岸邊集裝箱起重機起升機構制動器合理安全系數選定

何強國 王宏軍 何仁財

1 上海振華重工(集團)股份有限公司 2 江西省農業技術推廣中心

1 引言

起升機構是岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)最主要的工作機構，包括電機、聯軸器、制動器、減速器、卷筒、鋼絲繩纏繞系統、吊具和安全保護裝置等部件，其使用效率和可靠性至關重要[1]。近年來，岸橋起升機構減速器軸承早期失效的情況時有發生。為研究軸承失效的原因，對使用中的減速箱輸入軸扭矩進行現場測試。測試表明，作用于軸承的最大徑向力發生在緊急制動(緊停)工況，減速器輸出軸的沖擊扭矩超過設計扭矩的1～2倍。

2 輸出軸扭矩與軸承使用壽命分析

對近年來岸橋起升機構減速器軸承早期失效的數據分析發現，失效故障的主要類型是軸承內圈外表面的壓坑、局部裂紋等疲勞失效。影響軸承使用壽命的主要因素之一是軸承的徑向作用力，減速器輸出軸的扭矩決定軸承徑向力的大小。

通過力學分析可知,傳動軸兩端對軸承的徑向力與它的扭矩成正比[2]，即

P=ηM/r

(1)

式中，P為軸承徑向力；M為軸上的扭矩；r為齒輪節圓半徑；η為系數。

軸承的使用壽命與徑向力的關系為:

(2)

式中，L為設計使用壽命；n為傳動軸轉速；C為基本額定載荷。按線性損傷計算，徑向力P作用下軸承單位時間內的損傷率為：

Fp=1/L

(3)

若在某時間段內，減速器的輸出軸的沖擊扭矩為κM,κ>1；其軸承的徑向力為κP,則單位時間內損傷率為：

Fp1=κ3(1/L)

(4)

從上面的分析可以看出，輸出軸上沖擊扭矩對其軸承的損傷率以κ3倍增加。若設扭矩M作用下與低速軸相鄰的齒輪軸軸承有相同的損傷率，設其速比為i,在沖擊扭矩κM作用下，單位時間內的損傷率為：

Fp2=iκ3(1/L)

(5)

3 沖擊扭矩現場測試與驗證

3.1 現場測試結果

現對作業中的岸橋起升機構減速器低速軸的扭矩進行測試。測試主要分2種工況：一是正常作業工況；二是緊停工況。測試數據分析發現，正常作業時，低速軸上的沖擊扭矩并不大，波動量在靜扭矩的10%～30%范圍內，基本上與設計規范的取值范圍吻合。但是緊停工況下，沖擊扭矩明顯增加，是靜扭矩的2～3倍，最大的達4倍。為獲得更多的試驗數據，對緊停工況細化(見表1)。

表1 緊急工況細化

為了解在不同位置的制動器作業對傳動軸的沖擊效應，測試中把制動分為3種情況進行：①僅有高速側制動器閉合(HSB)；②僅有低速側制動器閉合(LSB)；③高低速側制動器同時閉合(HSB+LSB)。制動器組合對低速軸的沖擊效應試驗條件為：負載40 t(鋼絲繩下),負載移動速度64 m/min，測試數據見表2。

表2 制動器沖擊扭矩測試結果

經測試，高速制動器的閉合時間約為0.4 s，低速制動器的閉合時間約0.3 s，即低速軸側制動器早于高速軸側閉合。

3.2 計算分析驗證

由于起升機構的布置為減速箱兩側對稱結構，計算模型可簡化為一維彈性扭振系統[2]。根據能量守恒原理，緊停工況下，系統的轉動動能可轉換為傳動軸的扭轉彈性勢能，由此可計算輸出軸的最大扭矩。假定低速軸側制動器的制動力矩足夠大，制動盤沒有相對轉動，且鋼絲繩及負載的能量全部作用于卷筒上與制動力矩平衡，不增加傳動軸的扭轉彈性勢能。

岸橋的起升機構是雙輸入和雙輸出關于減速器完全對稱的結構，其簡化的一維扭振系統見圖1。

圖1 簡化模型

當起升機構負載全速下降時，若有緊停命令發出，系統斷電，負載在重力作用下加速下行，直到制動器完全閉合。以高速側為基準，對低速側結構的轉動慣性矩和扭轉剛度作等效變換。通過上面建立的系統動力學模型對輸出軸沖擊扭矩做了理論計算，測試數據與理論數據基本吻合，數據的有效性和可靠性得到證實。

4 岸橋起升機構制動力矩安全系數設定

岸橋起升機構制動器設計力矩應以緊急制動工況作為主要工況進行計算。

起升機構的制動力矩系數K[3]，規定如下：一般起升機構(M5級以下)，K≥1.5；重要起升機構(M5以上)K≥1.75。這是K值的下限規定，但K值又不能過大，過大的制動力矩會在傳動軸上產生過大的沖擊扭矩，對減速器軸承造成損傷，且造成機構負載(吊具)的上下跳動。制動動力矩系數是指集中制動的狀況，對于分布式布置的制動器則為其制動力矩之和。

4.1 合理的K值選定

合理的K值，應該結合起升機構制動下滑量和減速器的允許最大輸出扭矩來確定。關于制動下滑量，國內外的相關設計標準中都沒有明確的規定。通過探討岸橋起升機構工作制動過程，認為安全系數KZ=2較為理想[4]。但是，在中國標準《起重機械安全規范》中對于吊鉤類起重機的制動下滑量有如下規定：起重機以額定載荷及額定速度下降過程中，實施制動的下滑距離d≤V/65,V為額定下降速度。即依據設計的下降速度，制動下滑距離大約為負載在1 s時間內的下降量。

對岸橋而言，起升機構緊停工況下，分別有負載下降(90 m/min)和空載下降(180 m/min)2種設計速度。為兼顧這2種速度，建議下滑距離取d=90/60=1.5 m。應用d=1.5 m時的制動力矩安全系數，計算緊停工況下的負載下滑量，分2個時間段計算：一是斷電后，制動器完全閉合前的下滑量d1；二是制動器完全閉合后，系統的轉動動能及負載的下降動能和勢能克服制動力矩做功的下滑量d2。

4.2 分布式制動器的安全系數分配

起升機構制動器分別安裝在減速器輸入軸和輸出軸兩側，呈對稱布置，使制動力矩均衡作用，系統平穩制動。但是，由于低速軸側制動器的閉合時間早于高速側，如果低速側制動力矩過大，將使系統的機械能全部作用于低速軸上，對其造成過大的沖擊扭矩，導致減速器軸承重大損傷。

綜上所述，在給定緊急制動下滑量為1.5 m時，機構的總制動力矩應為靜載力矩的3倍。低速軸側的制動力矩是低速軸側齒輪軸上最大的沖擊力矩，建議低速軸的制動力矩設計為靜力矩的1倍，在高速軸側的制動力矩設計為等效靜力矩的2倍。

5 結語

岸橋起升機構中制動器的選型，應將緊急制動工況作為主要計算工況。對于分布式制動器的選型，應考慮制動器的同步問題。減小輸出軸沖擊扭矩的措施是減小輸出軸側制動器的設計力矩。建議將起升機構緊停后的負載下滑量作為系統制動安全系數選取的指標。根據計算，減速器兩側制動力矩器安全系數的分配關系應為：高速軸側KH=2,低速軸側KL=1。