岸边集装箱起重机轮边制动器不均匀磨损案例研究*

文茂堂 郑景星 邱康勇

深圳市质量安全检验检测研究院 深圳 518019

0 引言

岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）是集装箱码头的重要装卸设备，处于沿海露天环境下，作业时容易受到突发阵风的不利影响。为防范阵风灾害，起重机械安全技术规范要求岸桥必须配备抗风防滑装置。液压轮边制动器是岸桥防风装置的常见形式，一般安装在大车从动轮上，通过弹簧夹紧力作用于车轮两侧，使车轮与轨道的滚动摩擦变为滑动摩擦，具有动、静态制动作用[1]。为确保制动力矩满足需求，制动器应具有制动瓦随位功能，以保证闸瓦上的摩擦片开闸时与制动轮（盘）自动跟随，抱闸时摩擦片与轮盘均匀接触、贴合。制动器还应具有制动瓦退距均等功能，保证制动器在正常释放状态下两侧制动瓦退距基本相等，制动瓦上摩擦片任何部位不应浮贴在制动轮（盘）上[2]。TSG Q7015—2016《起重机械定期检验规则》明确要求：制动器打开时制动轮与摩擦片无摩擦现象，制动器闭合时制动轮与摩擦片接触均匀，无影响制动性能的缺陷和油污[3]。

变频调速技术使起重机制动器在正常作业工况下可实现零速抱闸，大大降低了制动器摩擦片的磨损。现有研究表明，制动器摩擦片的磨损与摩擦材料、接触压力、滑动速度等相关，其中接触压力分布不均是导致摩擦片产生偏磨的重要原因[4-7]。制动臂与制动闸瓦的连接销轴如出现卡滞、配合间隙过大，制动时将引起摩擦片与制动盘接触不同步，引起不均匀磨损。摩擦片磨损不均匀降低了使用寿命，同时减弱了制动性能。因此，对制动器不均匀磨损现象进行分析研究，发现问题并及时调整具有重要的现实意义。

1 轮边制动器的工作原理

图1 所示为国产某型号液压式轮边制动器，其工作原理为：开闸时，液压站得电驱动液压缸，通过压力油推动活塞杆压缩制动弹簧（弹簧在液压缸内部），进而带动制动臂内收，通过连接销铰点作用带动闸瓦垫远离制动轮，消除夹紧力；当液压站断电失去驱动力时，制动臂在制动弹簧作用下向外摆动，闸瓦垫闭合，夹紧大车车轮轮缘，制动器抱闸。

图1 液压轮边制动器结构示意图

为保证制动闸瓦随位功能，制动器对称设置随位弹簧，固定端通过螺栓固定在安装底座上面，另一端勾住闸瓦。

2 闸瓦摩擦片磨损情况

2022 年，对国内某港口一批岸桥进行定期检验时，发现轮边制动器配对的制动车轮摩擦痕迹深浅不一，且多台岸桥普遍存在同一现象。操作大车运行机构未发现跑偏，随后对轮边制动器进行动作试验，开闸时可见两侧制动器退距基本相等，未发现摩擦片浮贴在制动轮上的情形。抱闸时观察一侧制动瓦，可见靠近车轮外缘的摩擦片首先接触制动轮，另一侧同样如此。车轮制动摩擦痕迹和闸瓦摩擦片磨损痕迹如图2 所示。由此判定轮边制动器的摩擦片存在不均匀磨损现象。

图2 磨损痕迹

进一步观察制动器零部件中，用于调节闸瓦随位功能的弹簧处于断裂失效状态，如图3 所示。被检岸桥设备自2007 年开始投入使用，维护保养过程中轮边制动器零部件未曾更换，使用单位在维修保养时发现弹簧断裂后，采用焊接螺栓方式替代弹簧。

图3 随位弹簧断裂失效

3 摩擦片磨损不均原因分析

3.1 闸瓦摩擦片磨损厚度测量

轮边制动器闸瓦摩擦片为粉末冶金材料，经高温烧结后加工成形。摩擦片与钢背采用胶结连接，钢背上粘接3 块摩擦片，衬垫之间留出空槽，便于散热和排出磨屑，如图2b、图4 所示。为判定摩擦片磨损是否超标，比对摩擦片内外侧磨损差异，将异常磨损的制动器闸瓦进行拆解后，测量摩擦片剩余厚度。

