起重机大车止档的设计与安全

董富祥 杨棋剑

（浙江麒龙起重机械有限公司 绍兴 312043）

1 起重机大车止档的重要性

1.1 使用范围

行走式起重机又可分为轨道行走式起重机和轮胎式(履带式)起重机，轮胎式起重机没有固定的运动轨迹，且整体移动机构与车辆运动方式类似，不需要大车止档。所有的轨行式起重机，大车沿固定轨道往返运动的，必须使用大车止档这一安全装置。

1.2 作用

在轨道式起重机使用中，当起重机在大车运行机构驱动下，将要到达轨道行程终点时，首先经过预先装设的限位开关位置，安全尺与限位开关接触，断开运行机构的动力。但起重机在原先运动的惯性作用下，仍会继续向前滑行。此时，起重机为制动滑行状态，车轮与轨道滑动摩擦，速度很快减小；在滑行一段距离后，起重机大车缓冲器与大车止档相撞，在缓冲器吸能作用下，起重机迅速平稳停止。

1.3 重要性

在实际使用中，大多数的中小吨位起重机大车限位开关采用机械弹簧式限位开关，使用一段时间后限位开关容易损坏或失灵，此时起重机存在全速撞击大车止档的现象。在此状况下，大车止档本身的强度、大车止档与承轨梁的连接焊缝的强度必须满足这种极端工况的需要，确保起重机不至于冲出轨道，避免造成重大安全事故。

1.4 结构和固定方式

止档的外形一般采用三角型结构，止档底部通常采用焊接方式与承轨梁连接在一起；门机轨道行程端部，采用焊接加预埋螺栓的固定型式。另外，运行速度较快的起重机易对止档和起重机本体结构产生较大冲击，宜采用缓冲行程较长，吸能较大的缓冲器，如液压缓冲器，大车止档和固定方式也应比普通型做适当加强。

2 大车止档的结构形式

2.1 常见基本型式一

如图1所示，常见基本型式的大车止档为一块底板，两块竖版，竖版间布置2～3块横筋板和一块缓冲器撞板组成。这种结构的大车缓冲止档较为常见，外形设计合理，抗冲击承载力较大。可应用在室内起重机厂房端部承轨梁上方，止档底板与钢结构承轨梁焊接连接；也可以应用在室外门式起重机行程端部，将止档焊接在有预埋螺栓连接好的底面板上。

图1 常见基本型式一

2.2 常见基本型式二

如图2所示，常见基本型式二的大车止档为一块竖版，撞头位置竖版两边布置两块加强筋，再加一块撞板组成。其一般直接焊接在起重机承轨梁上，这种结构重量轻，制作简单，但相对第一种结构，其抗撞击强度差。因为设计时大车车轮轮缘与轨道宽度方向有30～40mm的水平间隙防止啃轨，所以实际起重机运行时与轨道中心有可能偏移，使起重机缓冲器与大车止档中心不在同一直线上，撞击时使止档产生水平扭矩力，而此种结构的抗扭强度很差，容易发生扭转变形失效，发生危险。所以本结构只适用于吨位很小，运行速度较慢的起重机，设计时应特别注意。

图2 常见基本型式二

2.3 常见基本型式三

如图3（a）、图3（b）所示，常见基本型式三的大车止档采用单个型材（工字钢或槽钢），或采用型材、钢板混合焊接的结构。其与底部连接基本都采用焊接，这种结构的组合型式各种各样，受力特征也不相同，应根据实际情况具体选择，图3分别列举了其中两种型式。

图3 常见基本型式三

3 大车止档的受力分析

以上面所述结构型式一(室内使用)为例，进行受力分析，如图4所示。

图4 大车止档受力分析图

假设：起重机满载并全速运行时产生的撞击力为P(N)（考虑厂房钢梁牛腿间1/1000拱度的下坡作用），起重机总重为G(kg)，额定起升重量为Q(kg)，大车运行的额定速度为v(m/s)，下坡加速度为a(m/s2)，下坡运行时间为t（s），轮压为P1(kg)，车轮数目为n，车轮与轨道之间的滚动摩擦系数为f，撞击缓冲作用时间为T(s)（起重机从v速度变为0的时间，按实际缓冲器大小行程选择后确定）。则根据冲量定理[1]：

