门式起重机手动夹轨器抗风防滑机理

陆红，郑远斌，张长城，匡朝晖，冼嘉和，韩少浦

门式起重机手动夹轨器抗风防滑机理

陆红1，郑远斌1，张长城2，匡朝晖1，冼嘉和1，韩少浦1

（1.中交第四航务工程局有限公司，广东广州510291；2.温州合力建设机械有限公司，浙江温州325401）

门式起重机配置安装抗风防滑装置，是保障起重机在非工作状态下遭遇强风袭击时，能有效阻止起重机滑移、倾覆。手动夹轨器是最常见的一种抗风防滑装置。通过对手动夹轨器的抗滑机理研究，得出了夹轨器的夹持板不但与钢轨侧面形成摩擦副阻抗门机滑移，且槽形钳口产生的被动抗滑力更大，即自锁效应。以使这类结构简单，抗风效果好，操作便捷的手动夹轨器能更好的发挥其功能。

起重机；夹轨器；防风抗滑；机理分析

1 概述

门式起重机由于具有良好的工艺性、经济性、安全性以及故障率低等优点，被广泛的应用于工程施工领域。室外工作的门式起重机按要求需配置安装抗风防滑装置[1]，以保障起重机在非工作状态下遭遇强风袭击时，防风装置能有效阻止门式起重机在轨道上的滑移碰撞、倾覆。

由于抗风防滑装置属起重机在非工作状态下的附属配套件，长期以来在业内，不论是设计、制造、安装以及使用都未引起足够的关注，也较少对其抗风防滑的机理、结构工艺性、操作工艺性等进行较多的研究。以至于许多现有的产品五花八门，有些抗风防滑能力较弱，操作工艺性不佳，给使用带来诸多不便，时有出现疏忽的情况。特别是近年来异常气候增多，风灾事故频发[2]，当门机遭遇强风袭击时，可能因安装配置的防风装置性能不佳、操作人员未按规程正确操作及使用，造成门机被强风吹跑、倾覆，甚至造成人员的伤亡事故。手动夹轨器是一种常用的门机抗风防滑装置，通过对手动夹轨器的防风抗滑机理的分析及了解，可以结合施工现场门机的特点、防风等级等要求，选配合适的防风抗滑装置，满足工地门式起重机的防风要求。

2 抗风防滑机理分析

手动夹轨器主要由2块左右对称，带有槽形“钳口”的夹持板组成。工作原理见图1。由于夹持板从搁置状态转为工作状态（夹持状态）为一个组合动作，钳口运动轨迹杂、旋转角大，夹持行程长，实现“电液驱动”在机构及工艺上有一定的难度，因此该类夹轨器的操作主要靠“手动”完成，故称其为“手动夹轨器”。

图1 手动式夹轨器工作示意图Fig.1Schematic diagram of manual rail clamp device

2.1 钢轨侧摩擦抗滑阻力

通过圆杆旋转双头锁紧螺杆，使手动夹轨器的左右两块夹持板的槽形“钳口”卡入钢轨头部，继续旋紧螺杆，夹持板的槽形钳口底面与钢轨侧面紧密贴合，并建立起一对摩擦副，起到一定的抗风防滑的作用。这也是一般“钳型”夹轨器的基本抗风防滑原理。一般条件下，钢与钢的静摩擦系数仅0.1耀0.2[3]，即使采用钢与铸铁组成的摩擦副，无润滑状态下的静摩擦系数最大值也就0.3。门机在阵风的作用下，一旦出现了滑移的趋势，即形成了动摩擦条件，摩擦系数将迅速降为0.05耀0.1，摩擦阻力急剧下降。

施加在夹持板槽形钳口上的夹持力主要靠人工旋紧双头锁紧螺杆，产生的旋转扭矩T获得。（设旋紧圆杆长400 mm，人力为200 N，可获得80 N·m的扭矩），夹持板与钢轨侧面产生的摩擦阻力[4]为P：

式中：d为螺杆的中径；Q为螺杆施加在夹持板上的夹紧力；琢为杆的螺旋角（当螺杆为公制螺纹M24耀30时：2.60毅耀2.30毅）；渍为螺纹当量摩擦角（当螺纹为普通公制螺纹约为：9.5毅耀11毅）；f为钢轨侧面与夹持板钳口的摩擦系数（钢与钢取：0.15耀0.2）；k为夹持板为简支结构，实际作用在钢轨侧面上的压力与夹持板计算长度及螺杆位置有关：跨支比k抑0.5耀0.7。

