大型门式起重机结构设计对运行啃轨的影响分析

大型门式起重机结构设计对运行啃轨的影响分析

陆文斌

上海振华重工（集团）张家港港机有限公司 江苏张家港 215600

  摘要:为了能够有效研究大型门式起重机结构设计对于运行啃轨所产生的影响，在本篇文章当中主要会根据门式起重机的金属结构具体受载变形的主要特点，然后利用刚性腿预变位的办法来对于起重机的整体运行结构进行有效的优化，减小运行机构车轮以及轨道的磨损，有效的提升整体起重机的使用部件的寿命，并且对于刚性腿预变位的计算方法以及相关的制造工艺提出具有针对性的意见，希望能够有效的解决车轮运行啃轨的问题。

关键词:门式起重机；刚性腿；预变位；制造工艺

引言

经研究，从20世纪90年代开始，国内在建造领域当中开始越来越趋向于使用大分段的建造办法，因此对于大型门式起重机的使用变得越来越普遍。一开始的起重量能够达到300-600t以及900 t，直到目前为止，我们在工程建造过程当中所使用的门式起重机的最大起重能力已经高达了1600t，大多数的工作人员会把工作重点放在整机结构的强度包括刚度以及稳定性方面，但是在门式起重机使用的过程当中最为容易出现的问题却是运行机构啃轨的现象。主要体现在车轮在运行过程当中边缘磨损非常的严重，而且轨道的侧面也能够展现出非常多明显的凹痕，针对于这样的情况，设计工作者应该更多的将关注点放在运行结构车轮的直线度以及轴线平行度等排装的问题上面。由此便可以得知，结构设计对于最终的运行啃轨会造成非常大的影响，尤其是刚性腿预变位的有效控制[1]。

1、门式起重机的受载变形分析

 大型门式起重机的主要构成部分包括主梁、刚性腿以及柔性腿，主梁跟刚性腿之间利用的是固定连接的方式，而主梁和柔性腿之间采用的则是柔性铰来进行铰接的，这样做能够使整体门架变成一个静定结构。通过对于整个门架结构的整体变位进行有效的分析，可以发现在结构自重以及小车自重，包括起重荷载所产生的作用条件下，刚性腿跟主梁在进行连接的时候，它的连接点会向着柔性腿的方向进行不断的移动，并且产生一个位移量。主梁跟柔性腿的连接点也会产生一模一样的移动，这也会导致大车在进行行走的过程当中，走轮跟轨道的接触点始终偏向于同样的一侧，并且产生非常大的附加侧向的水平力，导致车轮的边缘跟轨道侧面之间存在严重的磨损，这样也导致了车轮以及轨道的使用寿命都得到了不同程度的缩短[2]。

同时在大型门式起重机的整体结构设计当中也适当的引入了刚性腿预变位的设计概念，也就是说在进行安装的过程当中把连接点预先向刚性腿轨道外侧设置出一个水平位移点，而起重机在安装成型之后，就能够在空载的条件下由连接点开始向轨道外侧进行倾斜。在重载的条件下，连接点就会向着轨道的内侧出现倾斜，目的就是用这样的办法来有效地消除车轮跟轨道之间始终存在着的只有某一侧进行受力的问题，减小车轮的边缘跟轨道之间的不必要的摩擦，这样做能够更好地增强车轮以及轨道的使用寿命。

2、车轮啃轨之后容易产生的不良后果

2.1直接缩短车轮的使用寿命

在一般正常的使用条件下，通用的门式起重机的大车车轮使用寿命大约为十年左右，但是如果存在着严重的啃轨问题的话，因为长时间的磨损导致最终车轮基本上都仅能够使用一到两年左右，甚至有时因为磨损过于严重，只能够使用几个月。当车轮的磨损到原有厚度的50%的时候，就必须要对其进行更换，这样既增加了整体的维修成本，同时也会直接降低生产的效率[3]。

2.2轨道磨损的速度加快

起重机在设计的过程当中，一般所使用的钢轨材质都是45 Mn或者是U71Mn，车轮的材质一般是45＃钢，钢轨的硬度相较于车轮来说会更加高一些。所以如果车轮磨损的非常的严重的话，那么钢轨同样也会出现严重的磨损，啃轨严重的时候甚至还会导致出现掉落铁屑的问题，使轨道顶磨成台阶状，同时啃轨的过程当中也会产生侧向力，导致轨道的固定螺丝出现松动甚至是断裂的问题，致使轨道出现明显的位置偏移。

