張娟玲， 張晉強(qiáng)， 王 波

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

國(guó)內(nèi)某大型鋼廠140 t鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)減速器帶動(dòng)2個(gè)卷筒裝置，2臺(tái)減速器低速軸相連。4臺(tái)制動(dòng)器分別布置在2臺(tái)減速器的高速軸上。其中序號(hào)1、4制動(dòng)器為支持制動(dòng)器，序號(hào)2、3制動(dòng)器為緊急制動(dòng)器，正常工作時(shí)緊急制動(dòng)器滯后于支持制動(dòng)器動(dòng)作。此機(jī)構(gòu)采用串電阻控制，減速器內(nèi)沒有棘輪棘爪裝置，設(shè)備在使用3個(gè)月后，其中一側(cè)用于固定減速器高速端的支承將小車架上蓋板撕裂?，F(xiàn)場(chǎng)查看后發(fā)現(xiàn)，起升機(jī)構(gòu)在制動(dòng)器抱閘時(shí)，減速器的高速端存在往起調(diào)的情況，整個(gè)小車振動(dòng)明顯，制動(dòng)時(shí)的沖擊載荷非常大。

圖1 起升機(jī)構(gòu)布置形式

1 問題原因分析

此起升機(jī)構(gòu)采用串電阻控制系統(tǒng)，減速器內(nèi)沒有棘輪棘爪裝置。正常工作時(shí)，每次制動(dòng)逐步換檔，緩慢減速，低速制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)的沖擊載荷控制在傳動(dòng)系統(tǒng)可以承受的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)傳動(dòng)鏈的任何零部件造成破壞。但是在實(shí)際使用時(shí)，作為這種工作級(jí)別高，安全性要求高的設(shè)備，緊急停車或高速回零位的情況不可避免，此時(shí)制動(dòng)器在高速狀態(tài)下抱閘，2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)由不同步產(chǎn)生的沖擊載荷在傳動(dòng)鏈的薄弱環(huán)節(jié)釋放，導(dǎo)致小車架破壞。

2 計(jì)算模型建立

2.1 參數(shù)

1）額定起重量Gn=140 t，吊具自身質(zhì)量GZ=13 t，滿載時(shí)載荷（含吊鉤）折算到高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=0.487 kg·m2；空載時(shí)載荷折算到高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1′=0.041 kg·m2。

2）起升速度vn=6.05 m/min，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nm=588 r/min，工作級(jí)別 M7，機(jī)構(gòu)總效率 η=0.88。

3）滑輪組倍率q=4，鋼絲繩直徑d=28 mm，卷筒直徑D=1 200 mm，卷筒自身質(zhì)量為4 012 kg，卷筒裝置的自身質(zhì)量Gj=5 329 kg，卷筒聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為14.76 kg·m2，卷筒組折算到高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=0.143 kg·m2。

4）電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J3=19.18 kg·m2。

5）減速器的速比i=86，折算到高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J4=1.74 kg·m2。

6）高速軸上其他件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J5=45.838 kg·m2，其中制動(dòng)輪聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.89 kg·m2，制動(dòng)輪通過半聯(lián)軸器與減速器高速軸連接。制動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為8.2 kg·m2；聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.55 kg·m2；浮動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為35.198 kg·m2。

7）低速軸聯(lián)軸器折算到高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J6=0.008 kg·m2。

8）制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為3 000 N·m，采用4個(gè)同樣的制動(dòng)器，其中每套機(jī)構(gòu)中的1個(gè)制動(dòng)器為支持制動(dòng)器，1個(gè)為緊急制動(dòng)器，正常工作時(shí)緊急制動(dòng)器滯后于支持制動(dòng)器動(dòng)作，緊急情況時(shí)每套機(jī)構(gòu)的2個(gè)制動(dòng)器同時(shí)動(dòng)作，每個(gè)制動(dòng)器對(duì)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)安全系數(shù)為1.27[1]。

整個(gè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量滿載時(shí)為J＝134.297 kg·m2；空載時(shí)為 J＝133.851 kg·m2，滿載和空載時(shí) JⅡ相等，JⅡ＝66.901kg·m2。

