起重机啃轨因素分析

1起重机啃轨因素分析马延慕（青州三盛起重机械有限公司）提要：依靠多年来对起重机啃轨比较关注并有比较深刻的理解，给起重机啃轨下了可以量化的定义是此文的亮点，另外对起重机运行的有关技术指标逐项描述了对啃轨的影响程度，同时指出了理解和处理起重机啃轨的一些误区并提供了极有参考价值的数据，其中有不少独到观点。这对于起重机制造商的操作者、检验人员、售后服务和维修人员、设计和工艺人员以及管理者，使用单位的设备管理部门和有关人员了解啃轨和防止啃轨、正确判断啃轨和处理啃轨都具有一定的参考和使用价值。关键词：起重机啃轨的定义原理因素分析桥式、门式、门座、电动单梁等轨行式起重机（以下简称起重机）啃轨是国内乃至国际起重机行业长期存在难以解决的技术难题也是使用厂家常见的头痛问题，在起重机运行机构工作级别达到M5以上的使用场合如冶金行业的生产车间、码头和物流的装卸货场等，因起重机载荷状态、载荷谱系数和利用率较高，啃轨现象尤为突出。如果再加上运行距离较长，各种不利因素叠加在一起时啃轨现象会更加严重。一台啃轨严重的起重机需要经常进行维修或更换车轮或车轮组及轨道，更换车轮组时，因部件的互换性差，减速器、电机、制动器的安装精度及它们之间的联轴器的精度会遭到破坏，继而就是这些部件的寿命降低。长时间啃轨还会使承轨梁甚至厂房结构造成损害，最严重的起重机啃轨时车轮的使用寿命只有一周（按每天工作24h制×7天=168h）；按工作级别M5计算只有设计寿命的7.6%；为处理这些问题的停产维修和停工待修所付出的人力、物力、财力是非常惊人的，对企业的生产和经济效益带来很大影响。上世纪90年代俄罗斯有人对此有过统计：“桥式、门式起重机在整个使用期间所需维修费超过其制造成本4—9倍，起重机车轮的寿命低是维修费用高的主要原因之一。有12%起重机故障停工与车轮损坏有关。车轮更换和修理费佔起重机全部修理费用的15—17%”。国内现状恐怕要严重得多，经常看到的是：由于受专业技术限制和重视程度不够，对啃轨的定义、原理及因素搞不清楚，造成产品使用之前就存在啃轨因素，高空作业的轨道安装质量往往得不到有效控制，发生肯轨后经常是供需双方扯皮，再就是处理方法不当造成维修效果不理想，相当多的情况是即便更换了车轮组，车轮的寿命也很短暂；甚至还出现越修车轮寿命越低的结局。因此，明确起重机啃轨的定义、原理、因素对于了解啃轨和防止啃轨、正确判断啃轨和处理啃轨具有重要意义。一、起重机啃轨的定义。啃轨也称咬轨，是起重机运行时车轮轮缘与轨道产生严重摩擦的统称、简称。因为起重机运行时车轮轮缘与轨道接触几乎是不可避免的；而严重摩擦是非可量化的词，因此在判断起重机是否啃轨时经常有争议，所以必须要有一个比较明确的定义。GB／T3811起重机设计规范规定起重机运行（除有特别说明起重机运行指大车运行，下同）时的侧向载荷应不大于总运行载荷的25%；这个数据可以作为参考值；另外，参考运行机构的工作级别规定的寿命也可以作为判断起重机是否啃轨；如运行机构的工作级别为M5,那么设计寿命应大于3200h，当车轮轮缘与轨道产生严重摩擦，寿命低于这个数据时可以认为是啃轨。结合这两个数据再结合使用现场实际发生的现象给啃轨下定义应为：由于起重机两端的侧向力不一致引起的两端不同步造成的车轮轮缘与轨道产生比较严重的摩擦现象，致使车轮（轮缘）的使用寿命低于标准规定或合同约定时。下列情况任意一项均属于啃轨。：1、起重机运行时可见到车轮或轨道的铁屑脱落甚至飞扬时；有块状金属脱落时属于严重啃轨。注：笔者1992年在济南某机床厂见过一台国外进口的125∕32吨桥式起重机因啃轨从车轮上脱落下的最大的块状金属尺寸是厚度2mm×宽度6mm×长度25mm；在其他企业，轮缘磨损到一定程度后大片或整圈从2车轮上脱落的也不少见。2、起重机运行时侧向力大于总运行力的25%时——当起重机运行时出现卡轨现象时说明侧向力肯定大于总运行力的25%，应视为严重啃轨。3、起重机运行时车轮踏面或轮缘与轨道撞击产生明显的撞击声或车轮轮缘挤压轨道变形、移动然后反弹产生振动时。