郭洪锍

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院 泰州 225300

0 引言

門(mén)式起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際運(yùn)行軌跡發(fā)生偏斜，與理想軌跡之間產(chǎn)生了一定的夾角，導(dǎo)致車(chē)輪輪緣與軌道側(cè)面接觸磨損產(chǎn)生偏斜運(yùn)行，影響起重機(jī)正常安全運(yùn)行。鑒于偏斜運(yùn)行帶來(lái)的啃軌問(wèn)題產(chǎn)生危害的嚴(yán)重性，起重機(jī)械檢驗(yàn)人員要具備判斷是否已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生啃軌、以及啃軌嚴(yán)重程度的能力，以避免啃軌事故的發(fā)生，保證起重機(jī)械安全和正常運(yùn)行。在起重機(jī)械的實(shí)際使用過(guò)程中需采取一些技術(shù)手段糾正偏斜運(yùn)行。

由于偏斜現(xiàn)象在軌道式起重機(jī)械運(yùn)行中長(zhǎng)期存在，且成因較復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者很早就進(jìn)行了側(cè)向力的計(jì)算、偏斜機(jī)理、防偏糾偏措施等研究并取得了一定的成果。其中Tam V W Y等[1]采用極距法計(jì)算起重機(jī)械偏斜運(yùn)行時(shí)側(cè)向力，但該算法忽略了門(mén)式起重機(jī)械的某些特性。宋興海等[2]分別從起重機(jī)的設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試以及操作使用方面對(duì)門(mén)式起重機(jī)的啃軌原因進(jìn)行了分析,并提出了解決方案。唐英[3]著重研究了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性對(duì)起重機(jī)作偏斜運(yùn)行的影響。劉萍等[4]對(duì)起重機(jī)械輪軌接觸應(yīng)力進(jìn)行了理論計(jì)算并建立了有限元分析的數(shù)學(xué)模型。

以上文獻(xiàn)主要對(duì)起重機(jī)械的偏斜運(yùn)行原因從某一方面進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)措施，并未進(jìn)行系統(tǒng)性的原因分析，本文就如何判斷車(chē)輪啃軌，車(chē)輪和軌道的制造和安裝誤差，傳動(dòng)系統(tǒng)缺陷和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性差異，以及門(mén)架變形等其他因素分析偏斜運(yùn)行的成因。通過(guò)調(diào)整軌道和車(chē)輪的制造和安裝誤差，改進(jìn)門(mén)式起重機(jī)相應(yīng)構(gòu)件，采用以PLC為核心的糾偏系統(tǒng)等改進(jìn)，消除偏斜運(yùn)行的影響。

1 偏斜運(yùn)行的危害

門(mén)式起重機(jī)械的偏斜運(yùn)行會(huì)加劇車(chē)輪和軌道的磨損速度，減少使用壽命；不斷增加的運(yùn)行阻力使起重機(jī)械運(yùn)行困難，甚至造成電動(dòng)機(jī)燒壞，傳動(dòng)軸斷軸。另外，啃軌產(chǎn)生的劇烈響聲和晃動(dòng)危害工作人員的安全，偏斜運(yùn)行也會(huì)使得門(mén)式起重機(jī)出現(xiàn)剛性支腿和柔性支腿不同步的現(xiàn)象[5]。

2 車(chē)輪啃軌的判斷

在起重機(jī)械的安裝監(jiān)督檢驗(yàn)和定期（首次）檢驗(yàn)中，可根據(jù)如下跡象判斷是否存在偏斜運(yùn)行導(dǎo)致啃軌的現(xiàn)象：1）由于車(chē)輪的偏斜運(yùn)行導(dǎo)致車(chē)輪內(nèi)緣和軌道側(cè)面有一條明亮的摩擦痕跡，摩擦嚴(yán)重時(shí)痕跡上會(huì)產(chǎn)生毛刺；2）車(chē)輪在軌道上運(yùn)行時(shí)，短距離內(nèi)輪緣與軌道間隙有明顯改變；3）起重機(jī)大車(chē)制動(dòng)或剛啟動(dòng)時(shí)，車(chē)體易發(fā)生走偏、扭擺現(xiàn)象；4）啃軌嚴(yán)重時(shí)會(huì)衍生刺耳的啃軌聲[6]。

3 原因分析

3.1 車(chē)輪缺陷造成偏斜運(yùn)行

車(chē)輪制造及安裝質(zhì)量不合格時(shí)會(huì)造成起重機(jī)械的偏斜運(yùn)行。

3.1.1 車(chē)輪的水平偏差

車(chē)輪水平偏差如圖1所示，驅(qū)動(dòng)輪未按照標(biāo)準(zhǔn)安裝或滑動(dòng)軸承套磨損間隙過(guò)大產(chǎn)生誤差，即車(chē)輪中心線和軌道中心線產(chǎn)生偏角α，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行受力和速度分析，驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)輪偏斜角的關(guān)系為

