起重機檢驗中軌距測量方法及其改進＊

陳 虎 邱 郡

上海市特種設備監督檢驗技術院 上海 200062

0 引言

在起重機檢驗中，軌距測量的目的是測評起重機運行或小車運行是否處于安全穩定的運行狀態，也是評價安裝過程中軌道施工質量的重要技術參數。涉及到的軌距測量通常有跨度、輪距和小車軌距，在起重機檢驗中采取的測量方法一致。其中跨度指橋架型起重機運行軌道中心線之間的水平距離；輪距指臂架起重機鋼軌軌道中心線或起重機運行車輪踏面中心線之間的水平距離；小車軌距指起重小車運行線路鋼軌軌道中心線之間的距離[1]。

軌距是承載起重機或起重運行小車的基礎，其安裝質量受工藝水平的影響，軌距偏大或偏小都在一定程度上可能造成啃軌，運行啃軌會造成不良影響，包括：

1）降低車輪和軌道的使用壽命 由于啃軌會顯著增加車輪和軌道的摩擦，車輪、軌道的壽命周期將大大縮短；

2）增加機構運行阻力 驅動機構運行的動力設備長期高于正常負載運行，增加運行能耗，加劇了驅動元件的損耗；

3）產生軸向力 該軸向力可能會損壞鋼結構或承載的基礎結構；

4）嚴重啃軌可能造成脫軌，有安全隱患。

1 檢規中的軌距測量方法

原國家質量監督檢疫總局2002年頒布的《起重機械監督檢驗規程》中要求的檢驗方法結合了鋼卷尺和彈簧秤或拉力計，具體操作方法是：用平尺卡住鋼卷尺，另一側拉150 N彈簧秤，測量同一高度處一側車輪外斷面與另一側車輪的內端面的距離，跨度S等于實測距離加上鋼卷尺的修正值，修正值見表1（部分引用），再加上鋼卷尺計量修正值[2]。這種方法控制了鋼卷尺的下撓度在一定范圍內，相同下撓度情況下鋼卷尺測量的數據是相對準確的。這種測量方法有以下缺點：

表1 鋼卷尺修正值

1）卡住鋼卷尺的平尺韌性和強度的不同會造成平尺不同程度的變形，從而引起鋼卷尺起始端測量基準點不一致，即使使用同一件平尺，也不能消除變形波動帶來的測量誤差；

2）除非使用機械裝置代替人力，否則用人力把持彈簧秤拉鋼卷尺且將力值控制在150 N將難以穩定維持，這種不穩定的力會造成的鋼卷尺變形不一致，即每次鋼卷尺的下撓度會因彈簧秤或拉力計在150 N拉力左右波動而波動，這種波動在人力操作情況下難以消除，必然引起測量誤差；

3）表1中所示的鋼卷尺修正值限制了鋼卷尺截面尺寸，除非現場測量使用表1中列出的4種截面尺寸的鋼卷尺，否則使用其他尺寸的鋼卷尺無法用于軌距測量；

4）限制了可測量的起重機跨度。起重跨度或軌距大于34.5 m無可引用的修正值，對于工作級別高、主要尺寸大的起重機，特別是造船門式起重機，無法使用此方法測量；

5）如果鋼卷尺測量過程中，鋼卷尺不是與被測軌道垂直或沿軌道法向布置，會造成與偏移角度余弦值相關的測量誤差，此時測量的尺寸較真實值偏大，如表2所示。

表2 不同偏移角度下對應設計軌距下的理論值

GB/T 14406—2011 《通用門式起重機》中規定，小車軌距不大于16 m時，軌距公差不應超過：在軌道端部為±2 mm；在軌道中部為[1,5]（軌道長度不大于19.5m）、[1,7]（軌道長度大于19.5 m）。

GB/T 14405—2011 《通用橋式起重機》中規定，對于小車軌道：小車軌距S不大于2 m時，軌距公差不超過±2 mm，小車軌距S大于2 m時，軌距公差不超過±[2+0.1(S-2)] mm；對于起重機運行軌道，軌道S不大于10 m時，軌距公差不超過±2.5 mm，軌道S大于10 m時，軌道公差不超過±[2.5+0.1(S-10)] mm。

