散貨船用克令吊掛艙裝置的研究及計算

賀葉明，叢海軍，葉 勇

（1.中海國際船舶管理有限公司上海分公司，上海 200120；2.上海振華重工股份（集團）有限公司，上海 200125）

散貨船用克令吊掛艙裝置的研究及計算

賀葉明1，叢海軍2，葉 勇2

（1.中海國際船舶管理有限公司上海分公司，上海 200120；2.上海振華重工股份（集團）有限公司，上海 200125）

系統(tǒng)分析散貨船用抓斗式克令吊掛艙保護的原因，早期和現(xiàn)代克令吊在掛艙方面的區(qū)別。從掛艙保護起升繩拉力設(shè)定值開始，討論掛艙動能的產(chǎn)生和消耗的過程。以實例列舉了掛艙時受力計算和步驟，以實際數(shù)據(jù)說明掛艙保護的重要性。

克令吊；掛艙保護；設(shè)定值；動能；超負(fù)荷；安全

0 引言

船用散貨克令吊根據(jù)克令吊起升機構(gòu)情況，配用不同的抓斗，此類克令吊通常都有超負(fù)荷保護裝置。在起升機構(gòu)工作時，起升負(fù)荷超過 100%時，機構(gòu)保護裝置發(fā)出指令，機構(gòu)減速，若機構(gòu)載荷超過 110%時，起升機構(gòu)停止工作。機構(gòu)通過發(fā)出聲音和電光等信號，提示機構(gòu)已經(jīng)在超負(fù)荷狀態(tài)，保護克令吊安全地工作。

1 掛艙保護裝置的設(shè)置

超負(fù)荷裝置很好地保護了機構(gòu)在超負(fù)荷狀態(tài)時整機的安全性。但是機構(gòu)在掛艙時，載荷的突變、能量的激增，一般的超負(fù)荷裝置無法實時響應(yīng)載荷能量的變化，而遭受破壞，嚴(yán)重時機毀人亡。船用超負(fù)荷裝置往往將多種工況綜合考慮后，籠統(tǒng)地設(shè)置為延時響應(yīng)，設(shè)定時間為延時2 s，對于嚴(yán)重超負(fù)荷的工況，機械的設(shè)定2 s的延時，往往造成嚴(yán)重的事故。

假如設(shè)定為超過額定載荷120%時，瞬間斷電，機構(gòu)停止，此時又發(fā)生掛艙情況，或者吊載沖頂情況，在高速起升情況下，導(dǎo)致起升鋼絲繩和克令吊整機的拉力瞬時急速增加，釀成事故，造成嚴(yán)重的后果。顯然起升機構(gòu)配置的掛艙保護裝置比超負(fù)荷保護裝置更具安全性。

克令吊配置的掛艙保護裝置，設(shè)定了起升鋼絲繩拉力的超載值。當(dāng)起升鋼絲繩載荷超過掛艙設(shè)定值F掛時，掛艙保護裝置工作，抵消由于超載造成的能量，使鋼絲繩的拉力維持在F掛，使整機系統(tǒng)平穩(wěn)停止。目前在港機和海工機械行業(yè)，采用較多的是液壓掛艙保護裝置。

2 掛艙保護裝置起升繩拉力值的設(shè)定F掛

掛艙保護裝置起升繩拉力值的設(shè)定不僅需要參考設(shè)計規(guī)范，同時需要符合現(xiàn)場工況，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試工況，F(xiàn)掛的取值具有一定的科學(xué)性和客觀性，取值不能太小，設(shè)定偏小無法吸收較大的沖擊載荷，在現(xiàn)場的工作中，往往會產(chǎn)生誤動作，誤報掛艙。F掛的值也不能太大，設(shè)定太大，無法起到掛艙保護作用，造成響應(yīng)太慢，影響整機安全。

