胡 菡 程大慶 胡志輝

1 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 2 營口港務(wù)集團(tuán)有限公司

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，種類繁多的大型起重機(jī)廣泛應(yīng)用在港口碼頭和各種工程建設(shè)中。由于使用工況復(fù)雜，加之一些不可抗拒和不可預(yù)料的因素，例如起升機(jī)構(gòu)斷軸之類的安全事故時有發(fā)生。對大型起重機(jī)械設(shè)置安全制動器是減少和避免惡性事故發(fā)生的有效措施，但安全制動器的設(shè)計(jì)要求與普通工作制動器有很大的不同，其選型計(jì)算并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而造成設(shè)計(jì)、使用甚至對事故分析的盲目性[1]。針對大型港口起重機(jī)械的使用工況和載荷特征，研究安全制動器的選型計(jì)算、性能評價(jià)和控制要求，對于確保大型港口起重機(jī)械的使用安全具有重要意義。

2 起重機(jī)制動與安全制動器

2.1 起重機(jī)的制動

制動是起重機(jī)在工作過程中頻繁使用的一種操作過程，它是通過制動器摩擦副之間產(chǎn)生的摩擦力矩消耗起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)的動能，使之減速和停車。起重機(jī)的制動分3種情況：①支持制動，將起升物品通過制動支持在懸空狀態(tài)；②減速制動，將運(yùn)動的物品或運(yùn)動質(zhì)量通過制動進(jìn)行減速；③安全制動，在起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)非正常運(yùn)行時進(jìn)行制動以防事故發(fā)生。支持制動和減速制動是起重機(jī)正常工作時的制動過程，也稱為工作制動，通過在減速器高速軸上施加制動力矩實(shí)現(xiàn)[2]。安全制動是在起重機(jī)非正常工作狀態(tài)，工作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)非正常運(yùn)行(超速)情況時，自動在減速器低速軸上施加制動力矩實(shí)現(xiàn)制動。

2.2 起重機(jī)安全制動器

安全制動器是設(shè)置在機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)低速端、并可以產(chǎn)生很大摩擦阻力矩而達(dá)到制動目的的一種裝置。大型港口起重機(jī)安全制動器一般采用液壓或電磁操作的盤式結(jié)構(gòu)和輪轂帶式結(jié)構(gòu)。

液壓鉗盤作用的安全制動器在起重機(jī)卷筒上設(shè)有制動盤，通過1臺或多臺夾鉗產(chǎn)生足夠的制動力矩，以達(dá)到阻止卷筒旋轉(zhuǎn)的目的。電磁鉗盤式安全制動器通過電磁控制操作夾鉗動作產(chǎn)生制動力矩。輪轂帶式結(jié)構(gòu)安全制動器在起升機(jī)構(gòu)卷筒上設(shè)有制動鼓，通過收緊制動帶使之在制動鼓上產(chǎn)生足夠的摩擦力矩達(dá)到阻止卷筒旋轉(zhuǎn)的目的[3]。

安全制動器采用夾鉗盤式結(jié)構(gòu)比較多，但是帶式制動器的制動輪緣比盤式制動器的輪盤更少受銹蝕影響，作用時制動力矩比較穩(wěn)定，因而經(jīng)常被選用。為了避免制動盤表面生銹或受腐蝕影響制動效果，也可選用帶有清潔用襯墊的鉗盤式制動器。

2.3 起重機(jī)安全制動相關(guān)特征參數(shù)

2.3.1 起重機(jī)的載荷性質(zhì)

起重機(jī)在工作過程中各工作機(jī)構(gòu)的載荷性質(zhì)有很大的不同，這些載荷性質(zhì)與制動器的工作和使用密切相關(guān)。起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的載荷性質(zhì)主要分為位能性載荷和平移性載荷兩種。當(dāng)機(jī)構(gòu)支承載荷失去支持力時，被支持物品或構(gòu)件將從高處向低處墜落的載荷性質(zhì)稱為位能性載荷，如：起升機(jī)構(gòu)支承載荷、變幅機(jī)構(gòu)支承載荷等。當(dāng)機(jī)構(gòu)支承載荷失去支持力后，被支持物品或構(gòu)件將在慣性作用下作平移運(yùn)動或處于靜止的載荷性質(zhì)稱為平移性載荷，如：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支承載荷、運(yùn)行機(jī)構(gòu)支承載荷等。起重機(jī)安全制動主要針對位能性載荷的工作機(jī)構(gòu)，如起升機(jī)構(gòu)、非平衡式變幅機(jī)構(gòu)等。

