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，起升載荷作為一個重要的載荷，考慮到起升吊重加速上升、減速下降或下降制動時所吊貨物的慣性力，通常在額定起重量的基礎(chǔ)上，乘以一個大于1的系數(shù)，即起升載荷動載系數(shù)φ2，以放大后的載荷來對機(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)級別、起升的驅(qū)動形式，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。

對于采用變頻控制的港口起重機(jī)械，根據(jù)長期制造、使用中的經(jīng)驗(yàn)，通過設(shè)定好的程序，可控制起升機(jī)構(gòu)加、減速時間約3 s；待起升速度降至約零速時，制動器才開始工作抱閘。在這種正常起升或制動工作狀態(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器；同時，為工作中的安全考慮，通常在多處安裝有緊急停止開關(guān)，以便在出現(xiàn)緊急情況時，能使各工作機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)瞬時斷電、常閉制動器立即抱閘，緊急停止各機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。對于正在工作中，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)起升制動器制動力矩不小于所需力矩的2倍；或起升高速軸配置雙盤式制動器，且單個制動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)的晃動相比正常運(yùn)行情況劇烈。針對該工況，通過門座起重機(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式制動器、輪式制動器，計(jì)算緊急制動時實(shí)際的起升載荷放大系數(shù)，與按穩(wěn)定起升狀態(tài)計(jì)算所得的起升動載系數(shù)進(jìn)行對比，對緊停工況進(jìn)行探討。

2 起升機(jī)構(gòu)參數(shù)及動載系數(shù)

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

表1 多用途門座起重機(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為起升動載系數(shù)；φ2 min為與起升狀態(tài)級別相對應(yīng)的起升動載系數(shù)最小值；β2為按起升狀態(tài)級別設(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)級別取HC3，起升驅(qū)動形式H4，則計(jì)算所得的動載系數(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)算時的載荷放大系數(shù)。

3 機(jī)構(gòu)制動時間及載荷放大系數(shù)對比

3.1 起升機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算

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

通過三維軟件對其余旋轉(zhuǎn)零部件如卷筒、制動盤總成等精確建模，獲得其轉(zhuǎn)動慣量為：

制動盤總成轉(zhuǎn)動慣量J5=3.3 kgm2。

起升卷筒總成，卷繞直徑D=1 m，轉(zhuǎn)動慣量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)動慣量為：

(3)

3.2 雙盤式制動器工況放大系數(shù)計(jì)算

制動器從施加制動力開始到實(shí)際設(shè)置的最大制動力，所需時間為毫秒級，在整個制動過程中占比極小，因此在下面對比計(jì)算時不考慮該過程的影響。

按單臺制動器制動力矩能夠滿足起升機(jī)構(gòu)帶負(fù)載時的制動、制動時間為3 s的要求，該起升機(jī)構(gòu)滿載制動所需制動力矩計(jì)算公式為：

(4)

式中，Mz為制動器的計(jì)算制動轉(zhuǎn)矩，Nm；n′為滿載下降且制動器投入有效制動轉(zhuǎn)矩時電動機(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時的簡化參數(shù)，9.55=60/2π。

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

在緊停工況下，實(shí)際的制動時間為：

(5)

此時，等效總載荷為：

(6)

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

(7)

可見在配置盤式制動器的情況下，即使制動力矩設(shè)置為實(shí)際所需的2倍，緊停時吊重產(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)算所得的動載系數(shù)。

3.3 單輪式制動器工況放大系數(shù)計(jì)算

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

起升制動輪總成轉(zhuǎn)動慣量J9=11 kgm2。

按單個制動器單獨(dú)作用，制動時間為3 s，計(jì)算所需制動力矩為：

=2 134 Nm

(8)

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

在緊停工況下，實(shí)際的制動時間為：

(9)

此時，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 兩種制動器計(jì)算結(jié)果對比

起升機(jī)構(gòu)在配置不同形式制動器的情況下，“緊?！惫r時的實(shí)際制動時間、載荷放大系數(shù)對比見表2。

表2 起升機(jī)構(gòu)制動時間、載荷放大系數(shù)表

4 結(jié)語

由以上實(shí)例的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，在“緊?！边@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)際制動力矩、滿負(fù)荷下降時計(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)算所得的起升動載系數(shù)。故采用規(guī)范計(jì)算所得起升動載系數(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。