注：在轨道接头处的缺陷、车轮踏面和轮缘以及轨道顶面有油漆、油污也能引起撞击声或剧烈震动，这些情况本文未列入啃轨。4、运行一个阶段后发现车轮轮缘磨损较快，此时应结合起重机工作级别、车轮轮缘厚度、实际使用时间并对磨损量进行测量，然后进行计算以确定是否属于啃轨。计算公式如下：理论磨损量M=T×0.5÷S×S1式中理论磨损量M=按公式计算出的磨损量(mm)。T=车轮轮缘磨损之前的厚度(mm)，0.5为车轮轮缘厚度的的50%(通常规定车轮轮缘磨损量达到此值时应报废)。S=车轮理论寿命（h）。（该数据按运行机构的工作级别以GB／T3811—2008《起重机设计规范》中规定的理论寿命为准）。车轮理论寿命可由供需双方在合同中约定。S1=运行机构实际运行时间（h）。如车轮轮缘磨损之前的厚度25mm，工作级别M5理论寿命是3200h，实际运行时间256h，则轮缘理论磨损量M=（25×0.5）÷3200×256=1mm当实际磨损量≤1mm属于不啃轨，当实际磨损量＞1mm则属于啃轨。注：实际磨损量(mm)=车轮轮缘磨损之前的厚度－车轮轮缘磨损之后的厚度。5、车轮轮缘受挤压变形致使车轮端面呈凹状时。6、车轮爬轨和脱轨属于严重啃轨。二、起重机啃轨的原理及因素。众所周知起重机运行是没有方向盘的，它只能沿车轮实际轴线的垂直方向在轨道上运行，因此啃轨也必须从运行机构的因素和轨道因素这两个方面来进行分析。讲到起重机啃轨原理，首先应当明确：两主动轮在同一轴线的四车轮两驱动的运行机构，当起重机向主动方向运行时，两个主动轮的几何精度（含车轮直径、车轮水平偏斜、车轮垂直倾斜度等，下同）起导向和主要作用；两个被动轮的几何精度对运行情况几乎无影响；而当起重机向被动方向运行时，两个被动轮的几何精度起导向和主要作用；两个主动轮的几何精度对运行情况几乎无影响。八个或更多车轮的运行机构也都是运行方向最前方的同轴线的一对车轮起导向和主要作用。认为；“被动轮是从动轮，其几何精度对起重机运行精度没有或影响不大”其实是个误区。起重机运行机构的侧向力过大且左右两端侧向力不一致、只要是两端侧向力不一致，就必然跑偏，随着运行距离的增加阻力会越来越大，当阻力大于材料（车轮或轨道）的屈服极限时就发生啃轨现象，这是所有起重机啃轨的最主要的原因；也是起重机啃轨的最重要的原理。啃轨必须有几个条件：一是侧向力过大二是两端侧向力不一致。侧向力大但两端侧向力一致时不会发生啃轨；两端侧向力不一致但是侧向力不大时也不会啃轨；三是与运行距离有关，运行距离越长啃轨概率越高，一般认为单方向运行距离100m以上即使侧向力较小啃轨也是难以避免的。只有在起重机制造和轨道安装的主要指标的偏差都接近理想值时起重机运行才会出现所有车轮轮缘都与轨道侧面都不产生摩擦的理想状态。但由于起重机制造和轨道安装的的累计和系统误差实际上是难以达到的，所以起重机运行时车轮轮缘与轨道侧面接触和产生轻度摩擦是难以避免的正常现象。同样的装配精度下，分别驱动的运行机构要比集中驱动的运行情况要好一些，这是因为分别驱动的两台电机是异步电机，在一端阻力较大时电机转速降低，另一端则保持同步转速，电机的这个特性使分别驱动的运行机构相对来讲不容易发生啃轨现象。3排除轨道的因素，运行机构方面能引起侧向力过大且左右两端侧向力不一致的因素有以下几个：1、车轮的水平偏斜（标准名称：车轮在水平投影面内车轮轴中心线倾斜度）偏差。这是一个决定起重机运行方向的最敏感、最重要的指标。当同一轴线上的两个车轮的水平偏斜产生相对偏差时就发生两端侧向力不一致而引起跑偏，运行距离较长时则发生啃轨。当同一轴线上的两个车轮的水平偏斜方向一致时则必然加剧跑偏，运行距离较长时则发生比较严重的啃轨。同理，当同一轴线上的两个车轮的水平偏斜方向相反且数据接近时则不跑偏或只是轻微跑偏，一般不会产生啃轨现象。之所以讲最敏感是因为这个指标稍有变动就能引起运行方向的变化，车轮的其它缺陷（车轮的直径偏差、车轮垂直倾斜度偏差）和轨道一些缺陷能通过调整这个指标得到解决。