門式起重機手動夾軌器的設計要素

陸紅，曽明聰，王雪剛，吳廣東，彭振琦

（1．中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2．中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510290）

1 概述

手動夾軌器結構簡單、操作簡便，有較強的抗風防滑及抗傾覆效能，得到普遍使用。但由于夾軌器屬于門式起重機非工作狀態下的裝置，僅在門機遭遇突風襲擊時才發揮效能，因此一直以來在業內，不論是在規范、設計、制造、安裝及使用中都未引起足夠的關注。現今許多施工工地、廠區露天作業場所在用產品五花八門，給操作使用帶來諸多不便，時有出現疏忽的情況。近年來異常氣候增多，風災事故頻發，當門機遭遇強風襲擊時，可能因夾軌器性能不佳、使用不便，操作人員未正確使用等，不能有效阻止門機滑移，造成被強風吹跑、傾覆，甚至人員傷亡的事故[1]。因此，本文針對手動夾軌器設計中的幾大要素進行分析，以便正確認識、設計、選用及使用手動夾軌器，提高門機抗風防滑能力，最大限度減少風災事故發生概率。

2 設計要素分析

圖1 手動式夾軌器工作示意圖Fig.1 Working diagram of manual rail clamp

門式起重機屬隨行抗風防滑裝置，首先須滿足功能性要求，結構應符合工作原理；其次由于該裝置需要隨時在夾持與擱置工況之間進行頻繁轉換，操作應能快速、簡便。因此設計中，應注重以下設計要素。手動夾軌器工作示意圖見圖1。

2.1 功能性要素

功能性要素是機械裝置設計的基礎。手動夾軌器的抗風防滑機理是依靠“自鎖”原理實現[2]，夾持板U形槽口與鋼軌頭部兩側面形成的摩擦副，是建立“自鎖”條件的基礎。摩擦力是通過旋緊螺桿施加在夾持板上的作用力獲得。夾持板受力簡圖見圖2。

圖2 夾持板受力分析圖Fig.2 Stress analysis of gripper

夾持板受力屬典型簡支梁結構[3]，鋼軌頭部側面與支墊鋼套為2個支座，旋緊螺桿施加1個集中力N，F1即為產生摩阻力的正壓力，這是建立可靠摩擦副的基礎。

因此，在裝置中無設置“支墊鋼套”的結構，雖然“旋緊”了螺桿，往往是夾持板歪斜后與銷軸孔咬合或螺桿憋緊，結構受力不清，自鎖條件不足，夾軌器僅能起到一定拖帶、阻滯效果，極大降低了效能，更難產生極限抗風防滑能力。

2.2 結構可靠性

夾軌器各部件的結構強度應按額定抗風防滑工況進行受力分析和設計，確保裝置在“自鎖”及抗傾工況下，各零部件以及與門機下橫梁或臺車連接強度滿足額定載荷要求。

除按上述額定載荷設計外，還應校核裝置在趨于失效狀態時，即極端荷載作用下，能提供的極限抗風防滑能力。“極限工況”的意義往往比“額定載荷”更重要，是安全保護裝置的一項重要性能指標。圖1所示的輕便型夾軌器，經檢測試驗，額定抗風防滑能力為50～60 kN，而在極限條件下，可達到180～200 kN[2]。

2.3 制造工藝適應性

夾持板是夾軌器的重要零部件，其U形槽口與軌道頭部的可靠咬合是正常發揮效能的基礎，并應有足夠抗剪、抗擠壓強度。槽口與鋼軌頭部有配合要求，槽口下部留有配合間隙Δ=3～4 mm，即需滿足夾持便利，又不致因間隙太大，降低自鎖可靠性。因此，采用焊接成型、氣割成孔的粗糙加工方法制作的槽口結構是不能滿足功能性要求的。夾持板應采用整體鍛件或厚板材機加工成型制造工藝。

銷軸及旋緊螺桿也是裝置的主要零件。現場時有采用螺栓替代情況，如選擇合適也能達到旋緊螺栓的功能，但操作耗時費工，僅適用一些不頻繁使用或長期停滯的門機。而隨意用一條螺栓或焊接螺桿進行替代是不可取的。

