摘要：给出了港口起重机防风自锁夹轨器的工作原理及与自锁相关参数的关系，结合自锁夹轨器具体使用环境条件和技术条件，分析设计和使用中的问题，得出相应结论，提出了提高使用自锁夹轨器工作可靠性的建议，指导自锁夹轨器选型设计和使用维护。
关键词：港口起重机；夹轨器；可靠性；分析
1. 选型设计
港口起重机（以下简称港机）所需防风夹轨器是根据设计需要选取，能力计算是根据滑动摩擦定律，即f = N，其中，f为摩擦力（防风能力）； 为摩擦系数；N为正压力（夹持力）。起重机设计规范推荐了摩擦系数 取值，一般 =0.25，一些夹轨器制造厂商标识夹轨器能力时，只标识夹持力N，即夹紧轨道的力，不给出摩擦力（防风能力），摩擦系数港机设计人员确定。
港机工作状态防风能力为所有制动器制动能力总和。1台港机配置夹轨器的数量，除了按照港机设计防风能力选取，还要考虑夹轨器的安装和布置，如果港机需要选择安装夹轨器，一般至少2个，即每条大车轨道配置1个，由于港机大车轨道侧面与夹轨器偏心轮接触面积尺寸的限制，1个夹轨器的制动能力不能设计太大，所以，1台港机有时需要配置多个夹轨器。
2. 组成及原理
2.1 组成
图1为某个自锁夹轨器。一个自锁夹轨器一般由夹持机构、液压驱动机构、固定支承结构3部分组成。
图1 某个自锁类型夹轨器
1．液压站 2．夹持臂 3．偏心轮
4．固定支承框架 5．支承轮 6．连杆
夹持机构为1套连杆机构，由夹持臂、夹持偏心轮、连杆组成；液压驱动机构由驱动电机、阀、泵、液压缸组成，而液压缸动作只是将夹持机构提升超出大车轨道上表面，液压系统的驱动功率较小，能耗少，这也是自锁夹轨器优点；固定支承结构一般由钢结构框架构成，并与港机连接，还有一些纠偏、支承等辅助结构，不同的夹轨器设计上有所区别，但现有自锁类型夹轨器基本结构是相同的。
2.2 工作原理
自锁夹轨器锁紧过程如图2所示，图中只给出2个偏心轮和大车轨道示意图。港机沿轨道运动，夹轨器随港机一起运动，偏心轮与轨道的摩擦力使偏心轮发生旋转，2个偏心轮旋转中心的距离h不变，2个偏心轮轮廓上的点P所在半径逐渐大于基圆半径r，偏心轮轮廓上点P旋转半径的2倍和轨道宽度之和逐渐大于h，偏心轮压向轨道侧面，随着偏心轮旋转角度增大，挤压力越大，摩擦力也越大，自锁夹轨器锁紧过程的动力是由港机大车行走提供，而形成的摩擦力又阻止大车行走。
图2 自锁夹轨器原理示意图
1．偏心轮 2．轨道
A．偏心轮旋转中心 B．偏心轮轮廓中心
P．偏心轮廓上的点 e．偏心距
r．偏心轮基圆半径 R．偏心轮轮廓半径
偏心轮廓上点P的旋转半径与偏心轮基圆半径r之差 ，用下式表示为
（1）
由式（1）可知，一个自锁夹轨器偏心轮结构尺寸确定后， 为旋转角 函数， 越大， 也越大；当 =0时， =0，偏心轮处于初始位置。而设计偏心轮时，如果偏心距e取较大值，r取较小， 值随 增大较快；反之则相反。
3. 问题
3.1 设计上
