文茂堂 鄭景星 邱康勇

深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 深圳 518019

0 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）是集裝箱碼頭的重要裝卸設(shè)備，處于沿海露天環(huán)境下，作業(yè)時(shí)容易受到突發(fā)陣風(fēng)的不利影響。為防范陣風(fēng)災(zāi)害，起重機(jī)械安全技術(shù)規(guī)范要求岸橋必須配備抗風(fēng)防滑裝置。液壓輪邊制動(dòng)器是岸橋防風(fēng)裝置的常見形式，一般安裝在大車從動(dòng)輪上，通過彈簧夾緊力作用于車輪兩側(cè)，使車輪與軌道的滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，具有動(dòng)、靜態(tài)制動(dòng)作用[1]。為確保制動(dòng)力矩滿足需求，制動(dòng)器應(yīng)具有制動(dòng)瓦隨位功能，以保證閘瓦上的摩擦片開閘時(shí)與制動(dòng)輪（盤）自動(dòng)跟隨，抱閘時(shí)摩擦片與輪盤均勻接觸、貼合。制動(dòng)器還應(yīng)具有制動(dòng)瓦退距均等功能，保證制動(dòng)器在正常釋放狀態(tài)下兩側(cè)制動(dòng)瓦退距基本相等，制動(dòng)瓦上摩擦片任何部位不應(yīng)浮貼在制動(dòng)輪（盤）上[2]。TSG Q7015—2016《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》明確要求：制動(dòng)器打開時(shí)制動(dòng)輪與摩擦片無摩擦現(xiàn)象，制動(dòng)器閉合時(shí)制動(dòng)輪與摩擦片接觸均勻，無影響制動(dòng)性能的缺陷和油污[3]。

變頻調(diào)速技術(shù)使起重機(jī)制動(dòng)器在正常作業(yè)工況下可實(shí)現(xiàn)零速抱閘，大大降低了制動(dòng)器摩擦片的磨損?，F(xiàn)有研究表明，制動(dòng)器摩擦片的磨損與摩擦材料、接觸壓力、滑動(dòng)速度等相關(guān)，其中接觸壓力分布不均是導(dǎo)致摩擦片產(chǎn)生偏磨的重要原因[4-7]。制動(dòng)臂與制動(dòng)閘瓦的連接銷軸如出現(xiàn)卡滯、配合間隙過大，制動(dòng)時(shí)將引起摩擦片與制動(dòng)盤接觸不同步，引起不均勻磨損。摩擦片磨損不均勻降低了使用壽命，同時(shí)減弱了制動(dòng)性能。因此，對(duì)制動(dòng)器不均勻磨損現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)調(diào)整具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 輪邊制動(dòng)器的工作原理

圖1 所示為國(guó)產(chǎn)某型號(hào)液壓式輪邊制動(dòng)器，其工作原理為：開閘時(shí)，液壓站得電驅(qū)動(dòng)液壓缸，通過壓力油推動(dòng)活塞桿壓縮制動(dòng)彈簧（彈簧在液壓缸內(nèi)部），進(jìn)而帶動(dòng)制動(dòng)臂內(nèi)收，通過連接銷鉸點(diǎn)作用帶動(dòng)閘瓦墊遠(yuǎn)離制動(dòng)輪，消除夾緊力；當(dāng)液壓站斷電失去驅(qū)動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)臂在制動(dòng)彈簧作用下向外擺動(dòng)，閘瓦墊閉合，夾緊大車車輪輪緣，制動(dòng)器抱閘。

圖1 液壓輪邊制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

為保證制動(dòng)閘瓦隨位功能，制動(dòng)器對(duì)稱設(shè)置隨位彈簧，固定端通過螺栓固定在安裝底座上面，另一端勾住閘瓦。

2 閘瓦摩擦片磨損情況

2022 年，對(duì)國(guó)內(nèi)某港口一批岸橋進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)輪邊制動(dòng)器配對(duì)的制動(dòng)車輪摩擦痕跡深淺不一，且多臺(tái)岸橋普遍存在同一現(xiàn)象。操作大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)跑偏，隨后對(duì)輪邊制動(dòng)器進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，開閘時(shí)可見兩側(cè)制動(dòng)器退距基本相等，未發(fā)現(xiàn)摩擦片浮貼在制動(dòng)輪上的情形。抱閘時(shí)觀察一側(cè)制動(dòng)瓦，可見靠近車輪外緣的摩擦片首先接觸制動(dòng)輪，另一側(cè)同樣如此。車輪制動(dòng)摩擦痕跡和閘瓦摩擦片磨損痕跡如圖2 所示。由此判定輪邊制動(dòng)器的摩擦片存在不均勻磨損現(xiàn)象。