2.2 假設(shè)條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算，正常制動(dòng)時(shí)忽略電氣制動(dòng)過程，假設(shè)從額定速度6.05 m/min（電機(jī)轉(zhuǎn)速588 r/min）直接斷電制動(dòng)器上閘，機(jī)構(gòu)停止后緊急制動(dòng)器才上閘。計(jì)算過程忽略制動(dòng)器反應(yīng)時(shí)間的影響，由于已知全部轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，不再按GB/T 3811—2008 采用系數(shù) k＝1.05～1.20。

假定機(jī)構(gòu)在制動(dòng)過程中為勻減速運(yùn)動(dòng)，并把各傳動(dòng)件都看作剛體，在正常工作時(shí)兩邊傳動(dòng)同步。一般情況我們認(rèn)為機(jī)構(gòu)具有間隙，且間隙存在于后制動(dòng)減速器的1′、2′軸之間，起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖2。將總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分為JⅠ和JⅡ兩部分。制動(dòng)過程為左側(cè)減速器已經(jīng)制動(dòng)停止，即JⅠ已經(jīng)停止，而JⅡ仍具有角速度，在齒輪嚙合作用和制動(dòng)力矩共同作用下，直至間隙消除，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)完全停止。

圖2 起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.3 制動(dòng)過程中高速軸的受力分析

減速器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，假設(shè)鋼絲繩拉力為S，左側(cè)傳動(dòng)鏈制動(dòng)停止時(shí)，右側(cè)減速器高速軸的角速度為ω，制動(dòng)過程中2′軸對(duì)高速軸（1′軸）的嚙合作用產(chǎn)生的扭矩為TM，載荷傳遞到高速軸的靜力矩為TQ，高速軸上制動(dòng)器的制動(dòng)力矩為MZ，減速器的速比為i[2]。

1）假設(shè)左側(cè)傳動(dòng)鏈先制動(dòng)停止，右側(cè)傳動(dòng)鏈在載荷下降過程中制動(dòng)，此時(shí)高速軸的受力見圖4-1。

2）假設(shè)左側(cè)傳動(dòng)鏈先制動(dòng)停止，右側(cè)傳動(dòng)鏈在載荷上升過程中制動(dòng)，此時(shí)高速軸的受力見圖4-2。

3）兩側(cè)傳動(dòng)鏈同時(shí)制動(dòng)停止，機(jī)構(gòu)之間的間隙保持在低速軸聯(lián)軸器間，兩側(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)之間沒有扭矩產(chǎn)生。

圖3 減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖4 后制動(dòng)一側(cè)高速軸受力圖

3 計(jì)算

由于兩側(cè)傳動(dòng)鏈上閘存在一定的時(shí)間差，先上閘一側(cè)傳動(dòng)鏈制動(dòng)停止時(shí)，后上閘一側(cè)傳動(dòng)鏈高速軸還有轉(zhuǎn)速，將此時(shí)高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為高速級(jí)齒輪的直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，先上閘側(cè)傳動(dòng)鏈制動(dòng)住后，后上閘一側(cè)傳動(dòng)鏈高速軸在慣性力矩、載荷重力和制動(dòng)力的共同作用下，繼續(xù)減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為0。

3.1 制動(dòng)時(shí)高速軸嚙合作用時(shí)間的計(jì)算

假定整個(gè)制動(dòng)過程為勻減速過程，為了定量分析兩側(cè)傳動(dòng)鏈制動(dòng)不同步的問題，分別計(jì)算在制動(dòng)時(shí)，一側(cè)傳動(dòng)鏈先上閘，另一側(cè)滯后0.1，0.2，0.3，0.4 s上閘，在后制動(dòng)一側(cè)高速軸引起的慣性力。假設(shè)減速器高速軸的徑向偏差距離（齒輪的齒側(cè)間隙）為S1＝1.2 mm，當(dāng)一側(cè)傳動(dòng)鏈已經(jīng)制動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，另一側(cè)傳動(dòng)鏈高速軸的轉(zhuǎn)速為n1，高速級(jí)齒輪的線速度為v1，高速軸嚙合作用的制動(dòng)時(shí)間為t1，則t1＝2S1/v1。

通過計(jì)算可知，整個(gè)機(jī)構(gòu)的滿載制動(dòng)時(shí)間約為t＝2.27 s。兩側(cè)上閘時(shí)間相差0.1 s，先上閘一側(cè)傳動(dòng)鏈制動(dòng)停止時(shí)，后上閘一側(cè)高速軸的轉(zhuǎn)速為：