根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗，F(xiàn)掛一般取值為[1]：

上述F掛取值可以根據(jù)克令吊的實際使用情況進行調(diào)整，直至滿足克令吊施工工況要求。

3 克令吊不配置掛艙裝置

克令吊及抓斗自重的80%是鋼結(jié)構(gòu)，而克令吊的臂架也是箱型結(jié)構(gòu)，可將整個克令吊視為一個彈性體。

克令吊的起升纏繞部分，鋼絲繩從卷筒至抓斗直至鋼絲繩固定端，鋼絲繩的長度在200 m以上，較長的鋼絲繩具有一定的延展性，可將鋼絲繩視為彈性體。鋼絲繩在受力時，鋼絲繩的張力和鋼絲繩延展長度成比例，鋼絲繩張力的增量為[2]：

式中，△L為鋼絲繩延展量，cm；s為鋼絲繩的截面積，cm2；E為鋼絲繩彈性模量，E＝1×106（kg/cm2）；L為鋼絲繩長度，cm；s×E/L為鋼絲繩的彈性剛度，單位變形的力，kg/cm。

在起升機構(gòu)掛艙時，超載保護裝置斷電后，制動器在0.3 s后響應(yīng)制動，至整個機構(gòu)全部停止，滑輪、卷筒、卷筒聯(lián)軸節(jié)、減速箱各軸、高速聯(lián)軸節(jié)、高速制動器、電機等各回轉(zhuǎn)件所產(chǎn)生的動能，以及載荷產(chǎn)生的動能，由鋼絲繩和整機鋼結(jié)構(gòu)所吸收，轉(zhuǎn)變成鋼絲繩的勢能。先前的克令吊起升速度相對較低，旋轉(zhuǎn)件的動能相對較小，載荷的勢能相對不高，整個系統(tǒng)所產(chǎn)生的動能也相對不高，整個克令吊的鋼絲繩和鋼結(jié)構(gòu)能很好地吸收旋轉(zhuǎn)件所產(chǎn)生的動能，整個克令吊相對是安全的。若先前的機構(gòu)無法吸收系統(tǒng)的動能，整個克令吊薄弱部位也將發(fā)生破壞，此時也需要計算無掛艙裝置下受力變化情況，計算鋼絲繩在張力變化情況下，拉力增量和鋼絲繩延展長度，電機停止的相對時間，以保證整個機構(gòu)系統(tǒng)安全。

4 防掛艙保護裝置分析

4.1 起升機構(gòu)掛艙時產(chǎn)生的能量

起升機構(gòu)掛艙工況是一種非常規(guī)的超載情況。最常見的例子有，克令吊旋轉(zhuǎn)時吊臂梁遇到障礙物被阻擋，或抓斗在上升和克令吊在旋轉(zhuǎn)過程吊掛住其他物件的情況。

起升機構(gòu)掛艙情況中，以克令吊旋轉(zhuǎn)過程中抓斗掛住其他物件最危險。在克令吊起升機構(gòu)回轉(zhuǎn)過程中，起升機構(gòu)回轉(zhuǎn)件卷筒、卷筒聯(lián)軸節(jié)、減速箱各軸、高速聯(lián)軸節(jié)、高速制動器、電機等動能大，各個回轉(zhuǎn)件在的慣性作用下，繼續(xù)轉(zhuǎn)動。貨物一旦掛艙，起升機構(gòu)回轉(zhuǎn)件還在繼續(xù)工作，同時克令吊的回轉(zhuǎn)機構(gòu)和起升機構(gòu)同時工作，造成掛艙后的動能急劇上升，造成嚴(yán)重的掛艙后果[3]。其中回轉(zhuǎn)件所產(chǎn)生的動能比例達(dá)到整個系統(tǒng)的動能的 80%左右，減小回轉(zhuǎn)件所產(chǎn)生的動能，即減小回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量，可以有效減少掛艙的風(fēng)險。