图4 摩擦片厚度测量示意图

为便于量化比较，首先测量摩擦片初始厚度。选取同型号新出厂未使用的闸瓦垫摩擦片，使用数显游标卡尺测量摩擦片初始厚度为8.72 mm。然后测量不均匀磨损后的摩擦片厚度。将编号为1 ～6 共6 个测点标记闸瓦垫摩擦片的内侧测点，编号为7 ～12 的6 个测点标记为摩擦片外侧（靠近车轮外缘）测点。测量数据如表1 所示。

表1 轮边制动器摩擦片磨损部位测量数据

记录摩擦片内外侧测点磨损数据，分析数据可知，靠近大车轮缘外缘的6 个测点，测点7 ～测点12 平均厚度为8.13 mm，靠近轮缘内侧的6 个测点，测点1 ～测点6 平均厚度为8.46 mm。对比初始厚度，所有测点的磨损量尚未超出制造厂家的允许值（摩擦片磨损达到50%时应予更换）。摩擦片外侧平均磨损量为0.59 mm，内侧平均磨损量为0.26 mm，外侧磨损量明显大于内侧。

3.2 随位弹簧失效引发开闸时单侧退距偏差

分析轮边制动器的结构可知，制动闸瓦既可以绕连接销轴转动，也可以随制动臂绕铰点转动。正常开闸时，闸瓦随制动臂绕铰点向远离车轮方向转动一定角度，随位弹簧拉住靠近轮缘一侧闸瓦，闸瓦在弹簧拉力作用下绕连接销轴转动，使摩擦片整体与制动盘保持对中平行状态，如图5b 所示；抱闸时，随位弹簧由开闸时的拉伸状态过渡到压缩状态，挤压靠近轮缘一侧闸瓦，使其绕连接销轴反方向转动，实现制动时整个覆面与车轮均匀贴合，如图5a 所示。因此，无论制动器处于开闸还是闭闸状态，随位弹簧都能够使闸瓦与制动盘面保持对中，处于近似平行状态，以实现整个覆面与车轮均匀贴合[8，9]。

图5 轮边制动器工作状态示意图

随位弹簧断裂后，失去调节功能，开闸时导致同侧闸瓦与车轮的间距出现偏差，造成制动退距d2＜d1。同时，闸瓦在失去弹簧约束后，因自重作用绕连接销轴转动，当靠近轮缘外侧的退距d1=0 时，闸瓦甚至会浮贴在车轮上，如图5c 所示。

3.3 制动过程摩擦片运动位置分析

制动时，闸瓦摩擦面与制动轮均匀接触，当随位弹簧断裂后，开闸时同侧闸瓦与车轮之间退距将出现偏差。闸瓦随连接销轴因重力作用偏摆，再次制动时，闸瓦的摩擦片内外侧区域与制动轮接触碰撞的时间不同，接触不同步造成摩擦制动的接触压力不同，将引起不均匀磨损。

3.3.1 不考虑实际重力作用引发的闸瓦绕连接销轴偏摆

图6a 为同侧闸瓦摩擦片A、B2 点开闸、抱闸过程中，绕制动臂铰点o转动的相对位置和相对运动，其中A点靠近车轮轮缘外侧，B点靠近轮缘内侧。制动闸瓦与制动臂的夹角为α1（可假设闸瓦连接销轴完全卡滞，实际重力作用不会引发闸瓦偏摆）。A点摩擦片在抱闸时将运动到A'点，其运动轨迹为以o为圆心，r1为半径的圆弧；B点摩擦片在抱闸时将运动到B'点，其运动轨迹为以o为圆心，r2为半径的圆弧。抱闸完全打开时，有θ1=θ2。由于A、B2 点绕制动臂铰点o转动，二者角速度w相同，根据角速度公式w=dθ/dt可知，抱闸时A点到达车轮A'点发生接触的运动时间t1，与B点到达车轮B'点的运动时间t2相等，即t1=t2，内外两侧将同时接触车轮。因此，无随位弹簧调节，不考虑实际重力作用引发闸瓦绕销轴偏摆，开闸时单侧退距出现偏差；下一次抱闸时，闸瓦沿原路径返回，不会造成接触不同步。