GB/T 29560—2013 《門座起重機》中，大車軌道上任一點處，港口和船廠用起重機軌道中心線之間的軌距K允許的公差有如下規定：對于K不大于16 m的公差不大于±5 mm，K大于16 m的公差為±[5+0.25(K-16)] mm，極限值為±15 mm。

可知在表2給出的測量偏移角度下，測量偏移角度僅僅偏移到5°時，設計軌距為20 m的起重機測量甚至已經偏離了76 mm，大大超過標準規定值，此時測量數據已不能作為檢驗項目判斷依據，即便是實際測量中鋼卷尺偏移角度僅為1°，在軌距20 m情況下也有3 mm的偏差，已形成了很大測量不確定度。在實際情況下，有很多起重機跨度已經超過100 m，這種情況下偏離值只會更大。

2 軌距測量方法的改進

考慮到《起重機械監督檢驗規程》是原質檢總局于2002年頒布的規程，當時條件下可采取的幾何測量方法、儀器有限制，且作為一個全國范圍內的指導性方法，選用鋼卷尺測量能滿足經濟發展不同程度區域的各機構檢驗要求。因此，當時選用測量方法雖然測量不確定大，但適用性、經濟性明顯。隨著儀器科學的發展，在檢驗中提高測量精度，更好地提升檢驗質量，為檢驗起重機軌距提供更可靠準確的數據支撐顯得尤為重要。目前，激光測距設備因其可靠的幾何測量能力和低廉的價格優勢，在起重機尺寸測量中已有廣泛的應用。

2.1 激光測距儀直接測量軌距

因激光測距儀是光學測量儀器，在測量過程中光線不會發生彎曲變化，不會有使用鋼卷尺測量過程中因鋼卷尺下撓產生的誤差，使用激光測距儀也無需使用彈簧秤或拉力計。與使用鋼卷尺測量一樣，使用激光測距儀也會面臨測量激光光束路徑不是與被測軌道垂直或沿軌道法向傳播，造成角度偏移的問題。如圖1所示，理想情況下測距儀位于1位置，此時激光測距儀發射的激光傳播路徑與軌道垂直，此時測得的值為準確值，而實際情況更多情況是測距儀如圖中2所示位置，激光發射路徑與沿軌道垂直方向存在較小的角度α，此時測量值為真實值L·cosα，測量尺寸偏大。

圖1 激光測距儀測量軌距角度誤差示意圖

2.2 激光測距儀測量基于三點斜距法測量軌距

使用激光測距儀直接測量，無法保證激光測距儀激光發射角度與軌道垂直，但可以通過測量軌道上三點之間的邊長，通過海倫公式求取面積。根據三角形求面積公式，此時該面積除以在同一軌道上兩點之間的距離即方向為垂直于軌道的高。

在軌道中心線或同一相對位置上布置3個測量標記，如圖2所示，將激光測距儀云臺置于軌道外的任意一個適宜的位置，測距儀安裝于云臺上，測量模式為點對點斜距模式，分別測量圖2中3個黃色標記點之間的斜距，可得三點組成的三角形的3條邊長a、b、c。根據海倫公式

圖2 基于三點法的激光測距儀測量示意圖

式中：p為半周長，可方便快捷求取三點組成的三角形面積。利用三角形底邊乘高求積公式可得此三角形底邊a上的高為2S/a，此值即為測得的軌道軌距。

此方法相對于直接用激光測距儀測量有以下優點：

1）由于此值是通過測量三角形三條邊長后計算所得，因此只要測量過程中儀器精度可靠，3個標識點選取準確，軌距測量值準確可靠；

2）測量儀器位置選取靈活，可置于適宜的任意位置；

3）布置多個點位組合多個三角形求去軌距可進一步提高測量精度。

3 結語

在起重機的型式試驗和檢驗過程中，采用合適的方式測量軌距，將測量不確定度控制在盡可能小的范圍內，更準確地掌握起重機的實際狀態，可靠準確的測量也能為起重機安全風險評價提供權威的數據支撐。若條件允許，應采用激光測距儀基于三點斜距法測量起重機軌距，該方法可靠、數據重復性好，且測量過程簡單易操作。