在掛艙過程中，使起升鋼絲繩拉力急劇增大，此時克令吊鋼絲繩L值也達(dá)到最小，系統(tǒng)剛度變大，同等的鋼絲繩伸縮量下（即△L），鋼絲繩的拉力大幅增加，在此工況下，系統(tǒng)最為不利。

4.2 起升系統(tǒng)動能的吸收

1）在掛艙過程中，直接反饋到鋼絲繩上的拉力，使鋼絲繩變形伸長，以吸收掛艙的能量反饋。對滑輪、卷筒、卷筒聯(lián)軸節(jié)、減速箱各軸、高速聯(lián)軸節(jié)、高速制動器、電機等回轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生反作用力，即反向力矩，阻礙回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)，吸收回轉(zhuǎn)件的動能，平衡系統(tǒng)。

2）電機建立反向扭矩

在機構(gòu)超載或者掛艙過程中，超載達(dá)到 120%時，系統(tǒng)發(fā)出斷電訊號，電機建立反轉(zhuǎn)扭矩，程序一般將斷電訊號到建立反轉(zhuǎn)扭矩設(shè)定為幾個毫秒之間，但是對于快速的掛艙，電機在一開始無法建立額定的反轉(zhuǎn)扭矩，而是得到較小的反轉(zhuǎn)扭矩，在幾個毫秒后才能達(dá)到額定的反轉(zhuǎn)扭矩，無法實時響應(yīng)掛艙工況。

3）起升機構(gòu)制動器制動（高低速制動器）

在機構(gòu)超載或者掛艙過程中，超載達(dá)到 120%時，系統(tǒng)發(fā)出制動訊號，高速制動器安全系數(shù)為2，但是高速制動器接收到制動訊號，到制動器制動，往往有一個滯后過程，高速制動器滯后0.3 s，低速制動器滯后0.5 s。也就意味著高速制動器和低速制動器需要在0.3 s和0.5 s后才能建立高速制動力矩M制高和M制低，滯后的時間過程已經(jīng)接近整個系統(tǒng)的掛艙過程，或者電機已經(jīng)停止，對掛艙的能量吸收已經(jīng)不具有意義。

4）掛艙保護裝置油缸對掛艙能量的吸收

在機構(gòu)超載或者掛艙過程中，鋼絲繩拉力增加至F掛時，油缸在F掛作用下壓縮，油缸壓縮變化量△l，油缸吸收的能量和掛艙力F掛和油缸壓縮變化量△l成正比。若要縮小油缸壓縮變化量△l，則需要增大掛艙力F掛，掛艙力F掛的增大往往導(dǎo)致機構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機構(gòu)增大。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機構(gòu)強度允許下，可以適當(dāng)增大掛艙力F掛，掛艙力F掛對電機的力矩數(shù)值設(shè)定略大于電機堵轉(zhuǎn)力矩。

5）先前無掛艙保護裝置的克令吊起升機構(gòu)，掛艙時所產(chǎn)生的能量由以上第一到第三種情況綜合吸收，直至電機和系統(tǒng)停止。但是由上述第一到第三種情況所產(chǎn)生的能量對鋼絲繩會產(chǎn)生直接的影響，可能達(dá)到鋼絲繩破斷力，若整個起升機構(gòu)系統(tǒng)或者整個克令吊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度不夠，往往造成嚴(yán)重的事故。

若安裝了起升機構(gòu)掛艙保護裝置，掛艙時所產(chǎn)生的能量由以上第一到第四種情況共同綜合吸收，鋼絲繩的受力由于掛艙裝置F掛的限定，不會造成瞬時增大，由掛艙油缸進行有效的收縮滑移，直至電機停止，系統(tǒng)安全平穩(wěn)的停止工作[4]。

