裝輪緣石墨潤滑設備（見圖1）

圖1 德國巴登鋼廠輪緣石墨潤滑設備

該方法能一定程度上減少啃軌造成的設備損傷，提高設備使用壽命。

3.1.2 采用雙錐面車輪或圓錐踏面車輪

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

3.1.3 電氣糾偏

根據電氣控制系統是否調速以及調速方式（切電阻、變頻、調壓等）采用不同的控制方法。其中關鍵是反饋信號的精確度、穩定性、誤動作以及控制電機轉速的精度和響應時間的匹配，實際應用中效果不是很理想。

3.1.4 安裝水平導向輪（見圖2）

此方法最早在國外起重機上使用較多。通過在車體上加裝水平方向的輪子，作用在起重機運行軌道上，把滑動摩擦變為滾動摩擦。起重機運行時水平輪沿著鋼軌的側面滾動，從而給車體運行中產生的偏斜（側向力）施加一定的反作用力，阻止車輪輪緣與鋼軌側面的滑動磨損。實際使用中，如果起重機產生輕微的啃軌，即側向力較小時，此種結構的水平輪組應用效果比較理想。但是起重機出現較大側向力時會產生諸多問題，當起重機運行由軌道的中心線剛剛開始向一側偏斜時，水平輪與鋼軌的側面不接觸（設計間隙一般取10 mm），水平輪組不能發揮作用，當偏移量達到10 mm時，水平輪與鋼軌的側面突然接觸，水平輪要阻止起重機的慣性偏斜，此時會產生較大的沖擊力。此種沖擊力對起重機結構、水平輪、軌道產生嚴重危害，經常出現水平輪組的軸承損壞、定位板脫落等故障，嚴重時造成車輪脫軌等重大安全事故。同時較大的沖擊力使軌道壓板螺栓連續大面積松動或斷裂，導致鋼軌部分段落浮動移位等問題出現。

圖2 德國巴登鋼廠使用的水平導向輪

3.2 出現啃軌問題后的常用解決方法

常用調整方法是調整車輪的偏斜角度，此種方法通常是直接有效的，但需要維護人員經驗較豐富且需要反復試運行，根據情況相應增減襯墊。但對于驅動系統不同步、車體剛性不足，偏載等原因造成的啃軌則無法解決。

4 自動調力水平輪組的設計方案

4.1 方案的確定

在起重機運行的日常維護過程中，當某部起重機發生啃軌現象時，找到其產生啃軌的準確原因則比較困難（因為往往原因比較復雜，屬于綜合性原因，且維護人員的技術力量不能滿足需要），即使找到啃軌的原因，有針對性地徹底解決啃軌故障，通常難度較大，制約的因素較多，造成起重機經常調整卻仍然存在啃軌問題。

本設計是針對剛性水平輪組（見圖3）所存在問題的改進方案。

圖3 國內常用水平輪組

4.2 自動調力水平輪組工作原理

首先，在起重機運行開始出現跑偏傾向時，自動調力水平輪組立即能給出一個糾偏力并始終施加（設計值范圍是1787～2675 kg），隨著起重機偏移量增大而自動增加糾偏力，以此減緩起重機運行偏斜的程度，直到偏斜被修正。當起重機運行偏斜的側向力過大時，出現啃軌現象，此時水平輪的最大糾偏力仍然在起作用，啃軌產生的危害被極大地降低。

自動調力水平輪組給出最大的糾偏力（可根據現場使用情況更換彈簧、調整設計值），是在起重機運行的各個相關部件（如軌道、軸承、底座等）強度允許范圍內。

自動調力水平輪適應復雜情況保護設備能力，還體現在即使鋼軌側面在接縫處或其它某個部位出現不平滑突起，對行使到此處的老式水平輪會形成突然性的沖擊，而自動調力水平輪組能緩沖并化解這種突然性的沖擊，避免由此帶來的對水平輪組軸承和起重機軌道、傳動部件巨大的破壞力。