圖1 主動(dòng)輪偏斜時(shí)力與速度關(guān)系圖

式中：ψ為驅(qū)動(dòng)負(fù)荷系數(shù)。

由式（1）可知，偏斜角越大，偏斜現(xiàn)象越嚴(yán)重[7]。

3.1.2 車(chē)輪的垂直偏差

圖2 車(chē)輪的垂直的偏差

3.1.3 車(chē)輪的尺寸偏差

車(chē)輪的尺寸偏差主要是指車(chē)輪直徑不相等，如圖3所示，主要由于車(chē)輪在冷加工（精度誤差）和熱加工（參數(shù)不同）過(guò)程中產(chǎn)生，另外輪壓的分布不均和磨損程度不足也會(huì)造成直徑不等。在兩側(cè)電動(dòng)機(jī)等速的條件下，不同直徑車(chē)輪在相同時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離差為同時(shí)起重機(jī)繞著小直徑車(chē)輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖3 車(chē)輪的尺寸偏差

3.1.4 車(chē)輪安裝時(shí)質(zhì)量不合格

如圖4所示，由于車(chē)輪安裝時(shí)質(zhì)量不合格導(dǎo)致前后車(chē)輪不在同一條直線上，產(chǎn)生了一個(gè)偏差量，使得前后跨度，前后車(chē)輪之間的對(duì)角線。當(dāng)車(chē)輪A向行駛時(shí)，側(cè)車(chē)輪先行接觸軌道，車(chē)輪輪緣啃軌道外側(cè)；當(dāng)車(chē)輪B向行駛時(shí)，側(cè)車(chē)輪先接觸軌道，車(chē)輪輪緣啃軌道內(nèi)側(cè)[8]。

圖4 車(chē)輪跨度不等和對(duì)角線不等

3.2 軌道缺陷造成偏斜運(yùn)行

門(mén)式起重機(jī)軌道安裝時(shí)傾斜或兩側(cè)軌道不平行以及軌道直線度超差都會(huì)引起偏斜運(yùn)行。

3.2.1 軌道傾斜

由于軌道安裝不達(dá)標(biāo)或地基問(wèn)題易導(dǎo)致兩側(cè)軌道踏面不在同一平面內(nèi)，根據(jù)GB/T 10183—2005《橋式和門(mén)式起重機(jī)制造及軌道安裝公差》[9]要求，軌道頂面相對(duì)于理論高度的極限偏為±10 mm，軌道間高低差若超過(guò)該值，起重機(jī)在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)在重力（載荷）作用下出現(xiàn)橫向滑移。如圖5、圖6所示，軌道還會(huì)向同側(cè)傾斜或兩側(cè)軌道反向傾斜。同向傾斜時(shí)，起重機(jī)會(huì)在重力（載荷）作用下向其中一側(cè)滑動(dòng)造成傾斜運(yùn)行；反向傾斜時(shí)，起重機(jī)械受力增大，磨損加劇。

圖5 軌道踏面同側(cè)傾斜

圖6 軌道踏面兩側(cè)反向傾斜

3.2.2 軌道不平行

兩側(cè)軌道安裝達(dá)不到安裝要求的平行度標(biāo)準(zhǔn)，造成軌道兩端跨距不同，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中輪軌間隙變小引發(fā)啃軌，如圖7所示。

圖7 兩側(cè)軌道不平行

3.2.3 軌道直線度超差

如圖8所示，由于起重機(jī)軌道安裝質(zhì)量較差、軌道制造精度不達(dá)標(biāo)或在長(zhǎng)期使用過(guò)程中固定的螺栓松動(dòng)甚至斷裂都會(huì)造成軌道的直線度超差，當(dāng)直線度超出一定范圍就會(huì)發(fā)生啃軌。

圖8 軌道直線度超差

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)缺陷造成偏斜運(yùn)行

門(mén)式起重機(jī)械的運(yùn)行機(jī)構(gòu)有集中驅(qū)動(dòng)和分別驅(qū)動(dòng)2種型式。其中分別驅(qū)動(dòng)形式的起重機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、性能好、側(cè)向力小等優(yōu)點(diǎn)，已成為起重機(jī)大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的基本驅(qū)動(dòng)形式。但是，分別驅(qū)動(dòng)的最大缺點(diǎn)就是傳動(dòng)系統(tǒng)中的任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差都會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)驅(qū)動(dòng)力和輪速的不等，而分別驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)會(huì)因傳動(dòng)系統(tǒng)元件在制造、安裝等方面的誤差（主要是齒輪配合和鍵軸配合處）發(fā)生偏斜運(yùn)行。

