一種門座起重機自鎖式防風鐵楔

孫 寧 馬 利 李少澤 宋明泰

日照港股份有限公司第二港務分公司

1 引言

楔形制動器楔入車輪與軌道之間，當車輪滾動時，壓住鐵楔，利用起重機自重輪壓產生巨大摩擦力，實現制動。手持式簡易防風鐵楔(以下簡稱鐵楔)，是當前港口門座起重機(以下簡稱門機)重要的防風裝置，具有結構簡單、實用性強的特點。但是也存在一些缺點，如鐵楔放置在行走輪與軌道之間，由于鐵楔與軌道之間摩擦系數有限，在動態防風時，門機晃動造成行走輪的移動會將鐵楔推出；靜態防風時，如遇到大潮，涌浪上岸后會將鐵楔橫向沖出軌道，造成防風失效，形成安全隱患。為提升鐵楔可靠性對其進行改進，如通過強磁鐵將鐵楔裝置吸附于車輪上，由于高強磁鐵的磁力作用及與軌輪接觸面較好，使之很牢固地與軌道接合，不會因軌輪前后擺動而脫楔，起到鐵楔的作用[1]，但實際應用并不廣泛。

通過分析鐵楔的受力特點，創新設計了一種新型的自鎖式防風鐵楔裝置，通過2個鐵楔對頭放置，在中間加彈簧連桿裝置，實現自鎖，克服鐵楔易被移位的缺點，操作方便，實用性強。

2 鐵楔受力分析

2.1 鐵楔的抗滑動能力分析

鐵楔、車輪和軌道之間的受力狀態屬于接觸問題，接觸問題是一種高度非線性問題，可以在有限元分析軟件中，通過罰函數法，或者增強的拉格朗日乘子法求解，其過程需要較大的計算資源，故在此僅進行簡單定性分析。

對于普通鋼板制成鐵楔，如果底部并不采用特殊材料，其摩擦系數f≈0.15，其摩擦自鎖角φ≈8.5°；如果表面沾水或者結冰，摩擦系數減小，相應自鎖角也變小。對于車輪與鐵楔之間的接觸，接觸點的力垂直于公共點的切線，即由輪心指向接觸點。為了達到自鎖角度，要保證接觸點盡量往輪底深入，鐵楔前端一定是尖長的結構，這樣才能保證車輪能夠壓住鐵楔，否則鐵楔可能會彈出(見圖1)。

圖1 鐵楔受力點分析

2.2 鐵楔的強度校核

鐵楔在車輪壓力下的受力，可以通過有限元等方法進行模擬仿真，如文獻[2]中對鐵楔結構建立了有限元模型，進行強度校核與分析，滿足強度要求。此鐵楔是一個實心結構，而大多數加工鐵楔為鋼板焊接制成，需進行剛度分析。假設鐵楔與車輪均勻接觸，全部輪壓都施加在鐵楔面上時，獲取此面上節點數量，再將輪壓均勻施加在每個節點。

求解后，可得最大應力出現在內部2道筋板處，最大值為194 MPa，符合要求(見圖2)。如果需要加強抗沖擊能力，可以將鋼板加厚或者內部多加筋板。

圖2 鐵楔有限元模型分析應力云圖

3 自鎖鐵楔設計

針對分析的鐵楔受力特點，結合門機使用工況，設計新式的自鎖式防風鐵楔裝置。

3.1 彈性自鎖設計

經過分析，在純滾動情況下，為了壓住鐵楔，鐵楔頭部要尖長，而在實際作業中輪子會來回對鐵楔進行沖擊，浪涌時從側面將鐵楔沖歪，都會導致鐵楔失效。為了保證鐵楔的放置有效，牢固可靠，設計2個鐵楔同時放到相鄰2個行走輪之間，2鐵楔中間采用彈簧裝置使其往2邊車輪壓緊(見圖3)。

圖3 自鎖鐵楔原理圖

靜態防風時，鐵楔在彈簧力作用下壓緊車輪，不容易被水沖走，且在門機晃動鐵楔發生位移后，能在彈簧力作用下重新恢復到壓緊狀態，確保長期有效。動態防風時，采用多個此類鐵楔壓緊行走輪，可以大大減少門機作業時左右晃動，減少對行走機構傳動齒輪、減速箱的沖擊，間接減少行走減速箱油封滲油等現象。

3.2 杠桿操縱機構

為了實現方便安裝，采用杠桿原理，設計連桿和轉動滑塊機構，用較小的人力推動較硬的彈簧，可較方便地把彈簧壓緊。具體結構與操作方式見圖4。通過仿真分析，省力機構在操作過程中，用20 N的按壓力能夠實現100 N的雙向鎖緊推力。通過螺母可調節彈簧的壓縮行程，對鐵楔的鎖緊力進行調整。

圖4 自鎖鐵楔操作示意圖

3.3 制動力粗算

以40 t門機為例，整機重量560 t，平均輪壓為175 kN，取摩擦系數為0.15[3]，則單只鐵楔產生的最大制動力為26 250 N,制動效果相當可觀。

4 結語

通過分析鐵楔受力和實際使用工況，創新采用前后2個鐵楔中間加彈簧的方法，實現了鐵楔的鎖緊安裝，牢固可靠，滑塊連桿機構保證了機構的操作相對輕便。在實際使用中，該裝置效果可靠，通過更改尺寸結構，該裝置也可以適用于其他型號門座起重機和其他軌道行走設備的應急防風。