孫 寧 馬 利 李少澤 宋明泰

日照港股份有限公司第二港務(wù)分公司

1 引言

楔形制動器楔入車輪與軌道之間，當車輪滾動時，壓住鐵楔，利用起重機自重輪壓產(chǎn)生巨大摩擦力，實現(xiàn)制動。手持式簡易防風鐵楔(以下簡稱鐵楔)，是當前港口門座起重機(以下簡稱門機)重要的防風裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、實用性強的特點。但是也存在一些缺點，如鐵楔放置在行走輪與軌道之間，由于鐵楔與軌道之間摩擦系數(shù)有限，在動態(tài)防風時，門機晃動造成行走輪的移動會將鐵楔推出；靜態(tài)防風時，如遇到大潮，涌浪上岸后會將鐵楔橫向沖出軌道，造成防風失效，形成安全隱患。為提升鐵楔可靠性對其進行改進，如通過強磁鐵將鐵楔裝置吸附于車輪上，由于高強磁鐵的磁力作用及與軌輪接觸面較好，使之很牢固地與軌道接合，不會因軌輪前后擺動而脫楔，起到鐵楔的作用[1]，但實際應(yīng)用并不廣泛。

通過分析鐵楔的受力特點，創(chuàng)新設(shè)計了一種新型的自鎖式防風鐵楔裝置，通過2個鐵楔對頭放置，在中間加彈簧連桿裝置，實現(xiàn)自鎖，克服鐵楔易被移位的缺點，操作方便，實用性強。

2 鐵楔受力分析

2.1 鐵楔的抗滑動能力分析

鐵楔、車輪和軌道之間的受力狀態(tài)屬于接觸問題，接觸問題是一種高度非線性問題，可以在有限元分析軟件中，通過罰函數(shù)法，或者增強的拉格朗日乘子法求解，其過程需要較大的計算資源，故在此僅進行簡單定性分析。

對于普通鋼板制成鐵楔，如果底部并不采用特殊材料，其摩擦系數(shù)f≈0.15，其摩擦自鎖角φ≈8.5°；如果表面沾水或者結(jié)冰，摩擦系數(shù)減小，相應(yīng)自鎖角也變小。對于車輪與鐵楔之間的接觸，接觸點的力垂直于公共點的切線，即由輪心指向接觸點。為了達到自鎖角度，要保證接觸點盡量往輪底深入，鐵楔前端一定是尖長的結(jié)構(gòu)，這樣才能保證車輪能夠壓住鐵楔，否則鐵楔可能會彈出(見圖1)。

圖1 鐵楔受力點分析

2.2 鐵楔的強度校核

鐵楔在車輪壓力下的受力，可以通過有限元等方法進行模擬仿真，如文獻[2]中對鐵楔結(jié)構(gòu)建立了有限元模型，進行強度校核與分析，滿足強度要求。此鐵楔是一個實心結(jié)構(gòu)，而大多數(shù)加工鐵楔為鋼板焊接制成，需進行剛度分析。假設(shè)鐵楔與車輪均勻接觸，全部輪壓都施加在鐵楔面上時，獲取此面上節(jié)點數(shù)量，再將輪壓均勻施加在每個節(jié)點。

求解后，可得最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)部2道筋板處，最大值為194 MPa，符合要求(見圖2)。如果需要加強抗沖擊能力，可以將鋼板加厚或者內(nèi)部多加筋板。

圖2 鐵楔有限元模型分析應(yīng)力云圖

3 自鎖鐵楔設(shè)計

針對分析的鐵楔受力特點，結(jié)合門機使用工況，設(shè)計新式的自鎖式防風鐵楔裝置。

3.1 彈性自鎖設(shè)計

經(jīng)過分析，在純滾動情況下，為了壓住鐵楔，鐵楔頭部要尖長，而在實際作業(yè)中輪子會來回對鐵楔進行沖擊，浪涌時從側(cè)面將鐵楔沖歪，都會導(dǎo)致鐵楔失效。為了保證鐵楔的放置有效，牢固可靠，設(shè)計2個鐵楔同時放到相鄰2個行走輪之間，2鐵楔中間采用彈簧裝置使其往2邊車輪壓緊(見圖3)。

圖3 自鎖鐵楔原理圖

靜態(tài)防風時，鐵楔在彈簧力作用下壓緊車輪，不容易被水沖走，且在門機晃動鐵楔發(fā)生位移后，能在彈簧力作用下重新恢復(fù)到壓緊狀態(tài)，確保長期有效。動態(tài)防風時，采用多個此類鐵楔壓緊行走輪，可以大大減少門機作業(yè)時左右晃動，減少對行走機構(gòu)傳動齒輪、減速箱的沖擊，間接減少行走減速箱油封滲油等現(xiàn)象。

3.2 杠桿操縱機構(gòu)

為了實現(xiàn)方便安裝，采用杠桿原理，設(shè)計連桿和轉(zhuǎn)動滑塊機構(gòu)，用較小的人力推動較硬的彈簧，可較方便地把彈簧壓緊。具體結(jié)構(gòu)與操作方式見圖4。通過仿真分析，省力機構(gòu)在操作過程中，用20 N的按壓力能夠?qū)崿F(xiàn)100 N的雙向鎖緊推力。通過螺母可調(diào)節(jié)彈簧的壓縮行程，對鐵楔的鎖緊力進行調(diào)整。

圖4 自鎖鐵楔操作示意圖

3.3 制動力粗算

以40 t門機為例，整機重量560 t，平均輪壓為175 kN，取摩擦系數(shù)為0.15[3]，則單只鐵楔產(chǎn)生的最大制動力為26 250 N,制動效果相當可觀。

4 結(jié)語

通過分析鐵楔受力和實際使用工況，創(chuàng)新采用前后2個鐵楔中間加彈簧的方法，實現(xiàn)了鐵楔的鎖緊安裝，牢固可靠，滑塊連桿機構(gòu)保證了機構(gòu)的操作相對輕便。在實際使用中，該裝置效果可靠，通過更改尺寸結(jié)構(gòu)，該裝置也可以適用于其他型號門座起重機和其他軌道行走設(shè)備的應(yīng)急防風。