3.4 兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性差異

由于起重機(jī)械大車(chē)多采用分別驅(qū)動(dòng)方式，即剛性腿和柔性腿分別由2個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不同型號(hào)的電動(dòng)機(jī)其機(jī)械特性會(huì)產(chǎn)生差異導(dǎo)致偏斜運(yùn)行。即使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是同一生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)，由于工藝、溫差等因素，電動(dòng)機(jī)性能也會(huì)不同。圖9所示為同型號(hào)電動(dòng)機(jī)A和電動(dòng)機(jī)B機(jī)械特性曲線，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)A轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)B轉(zhuǎn)矩，意味著電動(dòng)機(jī)A所驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪受到的驅(qū)動(dòng)力大于電動(dòng)機(jī)B所驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪。兩側(cè)車(chē)輪受到的驅(qū)動(dòng)力不一致從而引起偏斜運(yùn)行[10]。

圖9 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)特性曲線

3.4 其他缺陷造成偏斜運(yùn)行

3.4.1 起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)變形

門(mén)式起重機(jī)的頻繁重載工況容易導(dǎo)致門(mén)架結(jié)構(gòu)在垂直和水平方向上的變形。這種變形有可能會(huì)影響到車(chē)輪和軌道的安裝狀態(tài)，導(dǎo)致車(chē)輪在運(yùn)行過(guò)程中相對(duì)軌道產(chǎn)生傾斜或錯(cuò)位，使起重機(jī)偏斜運(yùn)行。

3.4.2 不合理的操作

起重機(jī)械的不合理操作主要是在起制動(dòng)時(shí)間的控制上，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的起制動(dòng)時(shí)間是有較嚴(yán)格規(guī)定的。GB/T 3811—2008《起重機(jī)規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：一般大車(chē)的啟動(dòng)時(shí)間不少于4～10 s，小車(chē)的啟動(dòng)時(shí)間不少于4～6 s[11]。起制動(dòng)時(shí)間太長(zhǎng)則會(huì)影響工作效率，太短會(huì)加大電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力大于從動(dòng)輪的附著力時(shí)，主動(dòng)輪打滑引起起重機(jī)械的偏斜運(yùn)行。

3.4.3 外界因素

由于門(mén)式起重機(jī)的運(yùn)行工況，導(dǎo)致大車(chē)軌道被油脂或其他材料污染，或車(chē)輪在運(yùn)行過(guò)程中一些細(xì)小物件被擠入車(chē)輪和軌道的間隙中，這些情況都會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)車(chē)輪的摩擦系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致兩側(cè)車(chē)輪運(yùn)行速度產(chǎn)生差異，從而引發(fā)起重機(jī)的偏斜運(yùn)行。

4 預(yù)防偏斜運(yùn)行的改進(jìn)對(duì)策

起重機(jī)械在安裝過(guò)程中需要嚴(yán)格按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行車(chē)輪和軌道安裝，同時(shí)確保實(shí)際使用過(guò)程中及時(shí)做好起重機(jī)械整體的維護(hù)保養(yǎng)外，還需采用技術(shù)手段來(lái)防止啃軌或糾正偏斜運(yùn)行。

4.1 及時(shí)調(diào)整軌道和車(chē)輪

4.1.1 調(diào)整軌道

需要定期檢查鋼軌的固定狀況，對(duì)于頻繁重載的起重機(jī)械要調(diào)整和縮短檢查周期。此外，軌道的緊固螺栓由于受到車(chē)輪水平和垂直方向的作用力導(dǎo)致松動(dòng)，使得啃軌加劇形成惡性循環(huán)，故需定期檢查。

4.1.2 調(diào)整車(chē)輪

當(dāng)車(chē)輪水平偏斜量較小時(shí)，可通過(guò)在軸承箱的鍵槽內(nèi)加墊板來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)水平偏斜量較大時(shí)，則需在鍵板和端梁彎板間加墊層（不超過(guò)3層）。

為了防止主梁受力變形造成較大的撓度，通常主梁在設(shè)計(jì)制造時(shí)會(huì)有一定量的預(yù)設(shè)上拱度。對(duì)于新裝起重機(jī)械在車(chē)輪安裝時(shí)，可利用這種預(yù)變形向內(nèi)垂直偏斜一定角度，如圖10所示，則起重機(jī)受載后，車(chē)輪剛好處于垂直狀態(tài)。對(duì)于使用年限較長(zhǎng)的起重機(jī)，由于主梁產(chǎn)生了一定量的下?lián)?，為防止起重機(jī)受載后橋架變形車(chē)輪垂直偏斜，可調(diào)整車(chē)輪安裝狀態(tài)使其向外側(cè)偏斜一定角度。