2.4 路軌適應性

由于門機在整個作業區幾十或數百米長軌道上運行，夾軌器應在全軌道的任意位置（除魚尾板聯接部位，約為全路軌7%長度），都能與鋼軌可靠夾持。因此，夾持工藝設計中應考慮：軌道安裝平整度偏差、輪軌走偏量、鋼軌及輪組磨損、夾軌器安裝誤差等條件下，夾持板仍能夠便利、快捷、可靠夾持軌道。為滿足這一要求，夾持板銷軸孔宜采用“鍵形孔”結構，合適選取鍵形孔e值（如圖2所示，約20～25 mm），可達到良好路軌適應性，同時又為快速“擱置”狀態的轉換提供條件。

2.5 良好的操作性能

良好的操作使用性能是保證夾軌器得以可靠使用，發揮功能的重要條件。作為一種需頻繁轉換工況，且又是預防小概率事件的裝置，如果操作耗時又費工，必然增加作業人員的厭倦感，增大疏忽大意的客觀因素，有可能增大遺漏操作的概率。

為滿足良好操作性，結構上采用如下措施：旋緊螺桿宜用左右旋螺紋結構，夾持板可對稱開合；支座兩邊板設計有下凹擱置槽。在夾持與擱置狀態轉換時，旋緊螺桿連帶夾持板組件一起向上旋轉落在擱置凹槽內，實現快速轉換。鎖緊螺桿兩邊各加工一對90°交叉插孔。操作空間適應性好，并可用圓鋼桿進行操作。

按上述第2．4、2．5要素設計的夾軌器，具有良好操作性，經實測大約60 s內完成狀態轉換。

3 常見的夾軌器類型

作業現場常見安裝在門機上的夾軌器各式各樣，個別產品不符合夾軌器工作原理，形同虛設，只能起到有限的阻滯效果，在遭遇強風襲擊時，不但不能抗風防滑，反而可能延誤其它防風措施跟進。以下為3類典型夾軌器。

圖3中第一類夾軌器：夾持板為整體結構，機加工成型，銷軸中部安裝有支墊鋼套，符合功能性要求、結構可靠、制造工藝合適等三要素。夾軌器槽口與軌道頭部能形成比較可靠的夾持。夾持板與鋼軌側面形成的摩擦副，可產生弱抗滑阻力3～10 kN，且為夾持板槽口與鋼軌頭部產生“自鎖”提供了條件，在自鎖狀態下，可產生50～120 kN的強抗風防滑能力，直到整體結構失效。可以滿足基本使用要求。

圖3 第一類典型夾軌器Fig.3 The first kind of typical rail clamp

上述夾軌器中：圖3（a）型夾持板結構強度較大，銷軸孔為鍵形，路軌適應性好，抗風能力較強，但鎖緊螺桿直接采用了一條高強螺栓替代，夾持與擱置工況轉換時較耗時費工，有待改進。圖3（b）型結構的夾持板安裝角為90°，自鎖效果好，鎖緊螺栓也是用一條高強螺栓替代，工況轉換較耗時費工，有待改進。圖3（c）型為常用中小型門式起重機使用的“改進型夾軌器”[4]，該型夾軌器有良好的路軌適應性，又可快速進行夾持與擱置工況的轉換。

圖4中第二類夾軌器：圖4（a）型與圖4（b）型夾持板為整體結構機加工成型，但銷軸中部未設置支墊鋼套，由于夾持板銷軸位支撐點“虛浮”，旋緊螺桿的“鎖緊”可能是夾持板傾斜后與銷軸的咬合；圖4（c）型銷軸上雖設有支墊鋼套，但尺寸精度差，基本不起作用，夾持板槽口采用粗糙焊接工藝，不但與鋼軌頭部咬合不良，槽口抗剪、抗擠強度都較差。

圖4 第二類典型夾軌器Fig.4 The second kind typical rail clamp

這類型夾軌器夾持效果欠佳，自鎖條件不可靠。但由于結構整體強度尚好，也會有一定的抗風防滑效果。前兩型只需增加銷軸中間支墊鋼套，后者夾持板應更換整體機加工成型結構，并調整支墊鋼套的尺寸。

圖5中第三類夾軌器：圖5（a）型夾持板銷軸之間無支墊鋼套，造成夾持板嚴重歪斜，槽口與鋼軌頭部咬合不良，并且整體結構單薄；圖5（b）型為施工現場臨時用兩塊鐵板氣割下料，焊接組成夾持板，槽口無法與鋼軌可靠地咬合；圖5（c）型夾持板的槽口變成了“帶鉤”的板塊，并隨意尋找和焊接了2條螺栓拼湊而成。

