龙门式起重机 大车行走轮啃轨现象之分析及对策

潘军伟 浙江省火电建设公司，浙江 杭州，310016
程建棠浙江省火电建设公司，浙江 杭州，310016
黄志强 浙江省第一水电安装有限公司，浙江 杭州，310016
摘要：龙门式起重机应用广泛，但该型机械啃轨现象普遍，从而导致的部件或整机的寿命缩短，甚至导致严重的安全问题。本文对导致龙门式起重机啃轨的原因进行分析，并提出相应对策。
关键词：龙门式起重机；啃轨；分析；对策

0   引言
龙门式起重机具有结构简单、经济实用、安拆维修容易等优点，在电建行业得到了广泛的使用。在使用过程中，该类起重机的突出问题是大车行走轮啃轨，较严重的啃轨现象会造成如下危害：a）增加运行阻力，使得行走电机和传动机构长期过载，造成电机烧坏或传动轴扭断b）加速各部件磨损，降低使用寿命，如轮子轮缘超常速磨损，甚至翻边；减速箱、电机位移及其座架变形使电机中心偏移，联轴器连接螺栓、弹性圈快速磨损，减速箱输出齿轮与开式齿轮啮合面减小。c）行驶时突然爬轨而导致严重的安全事故。在日常修理中，需要经常调整电机轴与减速箱输入轴的同轴度、更换联轴器螺栓、弹性圈，此类修理约占龙吊日常机械修理工作的一半以上。鉴于龙吊啃轨现象引起的诸多弊端，有必要对此现象进行深入的分析研究。
行走轮踏面宽度与轨道宽度具有一定的差值，此差值允许行走轮有一定的侧向运动范围，以使行走轮适应轨道、龙吊本身所具有的各种偏差。当行走轮侧向运动范围超出此差值时，轮缘便与轨道侧面相摩擦，这就是啃轨。行走轮侧向运动，则它必受到了侧向力的驱动。从系统力的平衡关系来看，龙门吊是一个整体的运动系统，与系统交界的外系统是大车轨道。理想状态下，大车行走时，在系统内外界面上有两对平衡的力偶作用：行走方向的驱动力和阻力，垂直方向的重力和支承力。龙吊静止时，仅有后者。而在行走轮（系统内外界面）的侧向，没有力的作用。假如系统偏离理想平衡状态，则可能在行走轮（界面）的侧向产生力的作用，以维持系统新的平衡；或者，系统直接受到外界力的作用（在界面），使系统偏离原有平衡状态。系统内部力平衡的变化和系统内外之间力平衡的变化，均会在界面上呈现力的变化，可能使行走轮受到侧向力的作用，使行走轮侧向运动。
1   原因分析及对策
以QM40t/42M龙门吊为例，使行走轮受到侧向力的因素很多，系统内部有电气、机务、钢结构因素，系统外有轨道因素。
一、电气
QM40t/42M龙门吊行走机构用两台异步电机驱动两条支腿，电机转速的不同步会直接造成啃轨。行走电机转子外接不平衡电阻，以提高起动扭矩，降低起动电流，切换转子外接电阻，可获得不同转速。两电机同步的条件是：负荷特性相同，负荷相同。下图中，斜线为负荷特性曲线，不同的转子外接电阻具有相应的曲线，最上面一条为额定负荷曲线。对一定的负荷曲线，一定的负荷具有一定的转速，由于负荷曲线的斜率为负，电机转速的增减是与负荷的增减反向变化的。
   转速 n
                   负荷 T

一般认为，相同型号规格的电机和电阻器配置，具有相同的负荷特性曲线。实际上，由于刚挠性腿的轮压不同且随小车位置的变化而变化，两电机的瞬时负荷是不同的。但是由于电机负荷特性的固有特点（负荷越大，转速越低），两电机依靠桥架力的传递作用，获得约等的平均负荷和平均转速。当然，电机特性对负荷大小的适应性是有限的。当一条腿严重啃轨而引起行走阻力比另一条腿增加很多时，将使得两电机明显不同步，由此原因引起的不同步在大车起动和慢速档时更见明显。因此，电机不同步与啃轨是可以互为因果的。
当两电机不同步时，应检查：
1、刚挠性腿行走轮啃轨情况；
2、电阻器阻值差异；
3、电机：型号规格，部件情况，绕组修理历史及直流电阻值；
4、控制器。
二、机务
龙吊大车机务部分为行走台车，是龙吊行走运动的执行机构，引起啃轨的因素包括台车的形状误差和装配误差。
1、主动轮踏面外径；
当两腿主动台车主动轮踏面外径相差较大时，将使两主动轮踏面线速度相差较大，使两腿行走不同步。
2、行走轮与竖轴同位差；