5 起升機構(gòu)掛艙時受力計算

以在載有重物的抓斗全速沖頂為例。

5.1 已知條件和計算用公式

抓斗與吊載負(fù)荷16.78 t；鋼絲繩張力S0＝16 780 kg/8＝2 098 kg（不計效率）；

沖頂時系統(tǒng)繩長L＝180 m＝18 000 cm；

鋼絲繩斷面積s＝3.799 cm2；

鋼絲繩彈性模量E＝1×106kg/cm2；

起升時鋼絲繩線速度V空額繩＝4.366 m/s；電機轉(zhuǎn)速為1 800 rpm；

卷筒直徑d＝1.379 m；

減速器速比i＝29.766；

M電為電機空載力矩與外載力矩相同：

自起升機構(gòu)掛艙開始，分段計時計算，計時單位0.01 s。

△Si為每經(jīng)過0.01 s后，鋼絲繩張力增加量；△Si＝△Lis×E/L（kg）；△Li為0.01 s變動后，鋼絲繩拉長量，cm；△Li＝Vi×△t（cm）；Vi為每個時刻繩速，cm/s；Vi＝ni/1 800×4.366 m/s（4.366是與馬達(dá)1 800 rpm時的繩速）。

ni為各時刻馬達(dá)的即時轉(zhuǎn)速：

式中，△n為每隔0.01 s各電機轉(zhuǎn)速變化量（下降量）；△n＝375×△M×△t/∑Gd2。

式中，△t＝0.01(s)；∑Gd2為起升機構(gòu)卷筒、聯(lián)軸節(jié)等回轉(zhuǎn)部件，轉(zhuǎn)化到電動機輸出上的飛輪矩，kg.m2，∑Gd2＝115.6（kg.m2）。

△M為鋼絲繩張力增大產(chǎn)生的負(fù)力矩與電機扭矩的差（單位：kg.m）：

未斷電前：

電機斷電反向扭矩建立前：

電機建立反向扭矩情況：

電機和制動器建立反向扭矩時：

5.2 計算步驟

掛艙前，電機的啟動扭矩M電＝194 kg.m，鋼絲繩張力S0＝2 098 kg，載荷拉力對電動機的反扭矩-194 kg.m，馬達(dá)以1 800 rpm勻速運動。

機構(gòu)掛艙時，電機斷電前，電機保持194 kg.m的扭矩，鋼絲繩張力立即增加，進行如下計算：

1）計算出掛艙沖頂開始的0.01 s后的鋼絲繩變化量：△l＝4.336×100×0.01＝4.366 cm；

2）計算出鋼絲繩延展增加4.366 cm后的張力的鋼絲繩變化量：△S1＝△l×s×E/L；

第一個0.01 s，△l＝4.366 c，故：

3）計算出第一個0.01 s后繩的張力：

4）計算出這時總垂直力：

5）計算出掛艙時超載載荷鋼絲繩拉力對電機的反扭矩：

6）求出在反向扭矩-279.3 kgm下經(jīng)過0.01 s秒后，馬達(dá)轉(zhuǎn)速減小量△n＝375×△M×△t/∑Gd2；

7）求出0.01 s后馬達(dá)減速后的即時轉(zhuǎn)速：

8）進行下移分段時間計算，間隔0.01 s，重復(fù)1）～7）的計算，計算依據(jù)以第一個0.01 s后的即時情況即電機轉(zhuǎn)速1 797.2 rpm，單繩拉力3 019.5 kg，總負(fù)荷24 156 kg，反向扭矩-279.3 kg.m，馬達(dá)扭矩194 kg.m；

9）計算結(jié)果如表1～表4，直至電機轉(zhuǎn)速減至0；

10）△M分為三個階段：第一個階段是電機正常工作中，△M＝M阻+M電；第二個階段是起升機構(gòu)掛艙時，系統(tǒng)斷電，電動機建立反向扭矩前，△M＝M阻；第三階段是起升機構(gòu)掛艙，電動機建立反向扭矩，△M＝M阻+M電制。

