大型港口起重机安全制动性能分析与控制

胡 菡 程大庆 胡志辉

1 武汉理工大学物流工程学院 2 营口港务集团有限公司

1 引言

随着我国经济的快速发展，种类繁多的大型起重机广泛应用在港口码头和各种工程建设中。由于使用工况复杂，加之一些不可抗拒和不可预料的因素，例如起升机构断轴之类的安全事故时有发生。对大型起重机械设置安全制动器是减少和避免恶性事故发生的有效措施，但安全制动器的设计要求与普通工作制动器有很大的不同，其选型计算并没有统一的标准，从而造成设计、使用甚至对事故分析的盲目性[1]。针对大型港口起重机械的使用工况和载荷特征，研究安全制动器的选型计算、性能评价和控制要求，对于确保大型港口起重机械的使用安全具有重要意义。

2 起重机制动与安全制动器

2.1 起重机的制动

制动是起重机在工作过程中频繁使用的一种操作过程，它是通过制动器摩擦副之间产生的摩擦力矩消耗起重机工作机构的动能，使之减速和停车。起重机的制动分3种情况：①支持制动，将起升物品通过制动支持在悬空状态；②减速制动，将运动的物品或运动质量通过制动进行减速；③安全制动，在起重机工作机构非正常运行时进行制动以防事故发生。支持制动和减速制动是起重机正常工作时的制动过程，也称为工作制动，通过在减速器高速轴上施加制动力矩实现[2]。安全制动是在起重机非正常工作状态，工作机构出现非正常运行(超速)情况时，自动在减速器低速轴上施加制动力矩实现制动。

2.2 起重机安全制动器

安全制动器是设置在机构传动系统低速端、并可以产生很大摩擦阻力矩而达到制动目的的一种装置。大型港口起重机安全制动器一般采用液压或电磁操作的盘式结构和轮毂带式结构。

液压钳盘作用的安全制动器在起重机卷筒上设有制动盘，通过1台或多台夹钳产生足够的制动力矩，以达到阻止卷筒旋转的目的。电磁钳盘式安全制动器通过电磁控制操作夹钳动作产生制动力矩。轮毂带式结构安全制动器在起升机构卷筒上设有制动鼓，通过收紧制动带使之在制动鼓上产生足够的摩擦力矩达到阻止卷筒旋转的目的[3]。

安全制动器采用夹钳盘式结构比较多，但是带式制动器的制动轮缘比盘式制动器的轮盘更少受锈蚀影响，作用时制动力矩比较稳定，因而经常被选用。为了避免制动盘表面生锈或受腐蚀影响制动效果，也可选用带有清洁用衬垫的钳盘式制动器。

2.3 起重机安全制动相关特征参数

2.3.1 起重机的载荷性质

起重机在工作过程中各工作机构的载荷性质有很大的不同，这些载荷性质与制动器的工作和使用密切相关。起重机各机构的载荷性质主要分为位能性载荷和平移性载荷两种。当机构支承载荷失去支持力时，被支持物品或构件将从高处向低处坠落的载荷性质称为位能性载荷，如：起升机构支承载荷、变幅机构支承载荷等。当机构支承载荷失去支持力后，被支持物品或构件将在惯性作用下作平移运动或处于静止的载荷性质称为平移性载荷，如：回转机构支承载荷、运行机构支承载荷等。起重机安全制动主要针对位能性载荷的工作机构，如起升机构、非平衡式变幅机构等。

2.3.2 起重机工作机构的惯性特征

惯性对起重机的启、制动影响极大，同时起重机各工作机构的惯性差异也很大，对此应该正确判断和认定。一般可根据不同工作机构运行驱动的相对质量大小来判断其惯量的大小，如：门座起重机的起升机构可认为是小惯量机构，变幅机构是中等惯量机构，回转和大车运行机构是大惯量机构。起重机安全制动器一般安装在机构传动系统低速端的钢丝绳卷筒上，在整过传动系统中低速端的卷筒系统质量较大，因此相对惯量也较大。