道对行走轮的反作用力不在同一直线上，这样大车行走时，行走轮将发生侧移，同时还会受到侧向力的作用，如图（3）所示，直至轮压与轨道的反作用力处于同一直线上或者行走轮轮缘与轨道相触压，行走轮才会停止侧移。
3、行走轮垂直偏斜；
4、行走轮水平偏斜；
5、竖轴偏斜；
6、行走轮踏面锥度；
7、竖轴与横梁轴孔的间隙。
 

图（6）竖轴偏斜          图（7）行走轮踏面锥度
对于行走台车，应检查：两轮轴的平行度、竖轴与轮轴的垂直度、
竖轴支承面与竖轴的垂直度、行走轮踏面与轮轴的平行度、主动轮踏面外径、竖轴与横梁轴孔的间隙。
三、钢结构
对于行走轮来说，龙吊钢结构的重量是它的载荷，应垂直、均匀地作用在竖轴支承面上，任何其他形式的作用都会引起啃轨。
1、理想状态下龙吊受力分析
假定静态时龙吊刚挠性腿均保持垂直，行走台车、轨道处于理想状态，（暂不考虑小车）龙吊桥架、刚性腿、挠性腿在垂直平面内的受力情况如下图所示：

1、挠性腿：
若各作用力均作用于腿、横梁、台车垂直中心线上，则无水平方向作用力，F2=F1+G
2、刚性腿：
   来自桥架的压力F4、来自轨道的支承力F6及台车横梁自重G2均作用于垂直支撑中心线上，由于刚性腿自重G1（重心在离垂直支撑中心线约1.3米处）产生的倾覆力矩作用，必有来自桥架的拉力F3的反作用，以保持刚性腿垂直平衡。则有：
1.3*G1=F3*4*cosα         α=15°，G1=7.5t
解得：F3≈2.52t          同时 F5≈0.65t
3、桥架
以A为支点，有：F7*4*cosα+F10*42=G*18.38    G3=54 t
          解得：F10=23.4t
以B为支点，有；F7*(42+4)*cosα+G3*(42-18.38)=F8*42
          解得：F8=33t
龙吊各作用力如下表：                单位：吨
 

由以上计算分析可知：
a、为保持刚性腿、挠性腿垂直，刚性腿斜撑必须受拉，其总拉力约为2.52t，平均每根斜撑拉力1.26t；
b、理想状态下，刚、挠性腿均保持垂直，大车行走轮不受任何侧向力的作用。
2、结构实际情况
实际情况下，钢结构的一些装配误差和形状误差会使行走轮受到侧向力的驱动，引起啃轨，主要有：
a、桥架跨度和对角线偏差
 

此类偏差直接引起刚挠性腿垂直度超差。
b、桥架和挠性腿四轴孔的同心度
 

同心度偏差引起桥架与挠性腿联接困难，强行安装后，将造成挠性腿垂直平面扭转。

c、桥架三角支撑垂直度
                                   
A点与B点不在同一条垂线上
  
                                              
                                     
d、桥架对腿压力点、腿垂直支撑中心线
和竖轴轴孔中心不在同一垂线
对于挠性腿，可检查销座、支撑、竖轴
轴孔中心的吻合程度及支撑的弯曲度。
对于刚性腿，可检查垂直支撑的弯曲度
  及垂直支撑、竖轴轴孔中心的吻合程度。
                                    
e、横梁下支承面的平整度及其与支撑中心线的垂直度
f、刚性腿斜撑受力不合适
龙吊空载时，每一斜撑应受拉力1.26t，拉力值过多地偏离，将使刚性腿垂直度超差。刚性腿垂直支撑上支承面与桥架的吻合程度也将影响斜撑拉力和刚性腿的垂直度。
g、两腿高差超标
综上，应在龙吊安装时检测以上相关数据，严格控制偏差。另外，负载和温升时桥架会少量伸长，可不予考虑。
四、轨道
轨道对啃轨的影响主要为轨道的跨度偏差、两轨高差、轨道弯曲程度、轨道侧倾程度，应按照轨道检验标准进行铺设、修整。

