港口起重機(jī)械起升機(jī)構(gòu)緊停工況探討

高軍武

南京港機(jī)重工制造有限公司

1 引言

在港口起重機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，起升載荷作為一個(gè)重要的載荷，考慮到起升吊重加速上升、減速下降或下降制動(dòng)時(shí)所吊貨物的慣性力，通常在額定起重量的基礎(chǔ)上，乘以一個(gè)大于1的系數(shù)，即起升載荷動(dòng)載系數(shù)φ2，以放大后的載荷來(lái)對(duì)機(jī)構(gòu)零部件、結(jié)構(gòu)件等的強(qiáng)度等進(jìn)行校核計(jì)算。該系數(shù)根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的起升狀態(tài)級(jí)別、起升的驅(qū)動(dòng)形式，按《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算得到。

對(duì)于采用變頻控制的港口起重機(jī)械，根據(jù)長(zhǎng)期制造、使用中的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)定好的程序，可控制起升機(jī)構(gòu)加、減速時(shí)間約3 s；待起升速度降至約零速時(shí)，制動(dòng)器才開(kāi)始工作抱閘。在這種正常起升或制動(dòng)工作狀態(tài)下，按《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算所得的動(dòng)載系數(shù)，可以滿足相關(guān)零部件、結(jié)構(gòu)件校核計(jì)算的要求。

但在港口起重機(jī)械上，根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的工作特性，一般都在減速器高速軸端設(shè)置常閉式的工作制動(dòng)器；同時(shí)，為工作中的安全考慮，通常在多處安裝有緊急停止開(kāi)關(guān)，以便在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，能使各工作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)瞬時(shí)斷電、常閉制動(dòng)器立即抱閘，緊急停止各機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于正在工作中，特別是吊重正在下降中的起升機(jī)構(gòu)而言，電機(jī)突然斷電、制動(dòng)器立即抱閘的工況已不符合“穩(wěn)定起升”的特性。

而且在實(shí)際工作中，很多用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)起升制動(dòng)器制動(dòng)力矩不小于所需力矩的2倍；或起升高速軸配置雙盤(pán)式制動(dòng)器，且單個(gè)制動(dòng)器工作即可滿足起升機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。在該種配置情況下，緊停時(shí)吊重產(chǎn)生的沖擊比正常運(yùn)行大，直觀感受整機(jī)的晃動(dòng)相比正常運(yùn)行情況劇烈。針對(duì)該工況，通過(guò)門(mén)座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例，分別按用戶的較高要求，在減速器高速軸上配置盤(pán)式制動(dòng)器、輪式制動(dòng)器，計(jì)算緊急制動(dòng)時(shí)實(shí)際的起升載荷放大系數(shù)，與按穩(wěn)定起升狀態(tài)計(jì)算所得的起升動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)緊停工況進(jìn)行探討。

2 起升機(jī)構(gòu)參數(shù)及動(dòng)載系數(shù)

按實(shí)際要求，選擇一套多用途門(mén)座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，利用吊鉤或抓斗作業(yè)，驅(qū)動(dòng)裝置為變頻電機(jī)，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多用途門(mén)座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

起升機(jī)構(gòu)采用變頻控制，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，起升動(dòng)載系數(shù)按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

φ2=φ2 min+β2vq

(1)

式中，φ2為起升動(dòng)載系數(shù)；φ2 min為與起升狀態(tài)級(jí)別相對(duì)應(yīng)的起升動(dòng)載系數(shù)最小值；β2為按起升狀態(tài)級(jí)別設(shè)定的系數(shù)；vq為穩(wěn)定起升速度[1]。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)表格，起升狀態(tài)級(jí)別取HC3，起升驅(qū)動(dòng)形式H4，則計(jì)算所得的動(dòng)載系數(shù)為1.36，此值即為進(jìn)行相關(guān)零部件、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)的載荷放大系數(shù)。

3 機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)間及載荷放大系數(shù)對(duì)比

3.1 起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

所選實(shí)例的起升機(jī)構(gòu)采用雙卷?yè)P(yáng)設(shè)計(jì)，單個(gè)卷筒上承受吊重Q為20 t。起升機(jī)構(gòu)部件具體型號(hào)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：電機(jī)型號(hào)為YZP2355L-6，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=8.2 kgm2；減速器型號(hào)為X3FS270-63，對(duì)高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=0.237 8 kgm2，傳動(dòng)比i=65.96；高速聯(lián)軸器型號(hào)MLS11,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J3=0.963 kgm2；卷筒聯(lián)軸器型號(hào)DC08A，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J4=30.6 kgm2；制動(dòng)器型號(hào)YP2-Ed1250/60-630×30，單個(gè)制動(dòng)器最大制動(dòng)力矩T=4 000 Nm，每套卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)配置2臺(tái)制動(dòng)器。