3 起重机安全制动性能分析

起重机设计规范(GB/T3811-2008)有关安全制动的描述为：在安全性要求特别高的位能性工作机构中，为防止驱动装置损坏而出现特殊的事故，在钢丝绳卷筒上装设机械式制动器作安全制动用[4]。大型港口起重机具有位能性负载的工作机构主要有起升机构、臂架非平衡式变幅机构和大梁俯仰机构等，对安全制动器的使用也有明确要求。

起重机制动性能的评价指标主要有制动时间、制动距离和制动冲击力。由卷筒钢丝绳牵引的位能性工作机构安全制动计算模型均可简化为图1所示的模型。以下就该模型下断轴和紧急停车两种状态的安全制动性能进行分析。

图1 制动计算模型图

3.1 断轴状态下的制动性能

断轴状态是指电动机或减速器的传动轴发生断裂，系统失去驱动力，物品在重力作用下从高处往下坠落，此时必须通过传动系统中的制动器将卷筒可靠制动，使物品在下坠一定距离后停止于空中，避免物品直接坠落至地面而造成损失或事故。一般传动系统的断轴和制动可分为3种形式：

(1)当电动机输出轴发生断裂或高速轴联轴器失效时，传动系统高速轴的2个制动器和低速轴的安全制动器能同时参与制动。

(2)当减速器输入轴发生断裂时，传动系统高速轴的1个制动器和低速轴的安全制动器能同时参与制动。

(3)当减速器中间轴或输出轴发生断裂时，仅有低速轴的安全制动器参与制动，高速轴的制动器将不起作用。

发生断轴系统失去驱动力后，在制动器松闸状态下，物品在自身重力的作用下开始自由滑落，并通过钢丝绳带动卷筒加速转动，当卷筒转速达到其额定转速ne一定倍数k0时，由超速检测开关触发制动器启动。制动器开始启动至投入有效制动力矩的时间为上闸时间，设为ts，制动器上闸后开始制动，经一段制动时间和制动行程后，物品停止滑落，制动过程结束。由制动计算模型可得力和力矩平衡方程为：

mg-F=maz

(1)

Fr-M=Jε

(2)

由此可得：

(3)

(4)

(5)

式中，F为钢丝绳拉力，N；az为物品加速度，m/s2；ε为卷筒角加速度，rad/s2；m为物品质量，kg；r为卷筒半径，m；J为卷筒轴上的等效转动惯量，kgm2；M为制动力矩，Nm；K为制动状态下的钢丝绳载荷增大倍数；t为运动时间，s；v1、v2为物品运动的初、末速度，m/s；s为物品的运动行程，m。

发生断轴后，物品从开始加速下滑至制动停止可分为以下3个阶段：

第一阶段，发生断轴时，系统的状态可能是无动作的静止状态，也可能是额定速度上升的运动状态。当物品在自重力作用下从静止开始自由滑落，通过钢丝绳带动卷筒加速转动，当卷筒转速达到其额定转速ne一定倍数k0时，由超速检测开关触发制动器启动，这个过程经历的时间及钢丝绳绕出卷筒的长度均比运动状态大，因此只须考虑初始状态为静止的情况。将v1=0，v2=vc，M=0代入(3)、(4)式得：

(6)

(7)

第二阶段，当卷筒转速达到其额定转速ne一定倍数k0时，安全制动器被触发启动，制动器从启动至投入有效制动力矩所经历的时间为上闸时间ts，此时认为制动器上闸前的制动力矩近似为零，也就认为在制动器上闸前物品仍处于自由滑落状态。制动器上闸时钢丝绳绕出卷筒的线速度为vcs及在上闸时间ts内钢丝绳绕出卷筒的长度为scs。将v1=vc，v2=vs，t=ts，M=0代入(6)、(7)得：

(8)

(9)

第三阶段，制动器上闸后开始起制动作用，物品作匀减速运动，从制动器上闸开始至物品停止下落经历的时间为tz，钢丝绳绕出卷筒的长度为sz。将v1=vs，v2=0，M=Msd代入(6)、(7)得：

(10)

(11)

物品从静止开始自由滑落至制动停止所经历的总时间为t=tc+ts+tz，钢丝绳绕出卷筒的长度为s=sc+ss+sz，若起吊钢丝绳的倍率为a，该时间段物品下降的总距离为：

(12)

制动过程中钢丝绳的载荷增大倍数为：

(13)

