岸边集装箱起重机起升机构制动器合理安全系数选定

何强国 王宏军 何仁财

1 上海振华重工(集团)股份有限公司 2 江西省农业技术推广中心

1 引言

起升机构是岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)最主要的工作机构，包括电机、联轴器、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳缠绕系统、吊具和安全保护装置等部件，其使用效率和可靠性至关重要[1]。近年来，岸桥起升机构减速器轴承早期失效的情况时有发生。为研究轴承失效的原因，对使用中的减速箱输入轴扭矩进行现场测试。测试表明，作用于轴承的最大径向力发生在紧急制动(紧停)工况，减速器输出轴的冲击扭矩超过设计扭矩的1～2倍。

2 输出轴扭矩与轴承使用寿命分析

对近年来岸桥起升机构减速器轴承早期失效的数据分析发现，失效故障的主要类型是轴承内圈外表面的压坑、局部裂纹等疲劳失效。影响轴承使用寿命的主要因素之一是轴承的径向作用力，减速器输出轴的扭矩决定轴承径向力的大小。

通过力学分析可知,传动轴两端对轴承的径向力与它的扭矩成正比[2]，即

P=ηM/r

(1)

式中，P为轴承径向力；M为轴上的扭矩；r为齿轮节圆半径；η为系数。

轴承的使用寿命与径向力的关系为:

(2)

式中，L为设计使用寿命；n为传动轴转速；C为基本额定载荷。按线性损伤计算，径向力P作用下轴承单位时间内的损伤率为：

Fp=1/L

(3)

若在某时间段内，减速器的输出轴的冲击扭矩为κM,κ>1；其轴承的径向力为κP,则单位时间内损伤率为：

Fp1=κ3(1/L)

(4)

从上面的分析可以看出，输出轴上冲击扭矩对其轴承的损伤率以κ3倍增加。若设扭矩M作用下与低速轴相邻的齿轮轴轴承有相同的损伤率，设其速比为i,在冲击扭矩κM作用下，单位时间内的损伤率为：

Fp2=iκ3(1/L)

(5)

3 冲击扭矩现场测试与验证

3.1 现场测试结果

现对作业中的岸桥起升机构减速器低速轴的扭矩进行测试。测试主要分2种工况：一是正常作业工况；二是紧停工况。测试数据分析发现，正常作业时，低速轴上的冲击扭矩并不大，波动量在静扭矩的10%～30%范围内，基本上与设计规范的取值范围吻合。但是紧停工况下，冲击扭矩明显增加，是静扭矩的2～3倍，最大的达4倍。为获得更多的试验数据，对紧停工况细化(见表1)。

表1 紧急工况细化

为了解在不同位置的制动器作业对传动轴的冲击效应，测试中把制动分为3种情况进行：①仅有高速侧制动器闭合(HSB)；②仅有低速侧制动器闭合(LSB)；③高低速侧制动器同时闭合(HSB+LSB)。制动器组合对低速轴的冲击效应试验条件为：负载40 t(钢丝绳下),负载移动速度64 m/min，测试数据见表2。

表2 制动器冲击扭矩测试结果

经测试，高速制动器的闭合时间约为0.4 s，低速制动器的闭合时间约0.3 s，即低速轴侧制动器早于高速轴侧闭合。

3.2 计算分析验证

由于起升机构的布置为减速箱两侧对称结构，计算模型可简化为一维弹性扭振系统[2]。根据能量守恒原理，紧停工况下，系统的转动动能可转换为传动轴的扭转弹性势能，由此可计算输出轴的最大扭矩。假定低速轴侧制动器的制动力矩足够大，制动盘没有相对转动，且钢丝绳及负载的能量全部作用于卷筒上与制动力矩平衡，不增加传动轴的扭转弹性势能。

岸桥的起升机构是双输入和双输出关于减速器完全对称的结构，其简化的一维扭振系统见图1。

图1 简化模型

当起升机构负载全速下降时，若有紧停命令发出，系统断电，负载在重力作用下加速下行，直到制动器完全闭合。以高速侧为基准，对低速侧结构的转动惯性矩和扭转刚度作等效变换。通过上面建立的系统动力学模型对输出轴冲击扭矩做了理论计算，测试数据与理论数据基本吻合，数据的有效性和可靠性得到证实。

4 岸桥起升机构制动力矩安全系数设定

岸桥起升机构制动器设计力矩应以紧急制动工况作为主要工况进行计算。

起升机构的制动力矩系数K[3]，规定如下：一般起升机构(M5级以下)，K≥1.5；重要起升机构(M5以上)K≥1.75。这是K值的下限规定，但K值又不能过大，过大的制动力矩会在传动轴上产生过大的冲击扭矩，对减速器轴承造成损伤，且造成机构负载(吊具)的上下跳动。制动动力矩系数是指集中制动的状况，对于分布式布置的制动器则为其制动力矩之和。

4.1 合理的K值选定

合理的K值，应该结合起升机构制动下滑量和减速器的允许最大输出扭矩来确定。关于制动下滑量，国内外的相关设计标准中都没有明确的规定。通过探讨岸桥起升机构工作制动过程，认为安全系数KZ=2较为理想[4]。但是，在中国标准《起重机械安全规范》中对于吊钩类起重机的制动下滑量有如下规定：起重机以额定载荷及额定速度下降过程中，实施制动的下滑距离d≤V/65,V为额定下降速度。即依据设计的下降速度，制动下滑距离大约为负载在1 s时间内的下降量。

对岸桥而言，起升机构紧停工况下，分别有负载下降(90 m/min)和空载下降(180 m/min)2种设计速度。为兼顾这2种速度，建议下滑距离取d=90/60=1.5 m。应用d=1.5 m时的制动力矩安全系数，计算紧停工况下的负载下滑量，分2个时间段计算：一是断电后，制动器完全闭合前的下滑量d1；二是制动器完全闭合后，系统的转动动能及负载的下降动能和势能克服制动力矩做功的下滑量d2。

4.2 分布式制动器的安全系数分配

起升机构制动器分别安装在减速器输入轴和输出轴两侧，呈对称布置，使制动力矩均衡作用，系统平稳制动。但是，由于低速轴侧制动器的闭合时间早于高速侧，如果低速侧制动力矩过大，将使系统的机械能全部作用于低速轴上，对其造成过大的冲击扭矩，导致减速器轴承重大损伤。

综上所述，在给定紧急制动下滑量为1.5 m时，机构的总制动力矩应为静载力矩的3倍。低速轴侧的制动力矩是低速轴侧齿轮轴上最大的冲击力矩，建议低速轴的制动力矩设计为静力矩的1倍，在高速轴侧的制动力矩设计为等效静力矩的2倍。

5 结语

岸桥起升机构中制动器的选型，应将紧急制动工况作为主要计算工况。对于分布式制动器的选型，应考虑制动器的同步问题。减小输出轴冲击扭矩的措施是减小输出轴侧制动器的设计力矩。建议将起升机构紧停后的负载下滑量作为系统制动安全系数选取的指标。根据计算，减速器两侧制动力矩器安全系数的分配关系应为：高速轴侧KH=2,低速轴侧KL=1。