5.3 吊具沖頂掛艙保護機構(gòu)掛艙過程計算結(jié)果

計算結(jié)果如表1所示。

表1 吊具沖頂掛艙保護機構(gòu)掛艙過程計算結(jié)果

表1 吊具沖頂掛艙保護機構(gòu)掛艙過程計算結(jié)果（續(xù)）

上述計算基于額定載荷LL＝50 t，電機在得到斷電訊號后200 ms，建立100%反向扭矩（有小至額定扭矩），發(fā)生掛艙碰頂開始后0.07 s，起升鋼絲繩達(dá)110%額定載荷拉力，0.09 s后達(dá)120%額定載荷拉力，0.14 s電機接訊號轉(zhuǎn)至負(fù)轉(zhuǎn)矩，按0.01 s遞增，負(fù)扭矩增加為38.5 kg.m，0.22 s達(dá)到油缸設(shè)定值（按照高速制動器200%設(shè)定），油缸收縮滑移至0.35 s結(jié)束。油缸收縮滑移量8.95 cm。

若電機只斷電不建立負(fù)力矩時，則0.13 s前計算結(jié)果同表1，0.14 s后計算結(jié)果如表2所示。

表2 0.14 s后計算結(jié)果

若起升電動機不建立反向扭矩，則總時間為0.41 s，才能停止。油缸收縮行程 12.6 cm，增長12.6-8.95＝3.65 cm。

若不裝液壓掛艙情況，馬達(dá)建立負(fù)扭矩，0.22 s前情況與表1一樣，0.22 s后具體見表3。

無掛艙保護裝置的系統(tǒng)，系統(tǒng)受力大，最大總負(fù)荷達(dá)185.612 8 t，單根鋼絲繩拉力達(dá)23.201 6 t。而加防掛艙保護裝置后，最大總負(fù)荷為157.25 t，單根鋼絲繩拉力為19.656 t。

若無液壓防掛艙，且無電機制動時，則0.21 s前與表2相同，0.21 s后見表4。

表3 0.22 s后計算結(jié)果

表4 0.21 s后計算結(jié)果

5.4 4種情況對照

4種情況的對照表見表5。

表5 4種情況對照表

以上4種情況制動器均為進入制動狀態(tài)，電機已經(jīng)響應(yīng)，即電機停止。系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量主要由鋼絲繩來抵消，即鋼絲繩伸長。電機是否建立負(fù)扭矩有作用，但也不明顯。加裝起升掛艙保護裝置后，使系統(tǒng)拉力受控，效果明顯，使總負(fù)荷可減小：

6 結(jié)論

上述對一種散貨船用克令吊防掛艙保護裝置進行了分析計算，電機功率不是很大，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量 Gd2相對較小。現(xiàn)在常用的克令吊速度大，Gd2大，結(jié)果要比上述大得多，加裝防掛艙保護裝置后效果更明顯。

[1]濮良貴.機械設(shè)計[M].北京： 高等教育出版社, 2007.

[2]張質(zhì)文, 虞和謙.起重機設(shè)計手冊[M]北京： 中國鐵道出版社, 1997.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊(第四版 第一卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[4]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].2006.

Study and Calculation of Snag Device of Deck Crane of Bulk Carrier

HE Yeming1, CONG Haijun2, YE yong2
(1.China Shipping International Ship Management Co., Ltd., Shanghai 200120, China; 2.Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd., Shanghai 200125, China)

The reason for the protection of the snag device for the bulk cargo ship deck crane is systematically analyzed.The difference between the early and the modern snag device is also analyzed.The generation and consumption of kinetic energy of the snag device are discussed from the setting value.With real examples, the calculation and the steps of force calculation are listed.The importance of the protection of the snag device is explained with the actual data.

crane; snag device; set value; kinetic energy; overload; security

U664.4+3

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.006

賀葉明（1972—）男，工程師，研究方向：油輪及散貨輪甲板機械。