一種門(mén)座起重機(jī)自鎖式防風(fēng)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(wù)分公司

1 引言

楔形制動(dòng)器楔入車輪與軌道之間，當(dāng)車輪滾動(dòng)時(shí)，壓住鐵楔，利用起重機(jī)自重輪壓產(chǎn)生巨大摩擦力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。手持式簡(jiǎn)易防風(fēng)鐵楔(以下簡(jiǎn)稱鐵楔)，是當(dāng)前港口門(mén)座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門(mén)機(jī))重要的防風(fēng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。但是也存在一些缺點(diǎn)，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(shù)有限，在動(dòng)態(tài)防風(fēng)時(shí)，門(mén)機(jī)晃動(dòng)造成行走輪的移動(dòng)會(huì)將鐵楔推出；靜態(tài)防風(fēng)時(shí)，如遇到大潮，涌浪上岸后會(huì)將鐵楔橫向沖出軌道，造成防風(fēng)失效，形成安全隱患。為提升鐵楔可靠性對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，如通過(guò)強(qiáng)磁鐵將鐵楔裝置吸附于車輪上，由于高強(qiáng)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(huì)因軌輪前后擺動(dòng)而脫楔，起到鐵楔的作用[1]，但實(shí)際應(yīng)用并不廣泛。

通過(guò)分析鐵楔的受力特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新型的自鎖式防風(fēng)鐵楔裝置，通過(guò)2個(gè)鐵楔對(duì)頭放置，在中間加彈簧連桿裝置，實(shí)現(xiàn)自鎖，克服鐵楔易被移位的缺點(diǎn)，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。

2 鐵楔受力分析

2.1 鐵楔的抗滑動(dòng)能力分析

鐵楔、車輪和軌道之間的受力狀態(tài)屬于接觸問(wèn)題，接觸問(wèn)題是一種高度非線性問(wèn)題，可以在有限元分析軟件中，通過(guò)罰函數(shù)法，或者增強(qiáng)的拉格朗日乘子法求解，其過(guò)程需要較大的計(jì)算資源，故在此僅進(jìn)行簡(jiǎn)單定性分析。

對(duì)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(shù)f≈0.15，其摩擦自鎖角φ≈8.5°；如果表面沾水或者結(jié)冰，摩擦系數(shù)減小，相應(yīng)自鎖角也變小。對(duì)于車輪與鐵楔之間的接觸，接觸點(diǎn)的力垂直于公共點(diǎn)的切線，即由輪心指向接觸點(diǎn)。為了達(dá)到自鎖角度，要保證接觸點(diǎn)盡量往輪底深入，鐵楔前端一定是尖長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，這樣才能保證車輪能夠壓住鐵楔，否則鐵楔可能會(huì)彈出(見(jiàn)圖1)。

圖1 鐵楔受力點(diǎn)分析

2.2 鐵楔的強(qiáng)度校核

鐵楔在車輪壓力下的受力，可以通過(guò)有限元等方法進(jìn)行模擬仿真，如文獻(xiàn)[2]中對(duì)鐵楔結(jié)構(gòu)建立了有限元模型，進(jìn)行強(qiáng)度校核與分析，滿足強(qiáng)度要求。此鐵楔是一個(gè)實(shí)心結(jié)構(gòu)，而大多數(shù)加工鐵楔為鋼板焊接制成，需進(jìn)行剛度分析。假設(shè)鐵楔與車輪均勻接觸，全部輪壓都施加在鐵楔面上時(shí)，獲取此面上節(jié)點(diǎn)數(shù)量，再將輪壓均勻施加在每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

求解后，可得最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)部2道筋板處，最大值為194 MPa，符合要求(見(jiàn)圖2)。如果需要加強(qiáng)抗沖擊能力，可以將鋼板加厚或者內(nèi)部多加筋板。

圖2 鐵楔有限元模型分析應(yīng)力云圖

3 自鎖鐵楔設(shè)計(jì)

針對(duì)分析的鐵楔受力特點(diǎn)，結(jié)合門(mén)機(jī)使用工況，設(shè)計(jì)新式的自鎖式防風(fēng)鐵楔裝置。

3.1 彈性自鎖設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)分析，在純滾動(dòng)情況下，為了壓住鐵楔，鐵楔頭部要尖長(zhǎng)，而在實(shí)際作業(yè)中輪子會(huì)來(lái)回對(duì)鐵楔進(jìn)行沖擊，浪涌時(shí)從側(cè)面將鐵楔沖歪，都會(huì)導(dǎo)致鐵楔失效。為了保證鐵楔的放置有效，牢固可靠，設(shè)計(jì)2個(gè)鐵楔同時(shí)放到相鄰2個(gè)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(jiàn)圖3)。

圖3 自鎖鐵楔原理圖

靜態(tài)防風(fēng)時(shí)，鐵楔在彈簧力作用下壓緊車輪，不容易被水沖走，且在門(mén)機(jī)晃動(dòng)鐵楔發(fā)生位移后，能在彈簧力作用下重新恢復(fù)到壓緊狀態(tài)，確保長(zhǎng)期有效。動(dòng)態(tài)防風(fēng)時(shí)，采用多個(gè)此類鐵楔壓緊行走輪，可以大大減少門(mén)機(jī)作業(yè)時(shí)左右晃動(dòng)，減少對(duì)行走機(jī)構(gòu)傳動(dòng)齒輪、減速箱的沖擊，間接減少行走減速箱油封滲油等現(xiàn)象。

3.2 杠桿操縱機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)方便安裝，采用杠桿原理，設(shè)計(jì)連桿和轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，用較小的人力推動(dòng)較硬的彈簧，可較方便地把彈簧壓緊。具體結(jié)構(gòu)與操作方式見(jiàn)圖4。通過(guò)仿真分析，省力機(jī)構(gòu)在操作過(guò)程中，用20 N的按壓力能夠?qū)崿F(xiàn)100 N的雙向鎖緊推力。通過(guò)螺母可調(diào)節(jié)彈簧的壓縮行程，對(duì)鐵楔的鎖緊力進(jìn)行調(diào)整。

圖4 自鎖鐵楔操作示意圖

3.3 制動(dòng)力粗算

以40 t門(mén)機(jī)為例，整機(jī)重量560 t，平均輪壓為175 kN，取摩擦系數(shù)為0.15[3]，則單只鐵楔產(chǎn)生的最大制動(dòng)力為26 250 N,制動(dòng)效果相當(dāng)可觀。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析鐵楔受力和實(shí)際使用工況，創(chuàng)新采用前后2個(gè)鐵楔中間加彈簧的方法，實(shí)現(xiàn)了鐵楔的鎖緊安裝，牢固可靠，滑塊連桿機(jī)構(gòu)保證了機(jī)構(gòu)的操作相對(duì)輕便。在實(shí)際使用中，該裝置效果可靠，通過(guò)更改尺寸結(jié)構(gòu)，該裝置也可以適用于其他型號(hào)門(mén)座起重機(jī)和其他軌道行走設(shè)備的應(yīng)急防風(fēng)。