起重机检验中轨距测量方法及其改进＊

陈 虎 邱 郡

上海市特种设备监督检验技术院 上海 200062

0 引言

在起重机检验中，轨距测量的目的是测评起重机运行或小车运行是否处于安全稳定的运行状态，也是评价安装过程中轨道施工质量的重要技术参数。涉及到的轨距测量通常有跨度、轮距和小车轨距，在起重机检验中采取的测量方法一致。其中跨度指桥架型起重机运行轨道中心线之间的水平距离；轮距指臂架起重机钢轨轨道中心线或起重机运行车轮踏面中心线之间的水平距离；小车轨距指起重小车运行线路钢轨轨道中心线之间的距离[1]。

轨距是承载起重机或起重运行小车的基础，其安装质量受工艺水平的影响，轨距偏大或偏小都在一定程度上可能造成啃轨，运行啃轨会造成不良影响，包括：

1）降低车轮和轨道的使用寿命 由于啃轨会显著增加车轮和轨道的摩擦，车轮、轨道的寿命周期将大大缩短；

2）增加机构运行阻力 驱动机构运行的动力设备长期高于正常负载运行，增加运行能耗，加剧了驱动元件的损耗；

3）产生轴向力 该轴向力可能会损坏钢结构或承载的基础结构；

4）严重啃轨可能造成脱轨，有安全隐患。

1 检规中的轨距测量方法

原国家质量监督检疫总局2002年颁布的《起重机械监督检验规程》中要求的检验方法结合了钢卷尺和弹簧秤或拉力计，具体操作方法是：用平尺卡住钢卷尺，另一侧拉150 N弹簧秤，测量同一高度处一侧车轮外断面与另一侧车轮的内端面的距离，跨度S等于实测距离加上钢卷尺的修正值，修正值见表1（部分引用），再加上钢卷尺计量修正值[2]。这种方法控制了钢卷尺的下挠度在一定范围内，相同下挠度情况下钢卷尺测量的数据是相对准确的。这种测量方法有以下缺点：

表1 钢卷尺修正值

1）卡住钢卷尺的平尺韧性和强度的不同会造成平尺不同程度的变形，从而引起钢卷尺起始端测量基准点不一致，即使使用同一件平尺，也不能消除变形波动带来的测量误差；

2）除非使用机械装置代替人力，否则用人力把持弹簧秤拉钢卷尺且将力值控制在150 N将难以稳定维持，这种不稳定的力会造成的钢卷尺变形不一致，即每次钢卷尺的下挠度会因弹簧秤或拉力计在150 N拉力左右波动而波动，这种波动在人力操作情况下难以消除，必然引起测量误差；

3）表1中所示的钢卷尺修正值限制了钢卷尺截面尺寸，除非现场测量使用表1中列出的4种截面尺寸的钢卷尺，否则使用其他尺寸的钢卷尺无法用于轨距测量；

4）限制了可测量的起重机跨度。起重跨度或轨距大于34.5 m无可引用的修正值，对于工作级别高、主要尺寸大的起重机，特别是造船门式起重机，无法使用此方法测量；

5）如果钢卷尺测量过程中，钢卷尺不是与被测轨道垂直或沿轨道法向布置，会造成与偏移角度余弦值相关的测量误差，此时测量的尺寸较真实值偏大，如表2所示。

表2 不同偏移角度下对应设计轨距下的理论值

GB/T 14406—2011 《通用门式起重机》中规定，小车轨距不大于16 m时，轨距公差不应超过：在轨道端部为±2 mm；在轨道中部为[1,5]（轨道长度不大于19.5m）、[1,7]（轨道长度大于19.5 m）。

GB/T 14405—2011 《通用桥式起重机》中规定，对于小车轨道：小车轨距S不大于2 m时，轨距公差不超过±2 mm，小车轨距S大于2 m时，轨距公差不超过±[2+0.1(S-2)] mm；对于起重机运行轨道，轨道S不大于10 m时，轨距公差不超过±2.5 mm，轨道S大于10 m时，轨道公差不超过±[2.5+0.1(S-10)] mm。

