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起重机水平导向轮的改进与应用

张恽

(天津钢管集团股份有限公司天津天管特殊钢有限公司，天津 300301)

摘 要：分析了桥式起重机车轮啃轨的原因，以及国内外比较常用的几种缓解车轮啃轨的方法。将原有水平导向轮的刚性联接改进设计为弹性联接，设计出一种新的解决车轮啃轨的机构———自动调力水平轮组。这套机构通过弹簧预应力和关节轴承的巧妙应用，延长了水平导向轮纠偏力的作用时间，缓解了冲击力对设备的损伤。在实际应用中，当起重机侧向力小于水平轮组的纠偏力时，能够避免车轮啃轨现象的出现，解决了桥式起重机车轮啃轨问题。

关 键 词：桥式起重机；啃轨；预应力；纠偏力；水平轮组

1 引言

桥式起重机(又称天车，以下简称起重机)运行时常会出现车轮轮缘与钢轨侧面接触并发生非正常磨损的现象，即起重机的啃轨。容易出现啃轨现象的起重机包括：额定起重量50t以下的中小型起重机、跨度较宽(25m以上)的起重机、运行速度较快(50m/min以上)的起重机、运行距离长且作业率较高的起重机，门式起重机啃轨现象尤为突出。因啃轨而造成的危害是显而易见的，啃轨严重时，车轮轮缘会在短时间内变薄甚至损坏，更加严重的啃轨还容易引起重机“脱轨”等重大安全事故。轻微啃轨，钢轨侧面和车轮轮缘内侧也会磨损，影响车轮、钢轨的使用寿命。另外，啃轨也会使电机、减速机、联轴器等传动部件的负荷额外增加，容易出现故障，造成维护费用增高。

2 起重机啃轨的原因及分析

2.1 起重机的运行与啃轨的现状

国内起重机我们实地调查了天津钢管公司的110台起重机，又调查了仓储物流行业的20余台起重机，从中发现由于中小吨位的起重机往往跨度较大、速度较快、行程较大，存在啃轨现象的概率达到60%以上，解决啃轨问题属于行业难题。

2.2 造成起重机车轮啃轨的原因

(1)车轮驱动系统不同步(起重机横向驱动系统一般分为两套或四套分布在主梁两端，且难以设计同步轴)。

(2)两侧主动轮的轮径误差过大，从而在相同转速时造成两侧行程长度不同，导致运行偏斜啃轨。

(3)车轮安装精度不够(一侧多个车轮安装后的直线度超差或两侧车轮的平行度超差)。

(4)起重机主梁、端梁结构安装精度不符合要求(这里指整车钢结构的两条对角线不相等且超差)。

(5)起重机运行的轨道安装没有达到技术要求。一般两条轨道的跨度(既两条轨道间距)公差为±6mm；两根轨道的标高误差<10mm(在柱子处)和<15mm(不在柱子处)；两条轨道坡度<1%[3]。

(6)由于跨度大客观上造成钢结构的刚度、强度不足；造成启动或制动时，车体偏斜，导致啃轨。

(7)负载偏差(这里指吊运负载的纵向位置处于横向驱动系统的一侧，从而造成该侧系统运行速度慢于对面一侧系统)，当天车大车平移机构功率设计较小时，容易出现负载偏差造成的啃轨现象。

(8)两侧制动器调整不一致，一侧制动力矩大于另一侧。这种类型的啃轨容易出现在停车过程中。

3 啃轨的预防及解决方法

3.1 常见预防啃轨的方法

3.1.1 安装轮缘石墨润滑设备(见图1)

该方法能一定程度上减少啃轨造成的设备损伤，提高设备使用寿命。

3.1.2 采用双锥面车轮或圆锥踏面车轮

此方法对于新车轮效果较好，但随着运行磨损和踏面碾压变形，使运行平稳性急剧下降，车轮的使用寿命仍受制约。

3.1.3 电气纠偏

根据电气控制系统是否调速以及调速方式(切电阻、变频、调压等)采用不同的控制方法。其中关键是反馈信号的精确度、稳定性、误动作以及控制电机转速的精度和响应时间的匹配，实际应用中效果不是很理想。

