一种门座起重机自锁式防风铁楔

孙 宁 马 利 李少泽 宋明泰

日照港股份有限公司第二港务分公司

1 引言

楔形制动器楔入车轮与轨道之间，当车轮滚动时，压住铁楔，利用起重机自重轮压产生巨大摩擦力，实现制动。手持式简易防风铁楔(以下简称铁楔)，是当前港口门座起重机(以下简称门机)重要的防风装置，具有结构简单、实用性强的特点。但是也存在一些缺点，如铁楔放置在行走轮与轨道之间，由于铁楔与轨道之间摩擦系数有限，在动态防风时，门机晃动造成行走轮的移动会将铁楔推出；静态防风时，如遇到大潮，涌浪上岸后会将铁楔横向冲出轨道，造成防风失效，形成安全隐患。为提升铁楔可靠性对其进行改进，如通过强磁铁将铁楔装置吸附于车轮上，由于高强磁铁的磁力作用及与轨轮接触面较好，使之很牢固地与轨道接合，不会因轨轮前后摆动而脱楔，起到铁楔的作用[1]，但实际应用并不广泛。

通过分析铁楔的受力特点，创新设计了一种新型的自锁式防风铁楔装置，通过2个铁楔对头放置，在中间加弹簧连杆装置，实现自锁，克服铁楔易被移位的缺点，操作方便，实用性强。

2 铁楔受力分析

2.1 铁楔的抗滑动能力分析

铁楔、车轮和轨道之间的受力状态属于接触问题，接触问题是一种高度非线性问题，可以在有限元分析软件中，通过罚函数法，或者增强的拉格朗日乘子法求解，其过程需要较大的计算资源，故在此仅进行简单定性分析。

对于普通钢板制成铁楔，如果底部并不采用特殊材料，其摩擦系数f≈0.15，其摩擦自锁角φ≈8.5°；如果表面沾水或者结冰，摩擦系数减小，相应自锁角也变小。对于车轮与铁楔之间的接触，接触点的力垂直于公共点的切线，即由轮心指向接触点。为了达到自锁角度，要保证接触点尽量往轮底深入，铁楔前端一定是尖长的结构，这样才能保证车轮能够压住铁楔，否则铁楔可能会弹出(见图1)。

图1 铁楔受力点分析

2.2 铁楔的强度校核

铁楔在车轮压力下的受力，可以通过有限元等方法进行模拟仿真，如文献[2]中对铁楔结构建立了有限元模型，进行强度校核与分析，满足强度要求。此铁楔是一个实心结构，而大多数加工铁楔为钢板焊接制成，需进行刚度分析。假设铁楔与车轮均匀接触，全部轮压都施加在铁楔面上时，获取此面上节点数量，再将轮压均匀施加在每个节点。

求解后，可得最大应力出现在内部2道筋板处，最大值为194 MPa，符合要求(见图2)。如果需要加强抗冲击能力，可以将钢板加厚或者内部多加筋板。

图2 铁楔有限元模型分析应力云图

3 自锁铁楔设计

针对分析的铁楔受力特点，结合门机使用工况，设计新式的自锁式防风铁楔装置。

3.1 弹性自锁设计

经过分析，在纯滚动情况下，为了压住铁楔，铁楔头部要尖长，而在实际作业中轮子会来回对铁楔进行冲击，浪涌时从侧面将铁楔冲歪，都会导致铁楔失效。为了保证铁楔的放置有效，牢固可靠，设计2个铁楔同时放到相邻2个行走轮之间，2铁楔中间采用弹簧装置使其往2边车轮压紧(见图3)。

图3 自锁铁楔原理图

静态防风时，铁楔在弹簧力作用下压紧车轮，不容易被水冲走，且在门机晃动铁楔发生位移后，能在弹簧力作用下重新恢复到压紧状态，确保长期有效。动态防风时，采用多个此类铁楔压紧行走轮，可以大大减少门机作业时左右晃动，减少对行走机构传动齿轮、减速箱的冲击，间接减少行走减速箱油封渗油等现象。

3.2 杠杆操纵机构

为了实现方便安装，采用杠杆原理，设计连杆和转动滑块机构，用较小的人力推动较硬的弹簧，可较方便地把弹簧压紧。具体结构与操作方式见图4。通过仿真分析，省力机构在操作过程中，用20 N的按压力能够实现100 N的双向锁紧推力。通过螺母可调节弹簧的压缩行程，对铁楔的锁紧力进行调整。

图4 自锁铁楔操作示意图

3.3 制动力粗算

以40 t门机为例，整机重量560 t，平均轮压为175 kN，取摩擦系数为0.15[3]，则单只铁楔产生的最大制动力为26 250 N,制动效果相当可观。

4 结语

通过分析铁楔受力和实际使用工况，创新采用前后2个铁楔中间加弹簧的方法，实现了铁楔的锁紧安装，牢固可靠，滑块连杆机构保证了机构的操作相对轻便。在实际使用中，该装置效果可靠，通过更改尺寸结构，该装置也可以适用于其他型号门座起重机和其他轨道行走设备的应急防风。