图6 摩擦片内外侧测点运动关系图

3.3.2 考虑实际重力作用引发的闸瓦绕连接销轴偏摆

假设偏摆后，制动闸瓦与制动臂的夹角为α2，如图6b 所示，比较可知α2＞α1，同时有θ1'＜θ2'。由于A、B2 点转动的角速度w相同，抱闸时A点到达车轮A'点发生接触的运动时间t1，与B点到达车轮B'点的运动时间t2比较，显然t1＜t2，即摩擦片外侧A点首先接触车轮。摩擦片内、外侧与制动车轮接触不同步，使得内、外侧摩擦片的摩擦接触时间和接触压力不同，进而引起摩擦片的不均匀磨损，这符合实际情形。

4 随位弹簧疲劳断裂分析

对断裂后的随位弹簧进行拆解观察，随位弹簧整体形貌如图7 所示，弹簧呈弯钩状，直径约6 mm。其中一端固定在弹簧座上，另外一端已破断成两截，弹簧座及上面2 个螺栓表面均出现不同程度的锈蚀。弹簧局部位置可见锈蚀痕迹，其他位置可见金属光泽。随位弹簧断裂位置位于弹簧座另一侧靠近圆弧处，断口附近无明显颈缩。弹簧断口起裂源区位于弹簧圆弧外侧边缘处，起裂源区形貌较为平整，断面上可见明显的圆弧贝扩纹，呈疲劳断口形貌特征。裂纹由外往内扩展，最后断裂区位于起裂源的对侧，该区域断口呈台阶状起伏不平（见图7）。整个断口上均可见明显的红棕色覆盖物，由此可推断弹簧从断裂到被发现已有一段时间。经光谱分析可知，弹簧材质为不锈钢，其化学成分分析结果符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》对12Cr17Ni7 的技术要求[10，11]。

图7 随位弹簧疲劳断裂，红色区域为疲劳源

推算轮边制动器工作循环数：岸桥设备于2007 年投入使用，假设每个工作日轮边制动器运行10 次，则随位弹簧承受拉、压交变载荷循环10 次，每年工作350 d（考虑台风季影响），至2022 年共经历总工作循环次数为5.6×104次，并未达到弹簧的设计寿命。

闸瓦连接销轴因润滑不良、磨屑、杂质污物堆积、内部锈蚀等原因出现转动不灵活甚至卡滞时，随位弹簧实际承受的拉力远超出设计工况，弹簧受力状况持续恶化，在其与闸瓦连接孔的外侧受拉区域产生疲劳源，并有外向内扩展，最终发生断裂。

综上所述，闸瓦连接销轴润滑不良导致制动器动作时，弹簧持续处于超载状态，是引发随位弹簧疲劳断裂的主要原因。

5 结语

本文对岸桥轮边制动器摩擦片不均匀磨损的检验案例进行分析，首先拆解摩擦片进行厚度测量，经过比较得知，闸瓦摩擦片磨损不均匀，外侧摩擦片磨损量明显大于内侧。通过摩擦片开闸、抱闸过程中运动位置分析得知，随位弹簧失效后，闸瓦自身重力作用引起偏摆，使得抱闸过程中摩擦片外侧首先与制动车轮接触，摩擦片与制动车轮接触不同步，使得内、外侧摩擦片的摩擦接触时间和接触压力不同，进而引起不均匀磨损。制动闸瓦的连接销轴润滑不良、运行卡滞导致随位弹簧持续超载，是引发弹簧疲劳断裂的主要原因。

轮边制动器是港口起重机械重要的安全保护装置。对其进行检查维护保养时，应对制动闸瓦随位功能和退距均等功能进行重点检查[12，13]。相关检查项目建议如下：1）观察制动器开、闭闸过程是否灵活、无卡滞，开闸时制动器两侧退距是否相等，摩擦片是否浮贴在制动轮（盘）上；如有异常，应及时调整。2）观察制动器所有摆动铰点的润滑功能是否正常，必要时定期拆解活动销轴，清理内部磨屑、杂质以使活动铰点充分润滑，保证转动灵活。3）检查发现摩擦片外缘普遍出现老化脱落、崩裂等现象时，应予更换。