岸邊集裝箱起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器合理安全系數(shù)選定

何強(qiáng)國(guó) 王宏軍 何仁財(cái)

1 上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 2 江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心

1 引言

起升機(jī)構(gòu)是岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋)最主要的工作機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器、卷筒、鋼絲繩纏繞系統(tǒng)、吊具和安全保護(hù)裝置等部件，其使用效率和可靠性至關(guān)重要[1]。近年來(lái)，岸橋起升機(jī)構(gòu)減速器軸承早期失效的情況時(shí)有發(fā)生。為研究軸承失效的原因，對(duì)使用中的減速箱輸入軸扭矩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試表明，作用于軸承的最大徑向力發(fā)生在緊急制動(dòng)(緊停)工況，減速器輸出軸的沖擊扭矩超過(guò)設(shè)計(jì)扭矩的1～2倍。

2 輸出軸扭矩與軸承使用壽命分析

對(duì)近年來(lái)岸橋起升機(jī)構(gòu)減速器軸承早期失效的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，失效故障的主要類(lèi)型是軸承內(nèi)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(guò)力學(xué)分析可知,傳動(dòng)軸兩端對(duì)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(jié)圓半徑；η為系數(shù)。

軸承的使用壽命與徑向力的關(guān)系為:

(2)

式中，L為設(shè)計(jì)使用壽命；n為傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速；C為基本額定載荷。按線(xiàn)性損傷計(jì)算，徑向力P作用下軸承單位時(shí)間內(nèi)的損傷率為：

Fp=1/L

(3)

若在某時(shí)間段內(nèi)，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(shí)間內(nèi)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(duì)其軸承的損傷率以κ3倍增加。若設(shè)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(shè)其速比為i,在沖擊扭矩κM作用下，單位時(shí)間內(nèi)的損傷率為：

Fp2=iκ3(1/L)

(5)

3 沖擊扭矩現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)對(duì)作業(yè)中的岸橋起升機(jī)構(gòu)減速器低速軸的扭矩進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試主要分2種工況：一是正常作業(yè)工況；二是緊停工況。測(cè)試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，正常作業(yè)時(shí)，低速軸上的沖擊扭矩并不大，波動(dòng)量在靜扭矩的10%～30%范圍內(nèi)，基本上與設(shè)計(jì)規(guī)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(dá)4倍。為獲得更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)緊停工況細(xì)化(見(jiàn)表1)。

表1 緊急工況細(xì)化

為了解在不同位置的制動(dòng)器作業(yè)對(duì)傳動(dòng)軸的沖擊效應(yīng)，測(cè)試中把制動(dòng)分為3種情況進(jìn)行：①僅有高速側(cè)制動(dòng)器閉合(HSB)；②僅有低速側(cè)制動(dòng)器閉合(LSB)；③高低速側(cè)制動(dòng)器同時(shí)閉合(HSB+LSB)。制動(dòng)器組合對(duì)低速軸的沖擊效應(yīng)試驗(yàn)條件為：負(fù)載40 t(鋼絲繩下),負(fù)載移動(dòng)速度64 m/min，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 制動(dòng)器沖擊扭矩測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，高速制動(dòng)器的閉合時(shí)間約為0.4 s，低速制動(dòng)器的閉合時(shí)間約0.3 s，即低速軸側(cè)制動(dòng)器早于高速軸側(cè)閉合。

3.2 計(jì)算分析驗(yàn)證

由于起升機(jī)構(gòu)的布置為減速箱兩側(cè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為一維彈性扭振系統(tǒng)[2]。根據(jù)能量守恒原理，緊停工況下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能可轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)彈性勢(shì)能，由此可計(jì)算輸出軸的最大扭矩。假定低速軸側(cè)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩足夠大，制動(dòng)盤(pán)沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，且鋼絲繩及負(fù)載的能量全部作用于卷筒上與制動(dòng)力矩平衡，不增加傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)彈性勢(shì)能。

岸橋的起升機(jī)構(gòu)是雙輸入和雙輸出關(guān)于減速器完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，其簡(jiǎn)化的一維扭振系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 簡(jiǎn)化模型

當(dāng)起升機(jī)構(gòu)負(fù)載全速下降時(shí)，若有緊停命令發(fā)出，系統(tǒng)斷電，負(fù)載在重力作用下加速下行，直到制動(dòng)器完全閉合。以高速側(cè)為基準(zhǔn)，對(duì)低速側(cè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩和扭轉(zhuǎn)剛度作等效變換。通過(guò)上面建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)輸出軸沖擊扭矩做了理論計(jì)算，測(cè)試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)據(jù)的有效性和可靠性得到證實(shí)。