将式（1）代入式（2）得摩擦防滑阻力：

假设螺杆M30、摩擦系数0.2、跨支比0.65，上式计算得出锁紧力Q抑13 750 N，钢轨侧面产生的摩擦阻力P抑3 600 N。因此，如理解为靠锁紧螺杆产生的夹紧力来防风，则是致命的错误[5]。仅靠钢轨侧摩擦力原理设计的各类手动及电动抗风防滑装置，要想获得数吨的摩擦力难度较大。

2.2 槽形钳口啮合阻滑力

夹轨器槽形钳口“啮合”产生的防滑力分析[6]如图2所示。

图2 槽形钳口“啮合”效应受力分析图Fig.2Force analysis diagram of concave jaw bite effect

夹持板的槽形钳口与钢轨头部之间形成了一种近似啮合的状态，当门机出现滑移趋势时，夹持板在门机的水平推力F作用下，除了夹持板与钢轨侧面的摩擦力P；夹持板重力G作用下槽形钳口与轨道面交点C的摩擦阻力Gf外；还有一个绕槽形钳口中心O点转动产生的附加摩擦力2Nf。为便于分析，假设附加摩擦力作用点在槽形钳口上下边与钢轨头部的交点C、D。如忽略其他的阻力情况下，上述各力达到平衡，即：

式中：B为夹持板的宽度；L为夹持板计算长度；茁为夹持板与轨道平面的夹角：安装角；h为钢轨（43 kg/m、50 kg/m）头部的厚度，取约40 mm。

因夹持板为左右对称各一片，因此式（4）、式（5）等式右边附加摩擦力数分别取4、2。

把方程式（5）代入式（4）得：

即当上式分母寅0时：

夹持板槽形钳口与钢轨头部满足“自锁”条件。

假设式中f值为0.2，夹持板安装角度为90毅，代入上式后可化简为当时，夹持板将发生“自锁”。自锁效应与摩擦系数f、夹持板计算长度L、钢轨头厚度h、安装角茁（45毅耀90毅）成正比，与夹持板的宽度B成反比。

假设夹持板宽度B=80 mm，安装角为60毅，钢轨头厚度为40 mm，代入上式，夹持板的计算长度L逸210 mm时，夹持板与钢轨头部之间可满足“自锁”条件。

槽形钳口与轨道头部之间形成的一种自锁状态，阻止了门机继续滑移。由于该防风抗滑阻力的大小主要是依靠夹持板结构强度提供，直到结构失效为止，因此阻滑抗力比上述锁紧螺栓产生的摩擦阻力大一个数量级以上。“啮合”抗风防滑力，是槽形钳口夹轨器的最主要部分。如假设取槽形钳口部位的结构强度为失效条件，啮合面正压力许用值为：

式中：[滓]J为夹持板材料的许用挤压应力，取100 MPa[1]。

把式（7）代入式（5）得出抗风防滑力：

由于夹轨器自重作用下与轨面摩擦力及钢轨侧摩擦力都较小，忽略后得出夹持板主要结构（槽形钳口）强度计算公式：

按夹持板等参数带入式（8）得：F=110.8 kN。

综上所述，手动夹轨器的抗风防滑机理主要是依靠夹持板与轨道头部形成的“自锁”条件，来防风抗滑的。如适当提高夹持板槽形钳口的强度及硬度，增强销轴、支座以及与门机的连接强度，手动夹轨器的抗风防滑能力将会更高。

2.3 抗倾覆效应

夹轨器的槽形钳口与钢轨头部近似闭合，夹持板与销轴、支座、门机台车机座（或下横梁）通过销轴、螺栓与门机行走轨道形成了半刚性连接，近似一个固定约束的端点。极大的约束了门机结构与钢轨轨道之间的垂向位移。阻止了门机在强风袭击下，下横梁（支腿）的“上浮”，具有一定的“锚固”作用。产生的抗倾覆力矩由安装于门机一侧轨道上的夹轨器之间距、夹轨器结构本身强度以及与门机的连接强度限制。