圖2 磨損痕跡

進(jìn)一步觀察制動(dòng)器零部件中，用于調(diào)節(jié)閘瓦隨位功能的彈簧處于斷裂失效狀態(tài)，如圖3 所示。被檢岸橋設(shè)備自2007 年開始投入使用，維護(hù)保養(yǎng)過程中輪邊制動(dòng)器零部件未曾更換，使用單位在維修保養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)彈簧斷裂后，采用焊接螺栓方式替代彈簧。

圖3 隨位彈簧斷裂失效

3 摩擦片磨損不均原因分析

3.1 閘瓦摩擦片磨損厚度測(cè)量

輪邊制動(dòng)器閘瓦摩擦片為粉末冶金材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后加工成形。摩擦片與鋼背采用膠結(jié)連接，鋼背上粘接3 塊摩擦片，襯墊之間留出空槽，便于散熱和排出磨屑，如圖2b、圖4 所示。為判定摩擦片磨損是否超標(biāo)，比對(duì)摩擦片內(nèi)外側(cè)磨損差異，將異常磨損的制動(dòng)器閘瓦進(jìn)行拆解后，測(cè)量摩擦片剩余厚度。

圖4 摩擦片厚度測(cè)量示意圖

為便于量化比較，首先測(cè)量摩擦片初始厚度。選取同型號(hào)新出廠未使用的閘瓦墊摩擦片，使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量摩擦片初始厚度為8.72 mm。然后測(cè)量不均勻磨損后的摩擦片厚度。將編號(hào)為1 ～6 共6 個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)記閘瓦墊摩擦片的內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為7 ～12 的6 個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為摩擦片外側(cè)（靠近車輪外緣）測(cè)點(diǎn)。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 輪邊制動(dòng)器摩擦片磨損部位測(cè)量數(shù)據(jù)

記錄摩擦片內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)磨損數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)可知，靠近大車輪緣外緣的6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)7 ～測(cè)點(diǎn)12 平均厚度為8.13 mm，靠近輪緣內(nèi)側(cè)的6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1 ～測(cè)點(diǎn)6 平均厚度為8.46 mm。對(duì)比初始厚度，所有測(cè)點(diǎn)的磨損量尚未超出制造廠家的允許值（摩擦片磨損達(dá)到50%時(shí)應(yīng)予更換）。摩擦片外側(cè)平均磨損量為0.59 mm，內(nèi)側(cè)平均磨損量為0.26 mm，外側(cè)磨損量明顯大于內(nèi)側(cè)。

3.2 隨位彈簧失效引發(fā)開閘時(shí)單側(cè)退距偏差

分析輪邊制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)可知，制動(dòng)閘瓦既可以繞連接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以隨制動(dòng)臂繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。正常開閘時(shí)，閘瓦隨制動(dòng)臂繞鉸點(diǎn)向遠(yuǎn)離車輪方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，隨位彈簧拉住靠近輪緣一側(cè)閘瓦，閘瓦在彈簧拉力作用下繞連接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使摩擦片整體與制動(dòng)盤保持對(duì)中平行狀態(tài)，如圖5b 所示；抱閘時(shí)，隨位彈簧由開閘時(shí)的拉伸狀態(tài)過渡到壓縮狀態(tài)，擠壓靠近輪緣一側(cè)閘瓦，使其繞連接銷軸反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)整個(gè)覆面與車輪均勻貼合，如圖5a 所示。因此，無論制動(dòng)器處于開閘還是閉閘狀態(tài)，隨位彈簧都能夠使閘瓦與制動(dòng)盤面保持對(duì)中，處于近似平行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)覆面與車輪均勻貼合[8，9]。