（1）理论上夹轨器制动能力按照摩擦定律设计，但与实际不符。由于夹轨器偏心轮与轨道接触面积较小，而夹紧力大，偏心轮材料必须能够承受较大压力，所以，要求偏心轮材料硬度高，且不容易破碎，一般夹轨器偏心轮采用强度较高的合金钢材渗碳淬火制成，偏心轮与轨道摩擦属于钢材料之间的摩擦，而钢偏心轮与钢轨道的摩擦系数为0.1~0.15，为了能够产生较大的摩擦力，一般偏心轮都制作成锯齿形，以便使偏心轮能够嵌入轨道侧面。如果偏心轮与轨道相对滑行，则偏心轮对轨道形成了切削力，而切削力与切削面积密切相关，切削面越大，则切削力越大；反之则小。如果设计夹轨器的摩擦系数按 =0.25选取，摩擦系数在0.15~0.1范围内的摩擦力是偏心轮切削轨道产生的。一般偏心轮与轨道接触的表面制作成锯齿形状，硬度大于轨道的硬度，使偏心轮齿容易嵌入轨道表面。
（2）由于自锁夹轨器是靠偏心轮与轨道接触产生摩擦力自锁，港机行走时，偏心轮下部要超出轨道上表面，以免港机运动时，偏心轮与轨道摩擦而发生自锁，产生误动作，偏心轮的上升由夹持机构液压缸驱动完成，而夹轨器夹紧过程中，夹持机构和偏心轮靠重力自然落下，由于2个偏心轮轮廓距离比轨道宽度小一些，如果夹持机构相对轨道偏斜，偏心轮很容易落到轨道上面，夹轨器处于失效状态；如果将2个偏心轮的距离调整大于轨道踏面宽度，则偏心轮与轨道没有接触，夹轨器将不能产生自锁，夹轨器也处于失效状态。所以，夹轨器与轨道的相对位置精度要求较高。
3.2 大车轮运动跑偏对偏心轮与轨道接触面积的影响
夹轨器是随港机一起运动，港机大车行走跑偏，很容易造成夹轨器夹持机构相对轨道偏斜，如图3所示，也造成偏心轮与轨道接触面减小，虽然夹轨器设计时考虑大车行走跑偏影响，但还不能够完全消除跑偏对偏心轮与轨道接触面积减小的影响，接触面积的减小，摩擦力减小。自锁夹轨器的偏心轮轮廓为曲线，轨道侧面为平面，本身接触面积小，大车行走跑偏使偏心轮与轨道接触面积更小，有时不能产生自锁。
图3 夹持机构倾斜和轨道碾压凸起示意图
1．夹持臂 2．连杆 3．偏心轮
4．轨道 5．轨道压堆凸起
图3也给出长期被港机车轮碾压轨道断面示意图，由于轨道踏面长期被车轮碾压，踏面两侧产生塌堆现象，轨道2个侧面上部出现凸起，使轨道侧面高度方向接触长度减少70%以上，偏心轮与轨道、接触面积减少，也影响自锁夹轨器工作可靠性。
3.3 轨道与偏心轮几何尺寸对工作可靠性影响
理论上，自锁夹轨器偏心轮与轨道侧面接触是一条线，并且初始接触力作用在图4中点0位置。由于偏心轮的磨损，轨道侧面凸起，偏心轮旋转过程中，偏心轮与轨道力作用位置0可能发生移动，这时轨道对偏心轮的反作用力N将不通过旋转中心A点，其对偏心轮的力偶矩阻碍偏心轮旋转，如果偏心轮与轨道力作用点不在距离m范围，偏心轮不能旋转，即偏心轮不能依靠摩擦力自锁。图4中最大摩擦角对应轨道的距离m与摩擦系数 、旋转半径r密切相关。
图4 摩擦角与轨道几何尺寸示意图
1．偏心轮旋转后的轮廓 2．轨道侧面凸起
．偏心轮旋转角度 O．偏心轮基圆与轨道接触点
m．摩擦角对应轨道距离 N．轨道对偏心轮作用力
（1）偏心轮与轨道都是刚性材料，夹紧的偏心轮嵌入轨道深度非常浅，为了保证偏心轮与轨道接触点落在m范围内，要求 值随偏心轮旋转角度 增幅要小，否则，偏心轮与轨道接触点很容易逃出m范围，例如，某个自锁夹轨器摩擦系数 =0.12，摩擦角 =6.8 ，旋转半径r=130 mm，偏心距e=70 m，根据式（1）计算 =0.6 m，实际中，偏心轮、轨道的制造误差，轨道侧面凸起，经常大于 值，这说明了轨道与偏心轮的力作用点位置不稳定，进一步说明偏心轮锁紧状态不稳定。
