岸边集装箱起重机紧停工况分析

岸边集装箱起重机紧停工况分析

董庆龙

上海振华重工（集团）股份有限公司长兴分公司 上海市崇明区201913

摘要：本文针对岸边集装箱起重机作业中在载荷起升、下降时所出现的紧停工况进行分析，探究在不同状况下载荷速度及钢丝绳拉力的变化，以及在载荷上升及下降紧停工况时的最大钢丝绳力。另外针对高、低速制动器在紧停制动过程中对机构的影响，并提出解决紧停时卷筒松绳情况的完善建议。

关键词：岸边集装箱起重机；紧停工况；钢丝绳力；荷载

   作为岸边集装箱起重机运行中偶尔出现的工况，紧停工况是因为设备在运行过程中电控系统故障或在紧急情况下启动紧停功能，从而导致岸边集装箱起重机停止运行。随着起重机设备的创新升级，目前其载荷量及制动器制动性能也得到了显著的提升，这同时也导致起重设备在紧停时的冲击荷载增加，因此必须要针对岸边集装箱起重机紧停工况时的冲击载荷与制动冲击进行分析[1]。

一、紧停情况探究

岸边集装箱起重机在电控系统故障或其它危急情况下开启急停功能时，其设备制动器制动，且驱动断电，在这一瞬间起重机载荷会出现上升或降低。在这两种状况下，岸边集装箱起重机的载荷速度、钢丝绳受力及制动力矩都会对减速箱造成不同程度的冲击。

（一）全速下降过程中的紧停

载荷将在额定转速V的降低过程中,启动岸边集装箱起重机的紧停系统,在制动器停止之前，载荷也将在重力加持下逐渐提高向下运动的速率,直至将制动力矩直接施加于制动盘上。当制动器作用后,机构在高速制动系统与低速制动器系统的联合作用下,向下运动的速度就会在短时间内迅速下降。但是,由于载荷之间是以钢丝绳长度和卷筒高度进行连接的,使得制动力无法直接使用到载荷上,因此造成了载荷的向下运动速率明显超过由于卷筒转动而形成的速度,从而导致了钢丝绳受力迅速拉长,绳力也明显上升,形成向上运动的加速度,并降低载荷速度[2]。这个状态将会维持到载荷完全静止,而钢丝绳牵引力也将在此刻最大化。从启动紧停功能到制动产生效果前的这一时间里,因钢丝绳力只会产生对驱动机构的加速度,因此使得钢丝绳压力会产生较小范围的降低。当制动产生效果之后,又因机构速度降低,因此增加了钢丝绳力直到载荷终止,使得钢丝绳的压力最大化，在这之前,机构就开始静止,而荷载也开始自由振动直至终止。

（二）全速上升时的紧停

在载荷以额定速率V上升过程中，开启岸边集装箱起重机紧停功能，在制动器开始作用前，载荷与机构会在惯性的影响下仍保持V速率上升[3]。当制动系统产生作用力时,机构会在制动力矩的影响下快速减小速度,而机构载荷却仍会在惯性的影响下不断增加,从而在机构自重和钢丝绳力的加持下进行减速。而在制动的过程中,机构载荷会逐渐升至顶峰,但速度仍为零,而钢丝绳压力则会慢慢下降至零。随着负载降低,降落在制动器开始作用的地点,此刻的载荷速率为V，当载荷重新到达开始制动的地点时,钢丝绳压力会小于额定载荷[4]。由于载荷同时被动能影响继续下降,因此速率为零,此时的钢丝绳力最大化，因此载荷在开始紧停功能后的额定转速为V至零点,当重新降低至零点并上升到V时,整个过程大约有零点六秒的时间,而机构制动时间则是零点四秒。当载荷重新下降到原点前,机构就开始被制动,此后载荷会一直保持震动进行运动直到动作终止，在这整个过程中,制动器只需要对驱动机构实施作用,而载荷和吊载系统之间所形成的钢丝绳作用力就会产生制动效果,而这个制动是可以忽略的。在将载荷降低至原点之后,机构就开始被制动,由于载荷作用力所产生的扭矩要远远低于制动力矩,所以并没有对机构产生影响,而只会对卷筒、构件等产生一定的影响,而这个冲击影响会大大低于由于启动机构紧停功能所形成的冲击力。