3 手动夹轨器试验

为验证上述分析的手动夹轨器抗风防滑机理的正确性，以及实际抗风防滑的能力，在车间条件下进行了模拟试验，试验台架见图3。试验中分别在起重机轮轨台车架的前后对称安装一套手动夹轨器。夹持板主要参数：L=210 mm、B=80 mm、b=15 mm；安装角茁=60毅，钢轨规格50 kg/m；加载油缸最大推力250 kN。

图3 手动夹轨器抗滑力试验台架Fig.3Skid resistance test bench of manual rail clamp

试验过程采用分级加载：

1）当顶推油缸的推力加载到10耀15 kN（与锁紧螺杆施加的扭矩有关），轮轨台车开始有滑移趋势，即油缸加载的水平推力超过了钳口与钢轨侧面摩擦副的最大抗力。

2）继续加载，轮轨台车开始有微小位移，主要是进一步消除各结构件连接的间隙，台车右侧夹轨器的夹持板有向顺时针方向的微转动，之后趋于稳定。即夹持板与钢轨头部依靠摩擦力等条件建立起了“自锁”。

3）继续加载到80耀110 kN，轮轨台车基本保持原态，夹持板本体结构基本完好，但槽形钳口的前部开始出现微小变形，即夹持板槽形钳口的前部最薄弱区域的挤压应力已超过材料的应力值。

4）再继续加载，钳口边角开始出现明显的塑变，最终加载到约190 kN（试验过程中的最大值），钳口变形严重，销轴弯曲，结构基本失效。

上述试验同时得到了一个结论：手动夹轨器在门式起重机上应“成对安装”，上风向的夹轨器仅能产生钢轨侧摩擦阻力（不满足自锁条件），下风向的夹轨器在与钢轨头部形成“自锁”的条件下，能够提供较大抗风防滑能力；但上风向的夹轨器与钢轨头部形成的“锚固”作用，又可起到抗倾覆的效果。

现场的试验情况及采集的数据，基本与本文中举例的计算数据相符。证实了手动夹轨器具有优越的抗风防滑效果。

4 结语

通过对手动夹轨器抗风防滑机理的分析研究，得出了手动夹轨器的抗风防滑原理主要是依靠：夹持板槽形钳口与钢轨头部“啮合”作用产生的“自锁”效应承担抗风防滑的作用。夹持板与钢轨侧面形成的摩擦阻力量值较小，但为创造“自锁”提供了前提条件。

本研究第一次明确提出了夹轨器“被动抗风防滑”的概念。并总结整理出手动夹轨器设计计算的4个公式：夹紧力计算公式（1）、钢轨侧面摩擦防滑阻力计算公式（3）、夹持板与钢轨头部满足“自锁”条件的判别式（6）、夹持板主要结构强度计算公式（8）。为今后类似工作原理的夹轨器设计提供了参考依据。

由于夹轨器是一种较为频繁操作的装置，其操作工艺性的便利与否，也是夹轨器设计上的重要环节。一套夹持可靠、抗风阻滑能力强，而且操作简便的夹轨器，是室外门式起重机非工作状态下可靠抵抗突发强风袭击的重要安全保证。

一对常用规格的手动夹轨器，能可靠提供约10 t的抗风防滑能力，并且在极端的条件下，夹轨器结构达到“失效”状态时，更可获得比常态约大2.0耀3.0倍的抗风防滑力。在极端气候条件袭击起重机时，可起到自损毁而保全起重机的效果。这是其他结构形式的（不论是手动或电、液驱动）夹轨器、防风铁楔、顶轨器从原理上都不具备的超强功能。

参考资料：

[1]《起重机设计手册》编写组.起重机设计手册[M].北京：机械工业出版社，1984.

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Northwestern Polytechnical University Research Group to compile the mechanical principle and mechanical parts.Machine design [M].Beijing:People's Education Press,1980.

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LI Ge.HU Shui-geng.Clip design of simple manual rail clipper[J]. Construction Machinery,2002(2):39-41.

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Compile Group of Metal cutting machine tool design.Metal cutting machine tool design[M].Shanghai:Shanghai Scientific and Tech原nical Publishers,1979.

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）

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.

crane;rail clamp;wind resistance;mechanism analysis

U655.33

A

2095-7874（2017）09-0095-04

10.7640/zggwjs201709021

2017-01-25

陆红（1957—），男，重庆市人，高级工程师，船机设备技术专业。E-mail：lhong@cccc4.com