2.3.2 起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)的慣性特征

慣性對起重機(jī)的啟、制動影響極大，同時起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的慣性差異也很大，對此應(yīng)該正確判斷和認(rèn)定。一般可根據(jù)不同工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行驅(qū)動的相對質(zhì)量大小來判斷其慣量的大小，如：門座起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)可認(rèn)為是小慣量機(jī)構(gòu)，變幅機(jī)構(gòu)是中等慣量機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)是大慣量機(jī)構(gòu)。起重機(jī)安全制動器一般安裝在機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)低速端的鋼絲繩卷筒上，在整過傳動系統(tǒng)中低速端的卷筒系統(tǒng)質(zhì)量較大，因此相對慣量也較大。

3 起重機(jī)安全制動性能分析

起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T3811-2008)有關(guān)安全制動的描述為：在安全性要求特別高的位能性工作機(jī)構(gòu)中，為防止驅(qū)動裝置損壞而出現(xiàn)特殊的事故，在鋼絲繩卷筒上裝設(shè)機(jī)械式制動器作安全制動用[4]。大型港口起重機(jī)具有位能性負(fù)載的工作機(jī)構(gòu)主要有起升機(jī)構(gòu)、臂架非平衡式變幅機(jī)構(gòu)和大梁俯仰機(jī)構(gòu)等，對安全制動器的使用也有明確要求。

起重機(jī)制動性能的評價(jià)指標(biāo)主要有制動時間、制動距離和制動沖擊力。由卷筒鋼絲繩牽引的位能性工作機(jī)構(gòu)安全制動計(jì)算模型均可簡化為圖1所示的模型。以下就該模型下斷軸和緊急停車兩種狀態(tài)的安全制動性能進(jìn)行分析。

圖1 制動計(jì)算模型圖

3.1 斷軸狀態(tài)下的制動性能

斷軸狀態(tài)是指電動機(jī)或減速器的傳動軸發(fā)生斷裂，系統(tǒng)失去驅(qū)動力，物品在重力作用下從高處往下墜落，此時必須通過傳動系統(tǒng)中的制動器將卷筒可靠制動，使物品在下墜一定距離后停止于空中，避免物品直接墜落至地面而造成損失或事故。一般傳動系統(tǒng)的斷軸和制動可分為3種形式：

(1)當(dāng)電動機(jī)輸出軸發(fā)生斷裂或高速軸聯(lián)軸器失效時，傳動系統(tǒng)高速軸的2個制動器和低速軸的安全制動器能同時參與制動。

(2)當(dāng)減速器輸入軸發(fā)生斷裂時，傳動系統(tǒng)高速軸的1個制動器和低速軸的安全制動器能同時參與制動。

(3)當(dāng)減速器中間軸或輸出軸發(fā)生斷裂時，僅有低速軸的安全制動器參與制動，高速軸的制動器將不起作用。

發(fā)生斷軸系統(tǒng)失去驅(qū)動力后，在制動器松閘狀態(tài)下，物品在自身重力的作用下開始自由滑落，并通過鋼絲繩帶動卷筒加速轉(zhuǎn)動，當(dāng)卷筒轉(zhuǎn)速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速ne一定倍數(shù)k0時，由超速檢測開關(guān)觸發(fā)制動器啟動。制動器開始啟動至投入有效制動力矩的時間為上閘時間，設(shè)為ts，制動器上閘后開始制動，經(jīng)一段制動時間和制動行程后，物品停止滑落，制動過程結(jié)束。由制動計(jì)算模型可得力和力矩平衡方程為：

mg-F=maz

(1)

Fr-M=Jε

(2)

由此可得：

(3)

(4)

(5)

