賀葉明，叢海軍，葉 勇

（1.中海國(guó)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(tuán)）有限公司，上海 200125）

散貨船用克令吊掛艙裝置的研究及計(jì)算

賀葉明1，叢海軍2，葉 勇2

（1.中海國(guó)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(tuán)）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(hù)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(hù)起升繩拉力設(shè)定值開(kāi)始，討論掛艙動(dòng)能的產(chǎn)生和消耗的過(guò)程。以實(shí)例列舉了掛艙時(shí)受力計(jì)算和步驟，以實(shí)際數(shù)據(jù)說(shuō)明掛艙保護(hù)的重要性。

克令吊；掛艙保護(hù)；設(shè)定值；動(dòng)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(jī)構(gòu)情況，配用不同的抓斗，此類(lèi)克令吊通常都有超負(fù)荷保護(hù)裝置。在起升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，起升負(fù)荷超過(guò) 100%時(shí)，機(jī)構(gòu)保護(hù)裝置發(fā)出指令，機(jī)構(gòu)減速，若機(jī)構(gòu)載荷超過(guò) 110%時(shí)，起升機(jī)構(gòu)停止工作。機(jī)構(gòu)通過(guò)發(fā)出聲音和電光等信號(hào)，提示機(jī)構(gòu)已經(jīng)在超負(fù)荷狀態(tài)，保護(hù)克令吊安全地工作。

1 掛艙保護(hù)裝置的設(shè)置

超負(fù)荷裝置很好地保護(hù)了機(jī)構(gòu)在超負(fù)荷狀態(tài)時(shí)整機(jī)的安全性。但是機(jī)構(gòu)在掛艙時(shí)，載荷的突變、能量的激增，一般的超負(fù)荷裝置無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)載荷能量的變化，而遭受破壞，嚴(yán)重時(shí)機(jī)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(shí)響應(yīng)，設(shè)定時(shí)間為延時(shí)2 s，對(duì)于嚴(yán)重超負(fù)荷的工況，機(jī)械的設(shè)定2 s的延時(shí)，往往造成嚴(yán)重的事故。

假如設(shè)定為超過(guò)額定載荷120%時(shí)，瞬間斷電，機(jī)構(gòu)停止，此時(shí)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(jī)的拉力瞬時(shí)急速增加，釀成事故，造成嚴(yán)重的后果。顯然起升機(jī)構(gòu)配置的掛艙保護(hù)裝置比超負(fù)荷保護(hù)裝置更具安全性。

克令吊配置的掛艙保護(hù)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(guò)掛艙設(shè)定值F掛時(shí)，掛艙保護(hù)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(jī)系統(tǒng)平穩(wěn)停止。目前在港機(jī)和海工機(jī)械行業(yè)，采用較多的是液壓掛艙保護(hù)裝置。

2 掛艙保護(hù)裝置起升繩拉力值的設(shè)定F掛

掛艙保護(hù)裝置起升繩拉力值的設(shè)定不僅需要參考設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)需要符合現(xiàn)場(chǎng)工況，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)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(wú)法吸收較大的沖擊載荷，在現(xiàn)場(chǎng)的工作中，往往會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，誤報(bào)掛艙。F掛的值也不能太大，設(shè)定太大，無(wú)法起到掛艙保護(hù)作用，造成響應(yīng)太慢，影響整機(jī)安全。

根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，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(shí)際使用情況進(jìn)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(gè)克令吊視為一個(gè)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(zhǎng)度在200 m以上，較長(zhǎng)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(shí)，鋼絲繩的張力和鋼絲繩延展長(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)構(gòu)掛艙時(shí)，超載保護(hù)裝置斷電后，制動(dòng)器在0.3 s后響應(yīng)制動(dòng)，至整個(gè)機(jī)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(dòng)器、電機(jī)等各回轉(zhuǎn)件所產(chǎn)生的動(dòng)能，以及載荷產(chǎn)生的動(dòng)能，由鋼絲繩和整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)所吸收，轉(zhuǎn)變成鋼絲繩的勢(shì)能。先前的克令吊起升速度相對(duì)較低，旋轉(zhuǎn)件的動(dòng)能相對(duì)較小，載荷的勢(shì)能相對(duì)不高，整個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的動(dòng)能也相對(duì)不高，整個(gè)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(dòng)能，整個(gè)克令吊相對(duì)是安全的。若先前的機(jī)構(gòu)無(wú)法吸收系統(tǒng)的動(dòng)能，整個(gè)克令吊薄弱部位也將發(fā)生破壞，此時(shí)也需要計(jì)算無(wú)掛艙裝置下受力變化情況，計(jì)算鋼絲繩在張力變化情況下，拉力增量和鋼絲繩延展長(zhǎng)度，電機(jī)停止的相對(duì)時(shí)間，以保證整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)安全。