4.3 結構設計說明

自動調力水平輪組結構特點（見圖4）。

圖4 自動調力水平輪組

采用65Mn材質通過鍛造加工、機械加工、工作表面熱處理后的硬度達到HRC45～50水平輪（14）[4]，通過兩套調心滾子軸承（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生的徑向力通過兩套調心滾子軸承（15）傳給偏心軸（16）的下部，同時不影響水平輪（14）在偏心軸（16）的下端部相對轉動。偏心軸（16）以向心關節軸承Ⅰ（2）為支點，當起重機整體跑偏時，其中一個水平輪向鋼軌（11）位移，水平輪接觸到鋼軌的側面并產生相互作用力。隨著位移量的增加，偏心軸（16）下部向外傾斜，其上部向內傾斜，使得彈簧（9）進一步壓縮，其張力增大，反過來通過水平輪作用到鋼軌的側面，水平輪與鋼軌之間作用力的作用點到偏心軸支點的距離，是其支點到彈簧（9）作用力的作用點距離一半。水平輪（14）與鋼軌（11）的側面作用力是彈簧（9）張力的2倍。起重機車體跑偏越嚴重，其作用力就越大。有效減緩因起重機車體跑偏嚴重，導致車輪輪緣與鋼軌側面的磨損加劇。作為偏心軸（16）的支撐點向心關節軸承Ⅰ（2），其功能是：保障偏心軸（16）以此為支點靈活擺動；對偏心軸（16）作用的支撐力通過下支撐座（1）傳遞到結構架（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節軸承Ⅰ（2）的內卷上。彈簧（9）的張力作用在其兩邊的推力器（3）上，推力器（3）通過向心關節軸承Ⅱ（4）與偏心軸（16）上部相連。當彈簧（9）張力作用到某邊的偏心軸上部時，而另一邊的推力器以支撐架（22）的上水平板一個側面為支撐面，將支撐彈簧（9）的一側張力傳遞到支撐架（22）上。壓簧螺栓（10）屬于安裝工藝件，只是在自動調力水平輪組裝配時發揮作用。導向器7通過導向桿（12）使偏心軸（16）在沿著鋼軌（11）的軸向限制擺動，但能在其徑向擺動，同時防止偏心軸（16）任意轉動。導向桿（12）由支撐架（22）的上水平板兩邊側板為支撐。導向器（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，使導向器（7）與偏心軸（16）能組成剛性體，又能無級差調整偏心軸（16）的旋轉角，再與導向器（7）組成剛性體。水平輪（14）與鋼軌（11）產生相互對抗力，鋼軌通過軌道壓板和壓板螺栓傳導到地基中，水平輪上的力通過結構架（21）、定位板（20）傳遞到起重機本體（19）上。

5 結束語

新設計的自動調力水平輪組借鑒了以往水平輪組的經驗和教訓，克服了以往設計的弊端，能夠保證起重機運行的安全、穩定。當起重機側向力小于水平輪組的糾偏力時，就能避免啃軌出現，否則也會極大地減輕啃軌對起重機設備產生的危害。該設計得到了天津鋼管公司的大力支持，并且委托相關制造單位加工完成，并于2011年4月底，在啃軌問題嚴重的起重機（16+16 t雙梁電磁起重機）上試用（見圖5），取得了滿意的效果。原有的啃軌現象完全消除，極大延長了車輪、軌道、傳動機構的使用壽命，降低了設備維護成本。

圖5 自動調力水平輪組

自動調力水平輪組的局限性是:不具備從根本上避免起重機車輪啃軌的能力，應當屬于“被動校正”解決啃軌的方案之一。安裝自動調力水平輪組的起重機，當出現側向力大于糾偏力產生輕微啃軌時，應當采用常規方法調整車輪偏斜角，消除較大的側向力。

[1]張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[2]趙國君，吳錫忠.通用橋式和門式起重機的使用與維護[M].大連：大連起重設備安全技術檢測培訓中心，1984.

[3]李會勤，李姿之.冶金起重機[M].北京，機械工業出版社，2011.

[4]成大先，機械設計手冊[M].3版.北京：化學工業出版社，1993.