式中，F(xiàn)為鋼絲繩拉力，N；az為物品加速度，m/s2；ε為卷筒角加速度，rad/s2；m為物品質(zhì)量，kg；r為卷筒半徑，m；J為卷筒軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；M為制動力矩，Nm；K為制動狀態(tài)下的鋼絲繩載荷增大倍數(shù)；t為運(yùn)動時間，s；v1、v2為物品運(yùn)動的初、末速度，m/s；s為物品的運(yùn)動行程，m。

發(fā)生斷軸后，物品從開始加速下滑至制動停止可分為以下3個階段：

第一階段，發(fā)生斷軸時，系統(tǒng)的狀態(tài)可能是無動作的靜止?fàn)顟B(tài)，也可能是額定速度上升的運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)物品在自重力作用下從靜止開始自由滑落，通過鋼絲繩帶動卷筒加速轉(zhuǎn)動，當(dāng)卷筒轉(zhuǎn)速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速ne一定倍數(shù)k0時，由超速檢測開關(guān)觸發(fā)制動器啟動，這個過程經(jīng)歷的時間及鋼絲繩繞出卷筒的長度均比運(yùn)動狀態(tài)大，因此只須考慮初始狀態(tài)為靜止的情況。將v1=0，v2=vc，M=0代入(3)、(4)式得：

(6)

(7)

第二階段，當(dāng)卷筒轉(zhuǎn)速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速ne一定倍數(shù)k0時，安全制動器被觸發(fā)啟動，制動器從啟動至投入有效制動力矩所經(jīng)歷的時間為上閘時間ts，此時認(rèn)為制動器上閘前的制動力矩近似為零，也就認(rèn)為在制動器上閘前物品仍處于自由滑落狀態(tài)。制動器上閘時鋼絲繩繞出卷筒的線速度為vcs及在上閘時間ts內(nèi)鋼絲繩繞出卷筒的長度為scs。將v1=vc，v2=vs，t=ts，M=0代入(6)、(7)得：

(8)

(9)

第三階段，制動器上閘后開始起制動作用，物品作勻減速運(yùn)動，從制動器上閘開始至物品停止下落經(jīng)歷的時間為tz，鋼絲繩繞出卷筒的長度為sz。將v1=vs，v2=0，M=Msd代入(6)、(7)得：

(10)

(11)

物品從靜止開始自由滑落至制動停止所經(jīng)歷的總時間為t=tc+ts+tz，鋼絲繩繞出卷筒的長度為s=sc+ss+sz，若起吊鋼絲繩的倍率為a，該時間段物品下降的總距離為：

(12)

制動過程中鋼絲繩的載荷增大倍數(shù)為：

(13)

針對前述系統(tǒng)的3種不同斷軸形式，只需改變制動力矩和系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，便可分別計(jì)算其對應(yīng)的t，s，sQ和K。

3.2 緊急停車(或突然失電)狀態(tài)的制動性能

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

制動過程中的鋼絲繩載荷增大倍數(shù)為：

(19)

3.3 制動器的選型和制動性能評價(jià)

安全制動器的工作目的是為了保證起重機(jī)在超速狀態(tài)下能實(shí)現(xiàn)減速停車，避免更大事故的發(fā)生。其制動評價(jià)準(zhǔn)則除了制動時間、制動距離外，載荷增大倍數(shù)是另一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此安全制動器的選型不能像工作制動器那樣采用安全系數(shù)法，必須結(jié)合其對制動性能的評價(jià)而合理選擇。安全制動器的選型依據(jù)物品1.5倍額定下降速度計(jì)算，一般可按以下步驟進(jìn)行。

(1)計(jì)算鋼絲繩卷筒外力矩。

(20)

(2)制動器選型。根據(jù)計(jì)算的M值大小，初選鉗盤式或帶式制動器型號，提取夾緊力F，摩擦系數(shù)μ，制動盤直徑d1等參數(shù)，計(jì)算制動器的總制動力矩Mz，并使得Mz≥M。

Mz=Fμd1

(21)

若選用多臺制動器，則每臺制動器的力矩為：

(22)