4 防掛艙保護(hù)裝置分析

4.1 起升機(jī)構(gòu)掛艙時(shí)產(chǎn)生的能量

起升機(jī)構(gòu)掛艙工況是一種非常規(guī)的超載情況。最常見(jiàn)的例子有，克令吊旋轉(zhuǎn)時(shí)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(guò)程吊掛住其他物件的情況。

起升機(jī)構(gòu)掛艙情況中，以克令吊旋轉(zhuǎn)過(guò)程中抓斗掛住其他物件最危險(xiǎn)。在克令吊起升機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)過(guò)程中，起升機(jī)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(dòng)器、電機(jī)等動(dòng)能大，各個(gè)回轉(zhuǎn)件在的慣性作用下，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。貨物一旦掛艙，起升機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)件還在繼續(xù)工作，同時(shí)克令吊的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，造成掛艙后的動(dòng)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(dòng)能比例達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能的 80%左右，減小回轉(zhuǎn)件所產(chǎn)生的動(dòng)能，即減小回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以有效減少掛艙的風(fēng)險(xiǎn)。

在掛艙過(guò)程中，使起升鋼絲繩拉力急劇增大，此時(shí)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(dòng)能的吸收

1）在掛艙過(guò)程中，直接反饋到鋼絲繩上的拉力，使鋼絲繩變形伸長(zhǎng)，以吸收掛艙的能量反饋。對(duì)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(dòng)器、電機(jī)等回轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)能，平衡系統(tǒng)。

2）電機(jī)建立反向扭矩

在機(jī)構(gòu)超載或者掛艙過(guò)程中，超載達(dá)到 120%時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出斷電訊號(hào)，電機(jī)建立反轉(zhuǎn)扭矩，程序一般將斷電訊號(hào)到建立反轉(zhuǎn)扭矩設(shè)定為幾個(gè)毫秒之間，但是對(duì)于快速的掛艙，電機(jī)在一開(kāi)始無(wú)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(gè)毫秒后才能達(dá)到額定的反轉(zhuǎn)扭矩，無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)掛艙工況。

3）起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器制動(dòng)（高低速制動(dòng)器）

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

4）掛艙保護(hù)裝置油缸對(duì)掛艙能量的吸收

在機(jī)構(gòu)超載或者掛艙過(guò)程中，鋼絲繩拉力增加至F掛時(shí)，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(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)增大。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度允許下，可以適當(dāng)增大掛艙力F掛，掛艙力F掛對(duì)電機(jī)的力矩?cái)?shù)值設(shè)定略大于電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩。

5）先前無(wú)掛艙保護(hù)裝置的克令吊起升機(jī)構(gòu)，掛艙時(shí)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(jī)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(duì)鋼絲繩會(huì)產(chǎn)生直接的影響，可能達(dá)到鋼絲繩破斷力，若整個(gè)起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)或者整個(gè)克令吊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，往往造成嚴(yán)重的事故。

若安裝了起升機(jī)構(gòu)掛艙保護(hù)裝置，掛艙時(shí)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(huì)造成瞬時(shí)增大，由掛艙油缸進(jìn)行有效的收縮滑移，直至電機(jī)停止，系統(tǒng)安全平穩(wěn)的停止工作[4]。

5 起升機(jī)構(gòu)掛艙時(shí)受力計(jì)算

以在載有重物的抓斗全速?zèng)_頂為例。

5.1 已知條件和計(jì)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(jì)效率）；

沖頂時(shí)系統(tǒng)繩長(zhǎng)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(shí)鋼絲繩線速度V空額繩＝4.366 m/s；電機(jī)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(jī)空載力矩與外載力矩相同：