圖5 輪邊制動(dòng)器工作狀態(tài)示意圖

隨位彈簧斷裂后，失去調(diào)節(jié)功能，開閘時(shí)導(dǎo)致同側(cè)閘瓦與車輪的間距出現(xiàn)偏差，造成制動(dòng)退距d2＜d1。同時(shí)，閘瓦在失去彈簧約束后，因自重作用繞連接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)靠近輪緣外側(cè)的退距d1=0 時(shí)，閘瓦甚至?xí)≠N在車輪上，如圖5c 所示。

3.3 制動(dòng)過程摩擦片運(yùn)動(dòng)位置分析

制動(dòng)時(shí)，閘瓦摩擦面與制動(dòng)輪均勻接觸，當(dāng)隨位彈簧斷裂后，開閘時(shí)同側(cè)閘瓦與車輪之間退距將出現(xiàn)偏差。閘瓦隨連接銷軸因重力作用偏擺，再次制動(dòng)時(shí)，閘瓦的摩擦片內(nèi)外側(cè)區(qū)域與制動(dòng)輪接觸碰撞的時(shí)間不同，接觸不同步造成摩擦制動(dòng)的接觸壓力不同，將引起不均勻磨損。

3.3.1 不考慮實(shí)際重力作用引發(fā)的閘瓦繞連接銷軸偏擺

圖6a 為同側(cè)閘瓦摩擦片A、B2 點(diǎn)開閘、抱閘過程中，繞制動(dòng)臂鉸點(diǎn)o轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中A點(diǎn)靠近車輪輪緣外側(cè)，B點(diǎn)靠近輪緣內(nèi)側(cè)。制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)臂的夾角為α1（可假設(shè)閘瓦連接銷軸完全卡滯，實(shí)際重力作用不會(huì)引發(fā)閘瓦偏擺）。A點(diǎn)摩擦片在抱閘時(shí)將運(yùn)動(dòng)到A'點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為以o為圓心，r1為半徑的圓??；B點(diǎn)摩擦片在抱閘時(shí)將運(yùn)動(dòng)到B'點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為以o為圓心，r2為半徑的圓弧。抱閘完全打開時(shí)，有θ1=θ2。由于A、B2 點(diǎn)繞制動(dòng)臂鉸點(diǎn)o轉(zhuǎn)動(dòng)，二者角速度w相同，根據(jù)角速度公式w=dθ/dt可知，抱閘時(shí)A點(diǎn)到達(dá)車輪A'點(diǎn)發(fā)生接觸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1，與B點(diǎn)到達(dá)車輪B'點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2相等，即t1=t2，內(nèi)外兩側(cè)將同時(shí)接觸車輪。因此，無隨位彈簧調(diào)節(jié)，不考慮實(shí)際重力作用引發(fā)閘瓦繞銷軸偏擺，開閘時(shí)單側(cè)退距出現(xiàn)偏差；下一次抱閘時(shí)，閘瓦沿原路徑返回，不會(huì)造成接觸不同步。

圖6 摩擦片內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖

3.3.2 考慮實(shí)際重力作用引發(fā)的閘瓦繞連接銷軸偏擺

假設(shè)偏擺后，制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)臂的夾角為α2，如圖6b 所示，比較可知α2＞α1，同時(shí)有θ1'＜θ2'。由于A、B2 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度w相同，抱閘時(shí)A點(diǎn)到達(dá)車輪A'點(diǎn)發(fā)生接觸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1，與B點(diǎn)到達(dá)車輪B'點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2比較，顯然t1＜t2，即摩擦片外側(cè)A點(diǎn)首先接觸車輪。摩擦片內(nèi)、外側(cè)與制動(dòng)車輪接觸不同步，使得內(nèi)、外側(cè)摩擦片的摩擦接觸時(shí)間和接觸壓力不同，進(jìn)而引起摩擦片的不均勻磨損，這符合實(shí)際情形。