针对前述系统的3种不同断轴形式，只需改变制动力矩和系统转动惯量，便可分别计算其对应的t，s，sQ和K。

3.2 紧急停车(或突然失电)状态的制动性能

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

制动过程中的钢丝绳载荷增大倍数为：

(19)

3.3 制动器的选型和制动性能评价

安全制动器的工作目的是为了保证起重机在超速状态下能实现减速停车，避免更大事故的发生。其制动评价准则除了制动时间、制动距离外，载荷增大倍数是另一项重要指标。因此安全制动器的选型不能像工作制动器那样采用安全系数法，必须结合其对制动性能的评价而合理选择。安全制动器的选型依据物品1.5倍额定下降速度计算，一般可按以下步骤进行。

(1)计算钢丝绳卷筒外力矩。

(20)

(2)制动器选型。根据计算的M值大小，初选钳盘式或带式制动器型号，提取夹紧力F，摩擦系数μ，制动盘直径d1等参数，计算制动器的总制动力矩Mz，并使得Mz≥M。

Mz=Fμd1

(21)

若选用多台制动器，则每台制动器的力矩为：

(22)

式中，n为制动器台数。

(3)制动性能校核评价。制动器初步选型后应根据上述制动性能分析结论，按物品下降1.5倍额定速度进行制动能力校核，针对不同工况计算制动时间、制动距离和钢丝绳载荷增大倍数，据此评价其对制动安全性的综合影响。可通过调整制动器的制动力矩，确定制动性能的合理值，最终选定制动器型号。在进行制动性能评价时，应注意制动时间、制动距离与制动冲击力之间的矛盾，同时应考虑机构的惯性特征。一般制动器的总安全系数可控制在1.5～2之间，并可根据实际的制动效果进行调节。

4 起重机安全制动器的控制

起重机安全制动器能否正确动作，需要有正确的控制方法。作为大型港口起重机的位能性负载工作机构出现超速是非常危险的。因此安全制动器能否在物品下降超速时自动起作用，是确保起重机事故状态下安全的关键。

4.1 安全制动器的控制依据

安全制动器的超速控制设定一般为1.1～1.2倍额定速度，但制动器的选型计算依据为1.5倍额定速度。安全制动器选型与工作制动器不同，取制动力矩时并不是按安全系数来确定，原因是安全制动在出现事故时动作，属于状态控制，只要制动器在1.5倍额定速度状态下有足够的制动力矩使物品在移动一定的距离后停止即可。因为安全制动器上闸比较缓慢，所以被制动物品并不是绝对的安全，这与其制动时的高度位置有关。如果被制动物品位置太低，尽管安全制动器正常动作，但物品还未走完必要的行程就已经落地，也会造成一定的事故。

4.2 超速检测开关的设置

从已发生的工程事故分析可知，位能性负载工作机构发生超速主要是由电机、联轴器、高速轴制动器、减速器等失效引起。一般正常情况下控制超速是在电机轴上设置超速检测开关，但并不能完全有效控制位于低速端卷筒上的安全制动器。为了建立卷筒转速与安全制动器之间的关系，必须在低速轴上另设独立的超速检测开关，当电机、联轴器、高速轴制动器、减速器任何构件失效时，都能自动检测到卷筒超速，从而有效控制安全制动器动作。

4.3 制动器的工作方式

安全制动器的工作方式是当起重机得电以后，液压工作站或电磁阀启动，制动器打开，在起重机正常工作中，制动器处于常开状态，当发生超速或起重机停电时制动器自动上闸。工作中也可以设定当起重机超过一定时间不动作时，安全制动器自动上闸。

4.4 多台制动器作用的控制

安全制动器可以根据制动力矩的要求选用多台同时工作，采用并联控制。机构要求的总制动力矩可以平均分配给每台制动器，只考虑制动器总制动力矩的安全裕量，不考虑每台制动器的裕量。

5 结语

安全制动器的设计选型没有统一的标准，应按不同设备和相应的工作机构状态进行个性化分析设计。从以上方法在实际产品设计中的应用效果看，安全制动器运行状况良好。该选型方法仅对两种事故工况进行了安全制动性能分析计算，对于更多复杂事故工况可应用类似思路，通过编程计算进行细致、全面分析，使得安全制动器的选型更符合工程实际要求。