GB/T 29560—2013 《门座起重机》中，大车轨道上任一点处，港口和船厂用起重机轨道中心线之间的轨距K允许的公差有如下规定：对于K不大于16 m的公差不大于±5 mm，K大于16 m的公差为±[5+0.25(K-16)] mm，极限值为±15 mm。

可知在表2给出的测量偏移角度下，测量偏移角度仅仅偏移到5°时，设计轨距为20 m的起重机测量甚至已经偏离了76 mm，大大超过标准规定值，此时测量数据已不能作为检验项目判断依据，即便是实际测量中钢卷尺偏移角度仅为1°，在轨距20 m情况下也有3 mm的偏差，已形成了很大测量不确定度。在实际情况下，有很多起重机跨度已经超过100 m，这种情况下偏离值只会更大。

2 轨距测量方法的改进

考虑到《起重机械监督检验规程》是原质检总局于2002年颁布的规程，当时条件下可采取的几何测量方法、仪器有限制，且作为一个全国范围内的指导性方法，选用钢卷尺测量能满足经济发展不同程度区域的各机构检验要求。因此，当时选用测量方法虽然测量不确定大，但适用性、经济性明显。随着仪器科学的发展，在检验中提高测量精度，更好地提升检验质量，为检验起重机轨距提供更可靠准确的数据支撑显得尤为重要。目前，激光测距设备因其可靠的几何测量能力和低廉的价格优势，在起重机尺寸测量中已有广泛的应用。

2.1 激光测距仪直接测量轨距

因激光测距仪是光学测量仪器，在测量过程中光线不会发生弯曲变化，不会有使用钢卷尺测量过程中因钢卷尺下挠产生的误差，使用激光测距仪也无需使用弹簧秤或拉力计。与使用钢卷尺测量一样，使用激光测距仪也会面临测量激光光束路径不是与被测轨道垂直或沿轨道法向传播，造成角度偏移的问题。如图1所示，理想情况下测距仪位于1位置，此时激光测距仪发射的激光传播路径与轨道垂直，此时测得的值为准确值，而实际情况更多情况是测距仪如图中2所示位置，激光发射路径与沿轨道垂直方向存在较小的角度α，此时测量值为真实值L·cosα，测量尺寸偏大。

图1 激光测距仪测量轨距角度误差示意图

2.2 激光测距仪测量基于三点斜距法测量轨距

使用激光测距仪直接测量，无法保证激光测距仪激光发射角度与轨道垂直，但可以通过测量轨道上三点之间的边长，通过海伦公式求取面积。根据三角形求面积公式，此时该面积除以在同一轨道上两点之间的距离即方向为垂直于轨道的高。

在轨道中心线或同一相对位置上布置3个测量标记，如图2所示，将激光测距仪云台置于轨道外的任意一个适宜的位置，测距仪安装于云台上，测量模式为点对点斜距模式，分别测量图2中3个黄色标记点之间的斜距，可得三点组成的三角形的3条边长a、b、c。根据海伦公式

图2 基于三点法的激光测距仪测量示意图

式中：p为半周长，可方便快捷求取三点组成的三角形面积。利用三角形底边乘高求积公式可得此三角形底边a上的高为2S/a，此值即为测得的轨道轨距。

此方法相对于直接用激光测距仪测量有以下优点：

1）由于此值是通过测量三角形三条边长后计算所得，因此只要测量过程中仪器精度可靠，3个标识点选取准确，轨距测量值准确可靠；

2）测量仪器位置选取灵活，可置于适宜的任意位置；

3）布置多个点位组合多个三角形求去轨距可进一步提高测量精度。

3 结语

在起重机的型式试验和检验过程中，采用合适的方式测量轨距，将测量不确定度控制在尽可能小的范围内，更准确地掌握起重机的实际状态，可靠准确的测量也能为起重机安全风险评价提供权威的数据支撑。若条件允许，应采用激光测距仪基于三点斜距法测量起重机轨距，该方法可靠、数据重复性好，且测量过程简单易操作。