啃轨时力的分析
龙门吊大车行走轮啃轨时，行走轮必然受到一定大小的侧向力的作用。
1、单一台车侧向力分析
 

如图（4）所示，假如轮A受到侧向力F2的驱动，则必有来自龙吊腿部的反作用力F1、来自轨道的反作用摩擦力F3和F4的抵抗作用。换言之，侧向驱动力F2将传递到竖轴、腿部、桥架和另外轮子。当侧向驱动力为F1、F3或几个力共同驱动时的情况，可作类似的分析。实际的情况，多数是几个力共同驱动。
2、整机侧向力分析
 

图（5）是龙吊桥架的简化图，假如存在侧向驱动力F，其平行于对角线的分量Fx的驱动趋势为使桥架沿对角线方向平移，则必有与Fx方向相反的阻力Fx1、Fx2、Fx3、Fx4抵抗这种平移；垂直于对角线的分量Fy的驱动趋势为使桥架绕对角线交点逆时针转动，则必有垂直于对角线的阻力Fy1、Fy2、Fy3、Fy4抵抗这种转动。对于a点和d点，阻力Fx1 与Fy1、Fx4与Fy4在龙吊行走方向的分量相减为零；对于b点和c点，阻力Fx2 与Fy2、Fx3与Fy3在龙吊行走方向的分量相加；在垂直于龙吊行走方向，四对阻力或相加或相减，均存在一定大小的阻力。龙吊桥架受到图中所示侧向力F的驱动时，其运动趋势为沿对角线方向的平移和以对角线交点为圆心的旋转运动的叠加。刚性腿、挠性腿的运动如图（6）所示，其上部将与桥架同步同向扭转，并引起垂直度的变化，而挠性腿还会附加平移运动。这样，龙吊受到侧向力作用而运动后，达到一个新的平衡。当龙吊同时受到几个侧向力的作用时，龙吊的运动会更复杂
 

3、行走轮侧向运动分析
静态时，行走轮受到的侧向力一般远小于轮子与轨道间的静摩擦力，行走轮不会产生侧向移动，而在侧向力作用腿的对面腿则会发生行走方向的位移，两腿发生扭转，桥架与侧向力同向位移。行走轮的侧向移动只有在龙吊大车运行时才有可能发生。当龙吊如图自上而下行走时，由于轨道的原因而使龙吊受到了侧向力，则垂直于轨道的阻力由轨道对行走轮的压力贡献，行走方向的阻力转化为行走电机的附加负载。另一种情况是，由龙吊本身引起的侧向力总是使行走轮向一个侧向运动，则龙吊大车行走时行走轮较容易产生侧向移动，行走轮轮缘与轨道侧面摩擦，由于轮缘与轨道的滑动摩擦，大车行走时在行走电机上附加了一个额外的负载。
总之，由于受到侧向力的作用，在行走驱动机构上附加了一个额外的阻力矩，此阻力矩与侧向力成正比。在侧向力足够大，行走驱动机构可能过载。
前述几种不同的情况存在时最终都会引起刚、挠性腿垂直度的变化，使行走轮受到侧向力的作用，进而使行走轮啃轨，行走驱动机构过载。因此，龙吊啃轨和行走驱动机构过载仅仅是上述几种不正常因素的表面层症状，而刚挠性腿垂直度偏差属于中间层现象，龙吊啃轨现象是一种综合症。属于龙吊自身原因的因素所产生的啃轨是永久性的，一旦龙吊安装完成，就会一直存在。而龙吊经过从新安装后，其啃轨程度会有所变化，这是因为安装误差变化的缘故。属于轨道的因素是暂时性的，经常可看到龙吊在不同的轨道位置其啃轨程度不同。也可看到同一轨道上不同的龙吊其啃轨程度不同，说明龙吊自身的因素对啃轨影响有多大。实际上，由于总是存在装配误差，设想消除龙吊啃轨现象是不可能的，但可以加以控制，尽量减弱啃轨程度到可容许的程度。

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