圖10 門(mén)架變形前后車(chē)輪安裝狀態(tài)

4.2 改進(jìn)起重機(jī)械構(gòu)件

4.2.1 提高門(mén)架剛度

門(mén)架在垂直和水平方向的較大變形會(huì)引起車(chē)輪位置的改變，間接導(dǎo)致車(chē)輪偏斜。所以，在起重機(jī)設(shè)計(jì)階段往往會(huì)采用剛度控制條件或強(qiáng)度控制條件來(lái)防止變形過(guò)大，目前主要通過(guò)增加端梁的寬度和在腹板上橫向焊接大型槽鋼來(lái)提高門(mén)架的水平剛度。

4.2.2 改進(jìn)車(chē)輪結(jié)構(gòu)

在使用符合質(zhì)量要求的車(chē)輪和提高車(chē)輪安裝質(zhì)量的同時(shí)采用具有特殊結(jié)構(gòu)的車(chē)輪也能起到預(yù)防偏斜運(yùn)行的作用。采用特殊結(jié)構(gòu)車(chē)輪會(huì)增加起重機(jī)械的部分成本，但是相較后期維護(hù)成本低。

1）采用錐形踏面的車(chē)輪 采用踏面錐度為1:10的錐形踏面車(chē)輪，如圖11所示。利用錐形車(chē)輪的直徑差，當(dāng)車(chē)輪A超前運(yùn)行時(shí)，會(huì)向直徑較小的區(qū)域滑去，落后的車(chē)輪B會(huì)向直徑較大的區(qū)域滑去，在兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一致時(shí)，可使兩側(cè)重新達(dá)到同步狀態(tài)。兩側(cè)同步后，兩側(cè)車(chē)輪的運(yùn)行直徑也剛好相同。

圖11 圓錐踏面車(chē)輪結(jié)構(gòu)形式

2）采用半圓柱半圓錐面車(chē)輪 該結(jié)構(gòu)車(chē)輪是在圓柱形踏面車(chē)輪上進(jìn)行了改進(jìn)，一部分加工成圓錐形，另一部分加工成圓柱形的一種組合踏面，如圖12所示。該型車(chē)輪在運(yùn)行時(shí)較容易對(duì)軌道中心線進(jìn)行自動(dòng)校正。

圖12 半圓柱半圓錐面車(chē)輪結(jié)構(gòu)形式

4.3 采用 PLC 糾偏技術(shù)

為了使起重機(jī)械剛性腿和柔性腿在位置和運(yùn)行速度上的同步，以PLC控制技術(shù)為核心的防偏糾偏系統(tǒng)在起重機(jī)械上大規(guī)模使用。目前，起重機(jī)械多采用種糾偏裝置組合使用，即在大車(chē)兩側(cè)的變頻電動(dòng)機(jī)上安裝增量型編碼器以控制電動(dòng)機(jī)的平均速度；在大車(chē)兩側(cè)的從動(dòng)輪上安裝絕對(duì)值編碼器檢測(cè)兩側(cè)大車(chē)的位移量；在兩側(cè)大車(chē)和軌道上安裝磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)和磁感應(yīng)塊檢測(cè)兩側(cè)大車(chē)的位置偏差；在主梁和柔性支腿連接處安裝位移傳感器或限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)主梁與支腿的偏斜角。

另外，為減少偏斜運(yùn)行對(duì)起重機(jī)機(jī)械造成的影響，GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求：跨度大于40 m的門(mén)式起重機(jī)和裝卸橋應(yīng)設(shè)置偏斜指示或限制裝置。

5 結(jié)語(yǔ)

門(mén)式起重機(jī)偏斜運(yùn)行機(jī)理雖復(fù)雜，但作為起重機(jī)械檢驗(yàn)人員，在檢驗(yàn)過(guò)程中需嚴(yán)格遵守GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求來(lái)進(jìn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并告知使用單位采取措施消除啃軌現(xiàn)象、保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。安裝單位和使用單位要嚴(yán)格按照GB 50278—2010《起重設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[12]的要求進(jìn)行安裝和驗(yàn)收，維保（使用）單位在日常維護(hù)中要特別注意防止啃軌現(xiàn)象的發(fā)生。另外，智能化控制技術(shù)在起重機(jī)械上的廣泛運(yùn)用也能有效解決起重機(jī)械的啃軌問(wèn)題，使起重機(jī)械運(yùn)行更加可靠。