3.1.4 安装水平导向轮(见图2)

此方法最早在国外起重机上使用较多。通过在车体上加装水平方向的轮子，作用在起重机运行轨道上，把滑动摩擦变为滚动摩擦。起重机运行时水平轮沿着钢轨的侧面滚动，从而给车体运行中产生的偏斜(侧向力)施加一定的反作用力，阻止车轮轮缘与钢轨侧面的滑动磨损。实际使用中，如果起重机产生轻微的啃轨，即侧向力较小时，此种结构的水平轮组应用效果比较理想。但是起重机出现较大侧向力时会产生诸多问题，当起重机运行由轨道的中心线刚刚开始向一侧偏斜时，水平轮与钢轨的侧面不接触(设计间隙一般取10mm)，水平轮组不能发挥作用，当偏移量达到10mm时，水平轮与钢轨的侧面突然接触，水平轮要阻止起重机的惯性偏斜，此时会产生较大的冲击力。此种冲击力对起重机结构、水平轮、轨道产生严重危害，经常出现水平轮组的轴承损坏、定位板脱落等故障，严重时造成车轮脱轨等重大安全事故。同时较大的冲击力使轨道压板螺栓连续大面积松动或断裂，导致钢轨部分段落浮动移位等问题出现。

3.2 出现啃轨问题后的常用解决方法

常用调整方法是调整车轮的偏斜角度，此种方法通常是直接有效的，但需要维护人员经验较丰富且需要反复试运行，根据情况相应增减衬垫。但对于驱动系统不同步、车体刚性不足，偏载等原因造成的啃轨则无法解决。

4 自动调力水平轮组的设计方案

4.1 方案的确定

在起重机运行的日常维护过程中，当某部起重机发生啃轨现象时，找到其产生啃轨的准确原因则比较困难(因为往往原因比较复杂，属于综合性原因，且维护人员的技术力量不能满足需要)，即使找到啃轨的原因，有针对性地彻底解决啃轨故障，通常难度较大，制约的因素较多，造成起重机经常调整却仍然存在啃轨问题。

本设计是针对刚性水平轮组(见图3)所存在问题的改进方案。

4.2 自动调力水平轮组工作原理

首先，在起重机运行开始出现跑偏倾向时，自动调力水平轮组立即能给出一个纠偏力并始终施加(设计值范围是1787～2675kg)，随着起重机偏移量增大而自动增加纠偏力，以此减缓起重机运行偏斜的程度，直到偏斜被修正。当起重机运行偏斜的侧向力过大时，出现啃轨现象，此时水平轮的最大纠偏力仍然在起作用，啃轨产生的危害被极大地降低。

自动调力水平轮组给出最大的纠偏力(可根据现场使用情况更换弹簧、调整设计值)，是在起重机运行的各个相关部件(如轨道、轴承、底座等)强度允许范围内。

自动调力水平轮适应复杂情况保护设备能力，还体现在即使钢轨侧面在接缝处或其它某个部位出现不平滑突起，对行使到此处的老式水平轮会形成突然性的冲击，而自动调力水平轮组能缓冲并化解这种突然性的冲击，避免由此带来的对水平轮组轴承和起重机轨道、传动部件巨大的破坏力。