式中，n為制動器臺數(shù)。

(3)制動性能校核評價(jià)。制動器初步選型后應(yīng)根據(jù)上述制動性能分析結(jié)論，按物品下降1.5倍額定速度進(jìn)行制動能力校核，針對不同工況計(jì)算制動時間、制動距離和鋼絲繩載荷增大倍數(shù)，據(jù)此評價(jià)其對制動安全性的綜合影響?？赏ㄟ^調(diào)整制動器的制動力矩，確定制動性能的合理值，最終選定制動器型號。在進(jìn)行制動性能評價(jià)時，應(yīng)注意制動時間、制動距離與制動沖擊力之間的矛盾，同時應(yīng)考慮機(jī)構(gòu)的慣性特征。一般制動器的總安全系數(shù)可控制在1.5～2之間，并可根據(jù)實(shí)際的制動效果進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 起重機(jī)安全制動器的控制

起重機(jī)安全制動器能否正確動作，需要有正確的控制方法。作為大型港口起重機(jī)的位能性負(fù)載工作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)超速是非常危險(xiǎn)的。因此安全制動器能否在物品下降超速時自動起作用，是確保起重機(jī)事故狀態(tài)下安全的關(guān)鍵。

4.1 安全制動器的控制依據(jù)

安全制動器的超速控制設(shè)定一般為1.1～1.2倍額定速度，但制動器的選型計(jì)算依據(jù)為1.5倍額定速度。安全制動器選型與工作制動器不同，取制動力矩時并不是按安全系數(shù)來確定，原因是安全制動在出現(xiàn)事故時動作，屬于狀態(tài)控制，只要制動器在1.5倍額定速度狀態(tài)下有足夠的制動力矩使物品在移動一定的距離后停止即可。因?yàn)榘踩苿悠魃祥l比較緩慢，所以被制動物品并不是絕對的安全，這與其制動時的高度位置有關(guān)。如果被制動物品位置太低，盡管安全制動器正常動作，但物品還未走完必要的行程就已經(jīng)落地，也會造成一定的事故。

4.2 超速檢測開關(guān)的設(shè)置

從已發(fā)生的工程事故分析可知，位能性負(fù)載工作機(jī)構(gòu)發(fā)生超速主要是由電機(jī)、聯(lián)軸器、高速軸制動器、減速器等失效引起。一般正常情況下控制超速是在電機(jī)軸上設(shè)置超速檢測開關(guān)，但并不能完全有效控制位于低速端卷筒上的安全制動器。為了建立卷筒轉(zhuǎn)速與安全制動器之間的關(guān)系，必須在低速軸上另設(shè)獨(dú)立的超速檢測開關(guān)，當(dāng)電機(jī)、聯(lián)軸器、高速軸制動器、減速器任何構(gòu)件失效時，都能自動檢測到卷筒超速，從而有效控制安全制動器動作。

4.3 制動器的工作方式

安全制動器的工作方式是當(dāng)起重機(jī)得電以后，液壓工作站或電磁閥啟動，制動器打開，在起重機(jī)正常工作中，制動器處于常開狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生超速或起重機(jī)停電時制動器自動上閘。工作中也可以設(shè)定當(dāng)起重機(jī)超過一定時間不動作時，安全制動器自動上閘。

4.4 多臺制動器作用的控制

安全制動器可以根據(jù)制動力矩的要求選用多臺同時工作，采用并聯(lián)控制。機(jī)構(gòu)要求的總制動力矩可以平均分配給每臺制動器，只考慮制動器總制動力矩的安全裕量，不考慮每臺制動器的裕量。

5 結(jié)語

安全制動器的設(shè)計(jì)選型沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按不同設(shè)備和相應(yīng)的工作機(jī)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行個性化分析設(shè)計(jì)。從以上方法在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果看，安全制動器運(yùn)行狀況良好。該選型方法僅對兩種事故工況進(jìn)行了安全制動性能分析計(jì)算，對于更多復(fù)雜事故工況可應(yīng)用類似思路，通過編程計(jì)算進(jìn)行細(xì)致、全面分析，使得安全制動器的選型更符合工程實(shí)際要求。