同一轴线上的两个车轮的水平偏斜的相对偏差值与起重机运行的跑偏量是直线关系，通过同一轴线上的两个车轮的水平偏斜的相对偏差值可准确计算出起重机运行的跑偏量。例如相对偏差值=E1（测量长度）／1000，即每m的相对偏差值1mm,起重机运行的跑偏量就是每m=1mm。根据这个原理，只要测量出每m的起重机运行的跑偏量就可以精确得知车轮的水平偏斜的相对偏差值应当减少或增加多少，同时可以精确计算出角形轴承箱和弯板之间的调整垫片的厚度。掌握这个原理对在使用现场降低调整车轮的劳动强度、提高调整车轮的效率和尽快解决啃轨具有特殊意义。GB／T14405—2011通用桥式起重机中规定角形轴承车轮偏斜值在工作级别最高时≤E1（测量长度）／1200，按这个规定值，当E1=360mm时偏斜值≤0.3mm为合格；几十年来的标准基本上都是如此规定；一般都认为这是一个经得起验证的规定值。但事实和理论计算都证明，当起重机运行距离较长，此规定值在极限偏差时难以保证起重机正常运行。如当偏差在极限值时，一个车轮偏斜0.3mm；同轴线的另一个车轮偏斜值为零，起重机运行时每1.2m偏斜1mm，假设此时车轮轮缘与轨道侧面的单侧间隙是在最大状态30mm，那么起重机运行时车轮轮缘与轨道的间隙逐渐减少，运行25m间隙为零。继续运行车轮轮缘与轨道侧面的之间就开始接触摩擦，再继续运行车轮必然产生啃轨。这仅仅是车轮偏斜一个指标，在间隙最大值时且假设其他有关指标都是在理想状态的情况。因此，起重机运行距离较长（一次性单向运行距离超过100m或总运行距离超过25000km时，下同）时必须减小同轴线的车轮偏斜值的相对偏差，运行距离越长，车轮偏斜值的相对偏差应当越小。注：总运行距离是起重机运行速度乘运行时间的总和。2、车轮踏面直径的尺寸偏差。当同一轴线上的两个车轮直径有相对偏差时，无论是集中驱动还是分别驱动；也无论是主动轮或被动轮都必然因两个车轮的速度不一致即直径较大的一端向直径较小的一端跑偏，运行距离较长时则发生啃轨。JB／T6392—2008起重机车轮中规定车轮踏面直径的尺寸偏差不应低于GBT1801—1999中规定h9。当车轮直径800时公差值是0.2mm,（上偏差为零；下偏差－0.2）。当偏差在极限值时，一个车轮偏差-0.2mm；同轴线的另一个车轮偏差为零，起重机每运行800mm直径大的车轮超前0.2mm，运行100m直径大的车轮将超前25mm,也就是起重机的跨度方向与轨道轴线的垂直度产生了25mm的偏斜，这时车轮的基距方向与轨道轴线的平行度偏斜=跨度S（m）／25×基距（m）。以跨度22.5m、基距5m为例，基距方向与轨道轴线的平行度偏斜=4.5mm。在这个状态下继续运行啃轨的概率极高。因此，当起重机单方向运行距离较长想要彻底解决啃轨和延长车轮寿命，控制同一轴线上的起导向作用的两个车轮直径，尽量减小其相对偏差是非常必要的。经验数据见下式：Dx≤20D／L（单位mm）且最大相对偏差不得超过h9，式中Dx=同一轴线上的起导向作用的两个车轮直径的相对偏差（mm）D=车轮直径（m）L=起重机单向运行距离（m）3、车轮垂直倾斜度（标准名称：垂直平面内车轮轴中心线倾斜度公差）。当同一轴线上的两个车轮的垂直倾斜值产生相对偏差时，相当于垂直倾斜值较大的车轮直径变小，起重机运行时有向车轮垂直倾斜度较大的方向跑偏的倾向；车轮垂直倾斜度较小的一端产生的侧向力能引起跑偏。同一4轴线上的两个车轮的垂直倾斜方向不对称即一端向内倾斜另一端向外倾斜时起重机运行时则向内倾的方向跑偏；偏差较大时两个车轮产生相同方向的侧向力叠加后加剧跑偏，运行距离较长时则发生啃轨。4、车轮踏面（滚动面）的硬度偏差。当同一轴线上的两个车轮的踏面硬度存有相对偏差时，硬度高的与硬度低的磨损情况肯定不一致，这相当于车轮的直径产生了相对偏差，但是由于磨损位置不固定且不均匀，造成起重机运行状况无规律且由此发生啃轨时难以进行分析和处理。5、车轮端面和径向跳动。过大的端面