高速軸齒輪的半徑為r1=0.078 2 m，此時(shí)高速軸齒輪的線速度為：

高速軸嚙合作用的制動(dòng)時(shí)間為：

3.2 制動(dòng)過程中2′軸對(duì)高速軸（1′軸）的嚙合作用力F

根據(jù)制動(dòng)過程中后制動(dòng)一側(cè)減速器高速軸的受力分析及建立的動(dòng)力學(xué)方程，分別對(duì)滿載下降制動(dòng)和滿載上升制動(dòng)的工況進(jìn)行分析計(jì)算。

1）滿載下降過程中制動(dòng)時(shí)，嚙合作用產(chǎn)生的扭矩為TM。

其中：

制動(dòng)過程中2′軸對(duì)高速軸（1′軸）的嚙合作用力F為：

2）滿載上升過程中制動(dòng)時(shí)，嚙合作用產(chǎn)生的扭矩為TM。

將已知參數(shù)代入上式，可得：

用相同方法，分別計(jì)算滿載和空載高速制動(dòng)（電機(jī)轉(zhuǎn)速588 r/min），一側(cè)傳動(dòng)上閘制動(dòng)停止，另一側(cè)滯后 0.1，0.2，0.3，0.4 s上閘時(shí)，2′軸對(duì)高速軸（1′軸）的嚙合作用力F，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 嚙合作用力F計(jì)算結(jié)果

減速器高速端支承的焊縫承受剪力作用，與小車架的連接采用的是雙面角焊縫，焊縫有效長(zhǎng)度為830 mm，焊角高度hf=8 mm，材料為Q235B，屈服極限σs=235 N/mm2，焊縫的許用應(yīng)力其靜強(qiáng)度為：

式中：F′為作用在焊縫上的力，N；λn為焊縫有效長(zhǎng)度，取λn=2×830=1 660 mm；hh為焊縫的有效受力截面高度，頂接連接焊縫hh=0.7hf；[τn]為焊縫的許用剪切應(yīng)力，目測(cè)檢驗(yàn)的手工焊[τn]=σs/2.7=87 N/mm2；

由此可以算出，減速器支承可承受的最大剪力為：

4 結(jié)果分析

1）當(dāng)2套傳動(dòng)鏈中的制動(dòng)器上閘時(shí)間相差超過0.2 s時(shí)，后制動(dòng)的減速器高速軸，在制動(dòng)時(shí)由于不同步產(chǎn)生的沖擊力大于減速器高速端支承焊縫所能承受的最大外力，減速器高速端往起跳動(dòng)，導(dǎo)致小車架上蓋板開裂。反之，當(dāng)兩套傳動(dòng)鏈中的制動(dòng)器上閘時(shí)間相差小于0.2 s時(shí)，后制動(dòng)的減速器高速軸在制動(dòng)時(shí)由于不同步引起的沖擊力在減速器高速端支承的焊縫能夠承受的范圍內(nèi)，沒有引起破壞。

2）兩側(cè)傳動(dòng)鏈同步性越好，制動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速差越小，在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性載荷就越小。因此要盡量保證兩側(cè)傳動(dòng)鏈制動(dòng)的同步性，而且是低速制動(dòng)，才能保證起升機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

低速軸剛性連接的起升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有很多，傳動(dòng)件的破壞形式及損壞部位也不盡相同，本文僅對(duì)一種典型結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)的故障進(jìn)行了具體分析。結(jié)果表明，制動(dòng)時(shí)沖擊載荷的大小有相當(dāng)一部分取決于兩側(cè)傳動(dòng)鏈制動(dòng)器上閘的時(shí)間差，兩側(cè)傳動(dòng)鏈同步性越好，制動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速差越小，在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷就越小。

為保證設(shè)備的安全可靠，在今后的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中應(yīng)注意：采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)，高速軸上的制動(dòng)器上閘時(shí)間要精確調(diào)整，盡量達(dá)到同步動(dòng)作；制動(dòng)器的制動(dòng)力矩調(diào)整不宜過大，以減少系統(tǒng)制動(dòng)的慣性沖擊載荷；采用串電阻調(diào)速控制時(shí)，減速器須內(nèi)增加棘輪棘爪裝置使兩側(cè)傳動(dòng)鏈盡可能同步；采用先進(jìn)的電氣控制系統(tǒng)將機(jī)構(gòu)速度降至約10%時(shí)，工作制動(dòng)器參與制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)低速制動(dòng)。