通過(guò)三維軟件對(duì)其余旋轉(zhuǎn)零部件如卷筒、制動(dòng)盤(pán)總成等精確建模，獲得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

制動(dòng)盤(pán)總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J5=3.3 kgm2。

起升卷筒總成，卷繞直徑D=1 m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J6=930.8 kgm2。

考慮滿載下降工況，吊重折算至電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為[2]：

(2)

卷筒及卷筒聯(lián)軸器折算至電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

(3)

3.2 雙盤(pán)式制動(dòng)器工況放大系數(shù)計(jì)算

制動(dòng)器從施加制動(dòng)力開(kāi)始到實(shí)際設(shè)置的最大制動(dòng)力，所需時(shí)間為毫秒級(jí)，在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中占比極小，因此在下面對(duì)比計(jì)算時(shí)不考慮該過(guò)程的影響。

按單臺(tái)制動(dòng)器制動(dòng)力矩能夠滿足起升機(jī)構(gòu)帶負(fù)載時(shí)的制動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間為3 s的要求，該起升機(jī)構(gòu)滿載制動(dòng)所需制動(dòng)力矩計(jì)算公式為：

(4)

式中，Mz為制動(dòng)器的計(jì)算制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Nm；n′為滿載下降且制動(dòng)器投入有效制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，取1 155 r/min；η為吊重重力轉(zhuǎn)化至電機(jī)軸扭矩的總效率，取0.85；η′為物品下降時(shí)起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的總效率，取0.85；9.55為轉(zhuǎn)速單位由r/min轉(zhuǎn)換為rad/s時(shí)的簡(jiǎn)化參數(shù)，9.55=60/2π。

計(jì)算得單個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩需1 823 Nm。按用戶要求每套卷?yè)P(yáng)機(jī)配置2套制動(dòng)器時(shí)，實(shí)際總制動(dòng)力矩達(dá)到3 646 Nm。

在緊停工況下，實(shí)際的制動(dòng)時(shí)間為：

(5)

此時(shí)，等效總載荷為：

(6)

式中，m為額定載荷；a為制動(dòng)加速度；v為額定起升速度，則載荷放大系數(shù)為：

(7)

可見(jiàn)在配置盤(pán)式制動(dòng)器的情況下，即使制動(dòng)力矩設(shè)置為實(shí)際所需的2倍，緊停時(shí)吊重產(chǎn)生的沖擊系數(shù)也小于按《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)公式計(jì)算所得的動(dòng)載系數(shù)。

3.3 單輪式制動(dòng)器工況放大系數(shù)計(jì)算

若起升機(jī)構(gòu)配置單輪式制動(dòng)器，可選擇制動(dòng)器YWZ5-600/300，制動(dòng)力矩3 550～7 100 Nm。

起升制動(dòng)輪總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J9=11 kgm2。

按單個(gè)制動(dòng)器單獨(dú)作用，制動(dòng)時(shí)間為3 s，計(jì)算所需制動(dòng)力矩為：

=2 134 Nm

(8)

若按部分用戶所要求的制動(dòng)力矩不小于實(shí)際所需的2倍，則實(shí)際設(shè)定制動(dòng)力矩值需約4 268 Nm。

在緊停工況下，實(shí)際的制動(dòng)時(shí)間為：

(9)

此時(shí)，等效總載荷為：

Q′=mg+ma=430 314 N

(10)

其載荷放大系數(shù)為：

(11)

3.4 兩種制動(dòng)器計(jì)算結(jié)果對(duì)比

起升機(jī)構(gòu)在配置不同形式制動(dòng)器的情況下，“緊?！惫r時(shí)的實(shí)際制動(dòng)時(shí)間、載荷放大系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)間、載荷放大系數(shù)表

4 結(jié)語(yǔ)

由以上實(shí)例的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，在“緊停”這一港口起重機(jī)械正常使用中可能遇到的最極限情況下，按實(shí)際制動(dòng)力矩、滿負(fù)荷下降時(shí)計(jì)算所得的載荷放大系數(shù)，依然小于按GB/T3811-2008《起重設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算所得的起升動(dòng)載系數(shù)。故采用規(guī)范計(jì)算所得起升動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行零部件、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的校核計(jì)算，能滿足最極限工況，是偏于安全的。