2.3缩短了传动机构的使用寿命

出现了啃轨问题的时候，起重机的本身运行阻力会变得越来越大，这种增大的阻力又会逐步的传递给开式齿轮以及减速机包括电机，从而导致电机包括减速机长时间存在着超负荷运转的问题，直接缩短了其使用寿命[4]。

2.4容易导致车轮出现爬轨

当啃轨问题常严重的时候，尤其是轨道接头位置出现了明显的间缝时，车轮的边缘很有可能会直接爬到轨道顶面上，从而导致严重的脱轨，甚至于其他的事故，严重危害的时候，还有可能会导致起重机包括作业人员出现不可预料的安全问题。

2.5损坏了轨道固定螺栓以及地基

啃轨严重的时候会导致轨道出现不正常的震动，同时也会使其产生水平侧向分力，在这个时候这种侧向的分力会反作用在轨道上面，从而将其传递到轨道的基础上，致使轨道的固定螺栓全部出现松动，进而影响轨道的地基。

3、出现车轮啃轨的主要原因分析

3.1设计方面

门式起重机的大车行走轮箱跟支腿下横梁一般来说使用的连接方式是销轴连接，这样的连接方法会导致车轮在运转的过程当中，其整体的角度都是由安装时来固定的，所以在运行的时候根本就没有办法对其进行调整。所以一般使用这样的方式进行连接的起重机和钢轨之间都容易导致非常严重的磨损，目前已经有很多公司选择生产球铰连接的轮箱和支腿下横梁使用这样的连接方法可以更好的让大车运转的过程当中完成轮箱的自动调节，从而能够有效的改善啃轨现象

[5]。

3.2制造方面

门式起重机如果在制造的过程当中存在着非常明显的不合格，那么就会导致车轮在安装完毕之后出现以下几种现象。

①车轮水平偏斜问题

可以将车轮的中心线以及轨道的中心线之间存在着的夹角称之为水平偏斜角，在制作的过程当中，导致出现水平偏斜角的原因其实是比较多的，主要包含轮箱的销轴孔装配比较差，以及轮箱耳板跟支腿连接位置出现明显的间隙，或者是上横梁跟主梁的接头位置装配的不够正。因为车轮存在着水平偏斜，所以在运行的时候，它的轨迹就不会是直线，车轮中心线跟轨道中心线之间会形成水平偏斜角，从而产生两个方向的分速度，需要注意的一点是，如果水平偏斜角越大，那么啃轨现象就会越为严重。

②车轮垂直偏斜

轮箱的两边如果存在着孔高低偏差，在这个时候车轮装配完毕之后，就会出现非常明显的车轮垂直偏斜的问题。根据相关技术条件规定，车轮如果出现了偏斜，那么偏斜量不能够大于d/400，d指的就是车轮的直径。如果垂直偏斜量大于规定要求，那么车轮踏面跟轨道的顶面接触面积就会变得非常的小，比压也会随之增大，车轮的磨损会直接加剧，严重的时候甚至会导致车轮倾向于轨道的同一侧。

③门式起重机的两侧车轮存在着过大的高低差

起重机在进行制造的过程当中，如果存在着两侧轮箱孔位置不一或者是轮箱的耳板以及支腿装配孔位置不一都会导致两侧车轮高低差不同的问题。当出现了比较大的高低差的时候，就会导致起重机在运转的时候出现横向移动，车轮比较高的一边就会出现啃轨道的外侧现象，而车轮低的一边则会出现啃轨道的内侧现象。

4、刚性腿预变位的有效设定

 从前文便可以得知，刚性腿以及主梁所连接的位置经常会出现水平位移，并且这种水平位移跟结构自重以及小车自重，包括吊载都可能存在着一定的联系，所以说我们在对其进行研究的时候，也可以从两个方面来进行分开计算。首先就是因为结构自重所导致的水平位移，当确定了结构参数之后将其设置为定值，第二点就是小车自重以及吊载所产生的水平位移，因为小车的位置跟吊载在整个工程当中是不断出现变化着的，所以没有办法对其进行一对一的计算，因此应该以小车在跨中起吊的额定负载量来确定其最大的水平变化，预变位的取值需要为最大水平变位的一半。