圖5 第三類典型夾軌器Fig.5 The third kind of typical rail clamp

這類結構是對夾軌器工作原理基本不理解而“設計”出來的。無法滿足抗風防滑的要求，對門機滑行的阻滯效果也極其有限，還會造成一種假象，阻滯或延誤了其他有效抗風防滑措施及時投入，安全隱患大，一旦遭遇強風襲擊，甚至可能危害到設備或人員安全，應堅決廢棄，更換合格產品。

4 夾軌器主要性能指標

夾軌器可根據抗風防滑的額定阻滑力及配用的鋼軌型號進行設計。可分為：重型、普通型、輕便型等多種規格。由于夾軌器主要失效形式為夾持板U形槽口破壞，因此各規格夾軌器主要以槽口咬合尺度作為主設計參數，支座及其他結構件強度、與門機裝配連接強度應等于或大于槽口的抗剪、抗擠壓的結構強度。

浙江某常用手動夾軌器主要性能指標及規格參數見表1所示[5]。

表1 手動夾軌器主要性能指標及規格參數表Table 1 Main performance index and specification parameter list of manual rail clamping device

例如：1臺30 t門機，受風計算面積為150 m2，在11級風暴襲擊下，計算風壓值為498 N/m2，風載可產生的滑行力約74．7 kN，可選用2對輕便型夾軌器安裝（2×50 kN）。門機非工作狀態下的額定抗風能力定為9級（設計計算風載取11級），極限狀態下的抗風能力可達12級。

5 安全保護裝置特征

作為一種安全保護裝置，從原理上講，一般應具有“2個典型工況”，即：正常工況下提供的額定抗力；極端狀態下可提供的最大極限抗力。這是一般安全保護裝置在工作原理、功能及結構設計上應有的基本要素。例如一些常見的帶保護功能裝置：保險銷、止回轉插銷、限位擋塊、棘輪機構的棘爪、保險繩、防風纜、防風地錨等。

手動夾軌器從工作原理上分析[2]，具備了上述2個典型工況，雖然結構較簡單，但的確是一種操作簡便、安全實用的門機防風裝置。不論是日常作業期間的停歇，還是強風襲擊下都能起到較強的抗風防滑效果。

常見的僅依靠鉗口夾持鋼軌頭部側面為原理的手動或自動夾軌器，由于鋼與鋼摩擦系數僅為0．1～0．2，鉗口與軌側的“摩擦力”僅能夠產生“弱抗滑力”，并不具有“極端狀態”下的強抗力工況，因此綜合抗風防滑性能較弱。例如：2017年8月23日強臺風“天鴿”襲擊珠海沿岸，位于臺風路徑的中交四航新會航通船業沙堆造船基地共有7臺25～60 t門式起重機（全部臨時拉了防風纜），其中1臺同時安裝有鉗式夾軌器和防風鐵楔的門機被強臺風吹翻倒塌，而另5臺安裝了圖4（b）型夾軌器的門機則成功抵抗了15級強臺風的襲擊。

6 結語

夾軌器是門式起重機抗風防滑的重要安全保護裝置。近年隨著國內建設規模的擴大，門機大量應用于各施工工地，由于突發惡劣天氣頻度增多，多次發生門機被強風吹翻傾覆事故，有的還造成較大人員傷亡。究其原因有，某些產品設計粗制濫造，個別設計或管理人員對各類夾軌器的抗風防滑機理認識不清，誤以為夾軌裝置越復雜、自動化程度高、價格越貴則抗滑效果越好，其實并非如此。常用的幾類裝置中：液壓輪邊制動器，因摩擦副配合精度高[6]，摩擦阻力較大，效果尚好；而依賴鋼軌側面“摩擦原理”設計的鉗口式夾軌器[7]，因摩擦副配合精度低，也無第二類典型工況，因此效果較差；而采用自鎖原理設計的手動夾軌器不但簡單實用，且抗風防滑效果比較好。但必須滿足上述要素中的前3項，這是夾軌器具有可靠抗風防滑功能的基礎，新設計或改造的產品應基本符合5項要素的要求。