自起升機(jī)構(gòu)掛艙開(kāi)始，分段計(jì)時(shí)計(jì)算，計(jì)時(shí)單位0.01 s。

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

ni為各時(shí)刻馬達(dá)的即時(shí)轉(zhuǎn)速：

式中，△n為每隔0.01 s各電機(jī)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(jī)構(gòu)卷筒、聯(lián)軸節(jié)等回轉(zhuǎn)部件，轉(zhuǎn)化到電動(dòng)機(jī)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(jī)扭矩的差（單位：kg.m）：

未斷電前：

電機(jī)斷電反向扭矩建立前：

電機(jī)建立反向扭矩情況：

電機(jī)和制動(dòng)器建立反向扭矩時(shí)：

5.2 計(jì)算步驟

掛艙前，電機(jī)的啟動(dòng)扭矩M電＝194 kg.m，鋼絲繩張力S0＝2 098 kg，載荷拉力對(duì)電動(dòng)機(jī)的反扭矩-194 kg.m，馬達(dá)以1 800 rpm勻速運(yùn)動(dòng)。

機(jī)構(gòu)掛艙時(shí)，電機(jī)斷電前，電機(jī)保持194 kg.m的扭矩，鋼絲繩張力立即增加，進(jìn)行如下計(jì)算：

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

2）計(jì)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(gè)0.01 s，△l＝4.366 c，故：

3）計(jì)算出第一個(gè)0.01 s后繩的張力：

4）計(jì)算出這時(shí)總垂直力：

5）計(jì)算出掛艙時(shí)超載載荷鋼絲繩拉力對(duì)電機(jī)的反扭矩：

6）求出在反向扭矩-279.3 kgm下經(jīng)過(guò)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(shí)轉(zhuǎn)速：

8）進(jìn)行下移分段時(shí)間計(jì)算，間隔0.01 s，重復(fù)1）～7）的計(jì)算，計(jì)算依據(jù)以第一個(gè)0.01 s后的即時(shí)情況即電機(jī)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(jì)算結(jié)果如表1～表4，直至電機(jī)轉(zhuǎn)速減至0；

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

5.3 吊具沖頂掛艙保護(hù)機(jī)構(gòu)掛艙過(guò)程計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 吊具沖頂掛艙保護(hù)機(jī)構(gòu)掛艙過(guò)程計(jì)算結(jié)果

表1 吊具沖頂掛艙保護(hù)機(jī)構(gòu)掛艙過(guò)程計(jì)算結(jié)果（續(xù)）

上述計(jì)算基于額定載荷LL＝50 t，電機(jī)在得到斷電訊號(hào)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(kāi)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(jī)接訊號(hào)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(dòng)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(jī)只斷電不建立負(fù)力矩時(shí)，則0.13 s前計(jì)算結(jié)果同表1，0.14 s后計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 0.14 s后計(jì)算結(jié)果

若起升電動(dòng)機(jī)不建立反向扭矩，則總時(shí)間為0.41 s，才能停止。油缸收縮行程 12.6 cm，增長(zhǎng)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(jiàn)表3。

無(wú)掛艙保護(hù)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(hù)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(wú)液壓防掛艙，且無(wú)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，則0.21 s前與表2相同，0.21 s后見(jiàn)表4。

表3 0.22 s后計(jì)算結(jié)果

表4 0.21 s后計(jì)算結(jié)果

5.4 4種情況對(duì)照

4種情況的對(duì)照表見(jiàn)表5。

表5 4種情況對(duì)照表

以上4種情況制動(dòng)器均為進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)已經(jīng)響應(yīng)，即電機(jī)停止。系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量主要由鋼絲繩來(lái)抵消，即鋼絲繩伸長(zhǎng)。電機(jī)是否建立負(fù)扭矩有作用，但也不明顯。加裝起升掛艙保護(hù)裝置后，使系統(tǒng)拉力受控，效果明顯，使總負(fù)荷可減?。?/p>

6 結(jié)論

上述對(duì)一種散貨船用克令吊防掛艙保護(hù)裝置進(jìn)行了分析計(jì)算，電機(jī)功率不是很大，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Gd2相對(duì)較小?，F(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(hù)裝置后效果更明顯。

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

[2]張質(zhì)文, 虞和謙.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]北京： 中國(guó)鐵道出版社, 1997.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版 第一卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[4]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)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(jī)械。