5、刚性腿预变位的控制以及制造

 如果想要通过制造工艺来使门式起重机在制造完毕之后能够完全满足于刚性腿顶部水平变化的要求的话，那么最为重要的一点就是一定要确保刚性腿跟主梁之间的接口尺寸是合适的。所以在对其进行研究的过程当中，首先需要根据门式起重机的具体安装要求，完成静载试验，同时要求主梁跨中的上拱度不能够小于S/1000，这里的s所指的就是起重机的跨度。为了能够保证最终的成型要求可以符合相关的规范，所以在对于主梁进行制作放样的同时，我们也必须要考虑到结构自重所引起的下挠。

大型门式起重机的主梁在进行制作的过程当中，一般来说所使用的都是分段制作的办法，然后再将其放置在胎架上面进行有效的组装，通过多段的折线来拟合拱度曲线，然后再根据曲线把主梁刚性腿的侧分段底面的斜角计算出来。需要注意的一点是在对于刚性腿的预变位进行设定值设置的时候，应该以轨道面作为中心来进行旋转，然后就能够计算出刚性腿的上口斜角。如下式所示，在该式当中h代表的是轨道面到刚性腿的顶部具体高度。

 在主梁跟刚性腿进行有效拼装的时候必须要对于刚性腿的上口进行修边处理，以此来满足于对于口的具体要求。当起重机的门架正式组装完毕之后，结构在自重作用所产生的影响下，刚性腿会向着轨道的内侧产生一定的偏移，当达到了成型的时候，刚性腿的顶部预偏必须要符合设定要求[6]。

可以发现在对其进行研究的过程当中，整体的理论计算并不是特别的复杂，但是在进行实际安装的过程当中，因为主梁在起吊时本身就会产生着结构自重的影响，主梁的刚性腿侧分段底面斜角必然会出现相应的变化，没有办法按照我们在对其进行理论分析的时候所预设的方式发展。所以在进行正式安装时也可以引入主梁安装偏移量这样的概念，这一点在目前比较常用的双塔架安装办法当中使用的还是非常的广泛的，使用这样的安装方式，主梁在进行正式安装的时候，能够通过水平调整的办法对于位移量进行分析，在这时位移量也是比较小的。主梁必须要在地面上完成拼接，同时在这时就必须要考虑偏移量，确保主梁在起吊到位之后跟刚性腿的上口预制斜角能够做到完全吻合。

在对于主梁的安装偏移量进行确定以及分析的时候，需要在整机安装方案确定之后就对其进行综合性的考虑，主要包含着主梁的提升吊点以及小车固定的位置等一系列的因素，然后对于主梁刚性腿的分段下底面的斜角变化值进行重新的计算。如果底面存在着上翘问题，那么刚性腿在安装的时候，其偏斜角就应该进行调整，变为，反之，如果出现了底面下沉的问题，那么主梁的安装偏移量也会产生一定的变化，具体为，以此来最终确保主梁在提升到相关的位置之后，刚性腿跟主梁的对口能够符合要求。

结束语:

综上所述，在本篇文章主要对于门式起重机的刚性腿预变性进行了相关的论述。虽然说刚性腿预变性并不是传统规范要求当中的控制因素，但是其实该因素却是起重机在使用以及运行过程当中的非常重要的一个因素，能够有效的对于起重机在运行过程当中的受力状态进行优化，并且提升部件的使用寿命，降低在运行过程当中的起重机使用的周期成本，所以在起重机的设计以及制造的过程当中有着非常重要的影响。

参考文献:

[1] 邹正彪,高伟东,强少华. 大型门式起重机结构设计对运行啃轨的影响分析[J]. 起重运输机械,2017(6):15-18.

[2] 原俊杰. 大型门式起重机结构设计对运行啃轨的影响分析[J]. 中小企业管理与科技,2018(24):142-143.

[3] 唐虎辉. 门式起重机大车啃轨的分析和控制[J]. 智能城市,2021,7(21):84-85.

[4] 郑可勇. 门式起重机啃轨原因分析及解决方法探讨[J]. 中国科技投资,2019(19):298.