4.3 结构设计说明

自动调力水平轮组结构特点(见图4)。

采用65Mn材质通过锻造加工、机械加工、工作表面热处理后的硬度达到HRC45～50水平轮(14)[4]，通过两套调心滚子轴承(15)与偏心轴(16)的下部相连接。水平轮(14)工作面与外界接触产生的径向力通过两套调心滚子轴承(15)传给偏心轴(16)的下部，同时不影响水平轮(14)在偏心轴(16)的下端部相对转动。偏心轴(16)以向心关节轴承Ⅰ(2)为支点，当起重机整体跑偏时，其中一个水平轮向钢轨(11)位移，水平轮接触到钢轨的侧面并产生相互作用力。随着位移量的增加，偏心轴(16)下部向外倾斜，其上部向内倾斜，使得弹簧(9)进一步压缩，其张力增大，反过来通过水平轮作用到钢轨的侧面，水平轮与钢轨之间作用力的作用点到偏心轴支点的距离，是其支点到弹簧(9)作用力的作用点距离一半。水平轮(14)与钢轨(11)的侧面作用力是弹簧(9)张力的2倍。起重机车体跑偏越严重，其作用力就越大。有效减缓因起重机车体跑偏严重，导致车轮轮缘与钢轨侧面的磨损加剧。作为偏心轴(16)的支撑点向心关节轴承Ⅰ(2)，其功能是：保障偏心轴(16)以此为支点灵活摆动；对偏心轴(16)作用的支撑力通过下支撑座(1)传递到结构架(21)的下水平板上；通过垫圈(18)、连接螺栓(8)、夹板(17)将偏心轴(16)的重量支撑在向心关节轴承Ⅰ(2)的内卷上。弹簧(9)的张力作用在其两边的推力器(3)上，推力器(3)通过向心关节轴承Ⅱ(4)与偏心轴(16)上部相连。当弹簧(9)张力作用到某边的偏心轴上部时，而另一边的推力器以支撑架(22)的上水平板一个侧面为支撑面，将支撑弹簧(9)的一侧张力传递到支撑架(22)上。压簧螺栓(10)属于安装工艺件，只是在自动调力水平轮组装配时发挥作用。导向器7通过导向杆(12)使偏心轴(16)在沿着钢轨(11)的轴向限制摆动，但能在其径向摆动，同时防止偏心轴(16)任意转动。导向杆(12)由支撑架(22)的上水平板两边侧板为支撑。导向器(7)通过半月板(6)、压板(5)、连接螺栓Ⅱ(13)与偏心轴(16)组成可拆分式连接，使导向器(7)与偏心轴(16)能组成刚性体，又能无级差调整偏心轴(16)的旋转角，再与导向器(7)组成刚性体。水平轮(14)与钢轨(11)产生相互对抗力，钢轨通过轨道压板和压板螺栓传导到地基中，水平轮上的力通过结构架(21)、定位板(20)传递到起重机本体(19)上。

5 结束语

新设计的自动调力水平轮组借鉴了以往水平轮组的经验和教训，克服了以往设计的弊端，能够保证起重机运行的安全、稳定。当起重机侧向力小于水平轮组的纠偏力时，就能避免啃轨出现，否则也会极大地减轻啃轨对起重机设备产生的危害。该设计得到了天津钢管公司的大力支持，并且委托相关制造单位加工完成，并于2011年4月底，在啃轨问题严重的起重机(16+16t双梁电磁起重机)上试用(见图5)，取得了满意的效果。原有的啃轨现象完全消除，极大延长了车轮、轨道、传动机构的使用寿命，降低了设备维护成本。

自动调力水平轮组的局限性是：不具备从根本上避免起重机车轮啃轨的能力，应当属于“被动校正”解决啃轨的方案之一。安装自动调力水平轮组的起重机，当出现侧向力大于纠偏力产生轻微啃轨时，应当采用常规方法调整车轮偏斜角，消除较大的侧向力。

参 考 文 献

[1]   张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[2]   赵国君，吴锡忠.通用桥式和门式起重机的使用与维护[M].大连：大连起重设备安全技术检测培训中心，1984.

[3]   李会勤，李姿之.冶金起重机[M].北京，机械工业出版社，2011.

[4]   成大先，机械设计手册[M].3版.北京：化学工业出版社，1993.