（2）增加夹轨器自锁状态的稳定性，需要加大m值，使偏心轮与轨道锁紧过程的力作用点始终保持在m范围内，由于摩擦系数 的限制，只有增大旋转半径r，但考虑轨道附近空间和夹轨器的体积，旋转半径r也不可能选取太大，同时旋转半径r的取值也决定了 的数值较小，从而决定了自锁夹轨器锁紧时，抗干扰能力较差。有的自锁夹轨器偏心轮轮廓制作成锯齿状，齿与轨道接触为不连续接触过程，抗干扰性更差。新的夹轨器和新的轨道，自锁夹轨器的状态较好，随着使用工作可靠性逐渐降低。
3.4 油污及初始夹持状态对制动力的影响
夹轨器在露天环境使用，雨水、油污很容易污染偏心轮和轨道，被污染的偏心轮与轨道摩擦系数大幅降低，轨道与偏心轮的力作用点容易超出摩擦角的范围，反作用力N使夹轨器不能够产生自锁。另外，维护保养不到位，偏心轮轴润滑不良，阻力增大，阻碍偏心轮旋转，夹轨器也不容易自锁。
自锁夹轨器的夹持机构为刚性连杆机构，为了保证初始夹持力，2个偏心轮的距离比轨道的宽度小，但不能太小，否则初始夹持状态，2个连杆不能处于水平位置，由于夹持力的反作用力连杆机构发生逆转，夹轨器不能产生自锁。偏心轮、轨道磨损、轨道宽度的误差达到2~3 mm，2个偏心轮的距离初始调整范围超出轨道宽度，偏心轮与轨道没有接触，则不能产生初始夹紧力，夹轨器不能自锁。
3.5 1台港机多个自锁夹轨器的同步性
自锁夹轨器只有与轨道产生相对运动才能够产生自锁，进而产生摩擦力，安装多个自锁夹轨器的港机，当，1个自锁夹轨器产生作用时，另1个夹轨器还没有产生作用或产生的作用很小，结果各个夹轨器作用力不同步，达不到港机所需防风能力，夹轨器容易相继失效。
港机上多个自锁夹轨器制动过程本身不同步，其与大车制动器或夹轮制动器也不同步，其他制动器的夹紧过程在瞬间完成，使港机不发生运动，而自锁夹轨器需要港机移动才能够产生作用，这样也容易造成其他制动器失效。
4. 结论及措施
（1）自锁夹轨器工作原理较先进，但稳定的锁紧过程，要求条件非常高，从而也决定了维护困难，保证稳定的工作条件难于实现，同时自锁夹轨器只有港机移动才可能锁紧，与其他类型制动器夹紧状态不同步，制动装置容易先后损坏，对于新建港机，建议不配备自锁夹轨器。
（2）现有自锁夹轨器工作可靠性较差，其主要原因为不容易自锁。针对该种情况，在夹轨器初始状态，使偏心轮对轨道能够产生较大的夹持力，当港机运动时，该力能够保证夹持机构自锁，但同时设计夹轨器打开机构，保证大车行走时，夹轨器能够打开，这样夹轨器更复杂。
（3）为了保证现港机已经使用的自锁夹轨器良好的工作状态，保证偏心轮旋转灵活；经常检查夹持偏心轮或偏心块的磨损情况，并及时更换；对轨道两侧面的凸起要及时打磨，保证轨道两侧面平面精度；保证偏心轮与轨道接触部分硬度大于轨道的硬度；调整夹持偏心轮与轨道的间隙，使夹持偏心轮很好地与轨道侧面接触，保证初始预夹紧力，使机构工作时能够产生自锁。