二、岸边集装箱起重机紧停工况时的影响

（一）高速制动器的影响

因为高速制动器的制动力矩会直接施加在高速联轴器制动盘之上，并利用高速联轴器进一步制动对电机及减速箱等进行制动。因为电机联轴器的转动惯量是起升机构总体转动惯量的七成，而减速箱部分的转动惯量不足整体转动量的三成。所以在制动过程中，大量的制动力矩是用来针对高速联轴器及电机进行制动的，而作用到减速箱部分的制动力矩较少[5]。因此高速制动器制动力矩对于减速箱的影响较小，只要是对高速联轴器进行影响，尤其是制动盘的连接，其承受了全部的制动力矩与冲击，但若是要联通载荷的影响共同考虑，则减速箱部分所承受的制动力矩会更大一些。

（二）低速制动器的制动影响

低速制动器主要是针对卷筒制动盘进行的，利用制动卷头从而将制动力矩经过卷筒、低速联轴器传递到减速箱之上[6]。低速制动器在制动过程中，制动力矩会被直接施加在卷筒制动盘之上，这也相当于是增加了吊具下载荷的重量，使得减速箱传递载荷短时间内迅速提升。根据通常情况来说，低速制动器的制动力矩一般是额载力矩的一点五倍以上，其范围在一点六至二点零之间。在载荷全速上升的过程中，减速箱所传递的扭矩会达到额定载荷的二点六至三点零倍，若是考虑到一定程度的冲击影响，减速箱上的传递力矩会高达额定载荷的三倍以上，若荷载是瞬时载荷的情况下，伴随着载荷在惯性作用下的提升，外载所传递到减速箱上的力矩会短时间内降低，直至外载传递到卷筒上的载荷为零，此刻，只有低速制动器制动力矩还对卷筒进行作用，大约在一点六至二点零倍的额载的力矩值。基于此，低速制动器在选择时不应选择太大的，太大的有概率造成减速箱传递超大载荷，从而缩减减速箱的整体使用周期

[7]。另外在起升下降的过程中，低速制动器的主要制动对象是卷筒，制动力矩方向同减速箱传递载荷方向相同，附加在减速箱上的载荷就越小，且对于减速箱的影响也相对较小。针对低速制动器而言，起升上升工况会对减速箱造成较大程度影响，但起升下降工况对于减速箱的影响较小，若可以仅让低速制动器在载荷下降制动过程中发生作用，也是较为合理完善的措施，但同时为了保障挂舱载荷迅速停止，又需要低速制动器在载荷上升时发生作用。

（三）紧停过程中的其他问题

紧停工况会对机构与结构造成较大程度的冲击，同时若是频繁的紧停，会直接对机构与结构的寿命造成损伤，加大其他故障的发生概率，其中最具代表的就是卷筒松绳问题。在载荷下降时紧停，因钢丝绳力迅速增加，导致钢丝绳拉长，卷筒在增加的钢丝绳力作用下进一步的压缩。在冲击载荷消失后，载荷又会被较高的钢丝绳力影响下进行向上弹跳，此时钢丝绳力快速降低，造成卷筒扩张及钢丝绳回拉，在这个过程中会导致钢丝绳回拉过渡，从而出现卷筒松绳情况[7]。载荷回落后，出绳部位几圈钢丝绳力增加，松绳圈会向夹绳板机械能移动并在此处积累，反复拍紧停会导致松绳情况恶化，因此在发现此类情况后，需要在第一时间检查钢丝绳松绳的情况，完善相关问题。

总结：岸边集装箱起重机在紧停工况中会导致钢丝绳力骤增，因此要尽可能的规避额载全速向下时的紧停。相关操作人员必须要明确紧停工况的影响及原因，切实的提升岸边集装箱起重机的运行稳定性与安全性。

参考文献：

[1]高军武.港口起重机械起升机构紧停工况探讨[J].港口装卸,2021(05):38-39+68.

[2]曹旭阳,付林生,邢烨.起升机构钢丝绳缠绕系统建模及摇摆仿真分析[J].起重运输机械,2020(18):43-48.

[3]张氢,翟金金,洪颖,秦仙蓉,孙远韬.基于高级体系结构的大型岸桥结构设计系统研究[J].中国工程机械学报,2019,17(06):529-535.DOI:10.15999/j.cnki.311926.2019.06.012.

[4]李静. 岸边集装箱桥式起重机载荷谱与剩余寿命研究[D].武汉理工大学,2014.

[5]叶勇.起重机起升制动器制动距离和时间的计算[J].起重运输机械,2012(12):19-22.

[6]叶勇.起重机起升制动器制动距离和时间的计算[J].机电信息,2012(06):128-129+131.DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2012.06.080.

[7]林立. 基于虚拟样机技术的集装箱起重机动力仿真研究[D].上海海事大学,2007.