图4 中，由P产生的剪切力F(N)，按式（2）计算：

由P产生的弯矩M(N·mm)[1]，按式（3）计算：

式中：

h——缓冲器中心到底边高度，mm。

由P偏心作用产生的水平弯矩M水(N·mm)[1]，按式（4）计算：

式中：

e ——水平偏心距离，mm。

由于与作用力P垂直方向的焊缝刚度较差，剪力大多由与力平行方向焊缝承担，因此计算时可忽略止档垂直方向连接焊缝的抗剪作用，则图4中最大应力点A点的焊缝强度[2]按式（5）计算：

式中：

W——焊缝有效截面对A点的截面抗弯模量，mm3；

A——与P力平行的止档与钢梁连接焊缝的有效截面面积，mm2；

[τ]——焊缝许用剪应力，N/mm2。

注：焊缝强度计算时，应选择距截面形心最远处的点。

由P偏心作用产生的水平弯矩引起的止档内应力[1]按式（6）计算：

式中：

W水——计算截面的抗扭截面模数[1]：

r ——抗扭截面的极惯性半径，mm。

止档危险截面点的合成强度[3]：

式中：

σ ——由垂直方向弯矩引起的止档内应力，N/mm2；

τ ——止档所受的剪应力；

[σ]——材料许用应力，N/mm2。

4 实例计算

如图5所示，用于QD50t-31.5m双梁桥式起重机大车止档，计算：起重机总重61t，工作级别A6，大车运行额定速度75m/min，假设室内厂房承轨梁在牛腿间存在1/1000拱度，两牛腿的间距为12m，可知其拱度最高点至最低点落差为1.2cm，根据重力加速原理，可得出a=0.013m/s2，下坡运行时间可算得约为8s，大车等效轮压P1为33t，车轮数目为4只，查起重机设计手册[2]，车轮与轨道间的摩擦系数f=0.0124，撞击缓冲作用时间：缓冲器JHQ-C-13，长度160mm，一般压缩20%行程为3.2cm， 时间T约为1.5s。

图5 50/10t双梁桥机大车止档受力简图

则冲击力P为：

因桥机运行到一端终点时，同时有两只缓冲器作用，一只止挡的受力：P′ =P2。故每只止挡产生的剪切力：F= 4 9280( N)。

由式（3），P'对止挡底边产生的最大弯矩M为：

由式（4），P偏心作用产生的水平弯矩M水（水平偏心距离为e = 20mm）为：

图5止挡底边的截面尺寸计算可知，W=1986278 mm3，A=12200mm2，则由σ =M/W，可得：σ =29.8 N/mm2；由式（5）计算可得A点的合成剪应力：

由P偏心作用产生的水平弯矩引起的止档内应力，止挡截面抗扭截面模数W水=1463938mm3，则由式（6）计算可得：σ水=0.67 (N/mm2)

将上面的计算结果代入式（7），可得止档危险截面点的合成强度：

为安全起见，考虑到止挡制作后的变形误差和冲击力的变化作用，对Q235材料，[σ]取80N/mm2，所以本尺寸的止挡用于QD50t的双梁桥机上是安全的。

5 结束语

大车止档作为起重机十分重要的一个安全装置，在实际设计、制造、安装各环节中，对其重要性存在或多或少的认识不足，存在大车止档被起重机撞落、甚至起重机冲出大车轨道的事故发生。有必要对大车止档的安全性引起足够的重视，必须在设计源头按照受力分析计算止档自身强度及连接焊缝的应力，在安装现场按有关技术要求、施工规范认真施焊，确保大车止档作为起重机运行最后一道安全装置的有效性。

[1]成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

[2]张质文，王金诺，程文明，等. 起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013：253-263.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.起重机设计规范[S].北京：中国标准化出版社，2008：38-59.