4 岸橋起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)力矩安全系數(shù)設(shè)定

岸橋起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器設(shè)計(jì)力矩應(yīng)以緊急制動(dòng)工況作為主要工況進(jìn)行計(jì)算。

起升機(jī)構(gòu)的制動(dòng)力矩系數(shù)K[3]，規(guī)定如下：一般起升機(jī)構(gòu)(M5級(jí)以下)，K≥1.5；重要起升機(jī)構(gòu)(M5以上)K≥1.75。這是K值的下限規(guī)定，但K值又不能過(guò)大，過(guò)大的制動(dòng)力矩會(huì)在傳動(dòng)軸上產(chǎn)生過(guò)大的沖擊扭矩，對(duì)減速器軸承造成損傷，且造成機(jī)構(gòu)負(fù)載(吊具)的上下跳動(dòng)。制動(dòng)動(dòng)力矩系數(shù)是指集中制動(dòng)的狀況，對(duì)于分布式布置的制動(dòng)器則為其制動(dòng)力矩之和。

4.1 合理的K值選定

合理的K值，應(yīng)該結(jié)合起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)下滑量和減速器的允許最大輸出扭矩來(lái)確定。關(guān)于制動(dòng)下滑量，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中都沒(méi)有明確的規(guī)定。通過(guò)探討岸橋起升機(jī)構(gòu)工作制動(dòng)過(guò)程，認(rèn)為安全系數(shù)KZ=2較為理想[4]。但是，在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《起重機(jī)械安全規(guī)范》中對(duì)于吊鉤類(lèi)起重機(jī)的制動(dòng)下滑量有如下規(guī)定：起重機(jī)以額定載荷及額定速度下降過(guò)程中，實(shí)施制動(dòng)的下滑距離d≤V/65,V為額定下降速度。即依據(jù)設(shè)計(jì)的下降速度，制動(dòng)下滑距離大約為負(fù)載在1 s時(shí)間內(nèi)的下降量。

對(duì)岸橋而言，起升機(jī)構(gòu)緊停工況下，分別有負(fù)載下降(90 m/min)和空載下降(180 m/min)2種設(shè)計(jì)速度。為兼顧這2種速度，建議下滑距離取d=90/60=1.5 m。應(yīng)用d=1.5 m時(shí)的制動(dòng)力矩安全系數(shù)，計(jì)算緊停工況下的負(fù)載下滑量，分2個(gè)時(shí)間段計(jì)算：一是斷電后，制動(dòng)器完全閉合前的下滑量d1；二是制動(dòng)器完全閉合后，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能及負(fù)載的下降動(dòng)能和勢(shì)能克服制動(dòng)力矩做功的下滑量d2。

4.2 分布式制動(dòng)器的安全系數(shù)分配

起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器分別安裝在減速器輸入軸和輸出軸兩側(cè)，呈對(duì)稱(chēng)布置，使制動(dòng)力矩均衡作用，系統(tǒng)平穩(wěn)制動(dòng)。但是，由于低速軸側(cè)制動(dòng)器的閉合時(shí)間早于高速側(cè)，如果低速側(cè)制動(dòng)力矩過(guò)大，將使系統(tǒng)的機(jī)械能全部作用于低速軸上，對(duì)其造成過(guò)大的沖擊扭矩，導(dǎo)致減速器軸承重大損傷。

綜上所述，在給定緊急制動(dòng)下滑量為1.5 m時(shí)，機(jī)構(gòu)的總制動(dòng)力矩應(yīng)為靜載力矩的3倍。低速軸側(cè)的制動(dòng)力矩是低速軸側(cè)齒輪軸上最大的沖擊力矩，建議低速軸的制動(dòng)力矩設(shè)計(jì)為靜力矩的1倍，在高速軸側(cè)的制動(dòng)力矩設(shè)計(jì)為等效靜力矩的2倍。

5 結(jié)語(yǔ)

岸橋起升機(jī)構(gòu)中制動(dòng)器的選型，應(yīng)將緊急制動(dòng)工況作為主要計(jì)算工況。對(duì)于分布式制動(dòng)器的選型，應(yīng)考慮制動(dòng)器的同步問(wèn)題。減小輸出軸沖擊扭矩的措施是減小輸出軸側(cè)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)力矩。建議將起升機(jī)構(gòu)緊停后的負(fù)載下滑量作為系統(tǒng)制動(dòng)安全系數(shù)選取的指標(biāo)。根據(jù)計(jì)算，減速器兩側(cè)制動(dòng)力矩器安全系數(shù)的分配關(guān)系應(yīng)為：高速軸側(cè)KH=2,低速軸側(cè)KL=1。