4 隨位彈簧疲勞斷裂分析

對(duì)斷裂后的隨位彈簧進(jìn)行拆解觀察，隨位彈簧整體形貌如圖7 所示，彈簧呈彎鉤狀，直徑約6 mm。其中一端固定在彈簧座上，另外一端已破斷成兩截，彈簧座及上面2 個(gè)螺栓表面均出現(xiàn)不同程度的銹蝕。彈簧局部位置可見銹蝕痕跡，其他位置可見金屬光澤。隨位彈簧斷裂位置位于彈簧座另一側(cè)靠近圓弧處，斷口附近無明顯頸縮。彈簧斷口起裂源區(qū)位于彈簧圓弧外側(cè)邊緣處，起裂源區(qū)形貌較為平整，斷面上可見明顯的圓弧貝擴(kuò)紋，呈疲勞斷口形貌特征。裂紋由外往內(nèi)擴(kuò)展，最后斷裂區(qū)位于起裂源的對(duì)側(cè)，該區(qū)域斷口呈臺(tái)階狀起伏不平（見圖7）。整個(gè)斷口上均可見明顯的紅棕色覆蓋物，由此可推斷彈簧從斷裂到被發(fā)現(xiàn)已有一段時(shí)間。經(jīng)光譜分析可知，彈簧材質(zhì)為不銹鋼，其化學(xué)成分分析結(jié)果符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》對(duì)12Cr17Ni7 的技術(shù)要求[10，11]。

圖7 隨位彈簧疲勞斷裂，紅色區(qū)域?yàn)槠谠?/p>

推算輪邊制動(dòng)器工作循環(huán)數(shù)：岸橋設(shè)備于2007 年投入使用，假設(shè)每個(gè)工作日輪邊制動(dòng)器運(yùn)行10 次，則隨位彈簧承受拉、壓交變載荷循環(huán)10 次，每年工作350 d（考慮臺(tái)風(fēng)季影響），至2022 年共經(jīng)歷總工作循環(huán)次數(shù)為5.6×104次，并未達(dá)到彈簧的設(shè)計(jì)壽命。

閘瓦連接銷軸因潤(rùn)滑不良、磨屑、雜質(zhì)污物堆積、內(nèi)部銹蝕等原因出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活甚至卡滯時(shí)，隨位彈簧實(shí)際承受的拉力遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)工況，彈簧受力狀況持續(xù)惡化，在其與閘瓦連接孔的外側(cè)受拉區(qū)域產(chǎn)生疲勞源，并有外向內(nèi)擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

綜上所述，閘瓦連接銷軸潤(rùn)滑不良導(dǎo)致制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)，彈簧持續(xù)處于超載狀態(tài)，是引發(fā)隨位彈簧疲勞斷裂的主要原因。

5 結(jié)語

本文對(duì)岸橋輪邊制動(dòng)器摩擦片不均勻磨損的檢驗(yàn)案例進(jìn)行分析，首先拆解摩擦片進(jìn)行厚度測(cè)量，經(jīng)過比較得知，閘瓦摩擦片磨損不均勻，外側(cè)摩擦片磨損量明顯大于內(nèi)側(cè)。通過摩擦片開閘、抱閘過程中運(yùn)動(dòng)位置分析得知，隨位彈簧失效后，閘瓦自身重力作用引起偏擺，使得抱閘過程中摩擦片外側(cè)首先與制動(dòng)車輪接觸，摩擦片與制動(dòng)車輪接觸不同步，使得內(nèi)、外側(cè)摩擦片的摩擦接觸時(shí)間和接觸壓力不同，進(jìn)而引起不均勻磨損。制動(dòng)閘瓦的連接銷軸潤(rùn)滑不良、運(yùn)行卡滯導(dǎo)致隨位彈簧持續(xù)超載，是引發(fā)彈簧疲勞斷裂的主要原因。

輪邊制動(dòng)器是港口起重機(jī)械重要的安全保護(hù)裝置。對(duì)其進(jìn)行檢查維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)制動(dòng)閘瓦隨位功能和退距均等功能進(jìn)行重點(diǎn)檢查[12，13]。相關(guān)檢查項(xiàng)目建議如下：1）觀察制動(dòng)器開、閉閘過程是否靈活、無卡滯，開閘時(shí)制動(dòng)器兩側(cè)退距是否相等，摩擦片是否浮貼在制動(dòng)輪（盤）上；如有異常，應(yīng)及時(shí)調(diào)整。2）觀察制動(dòng)器所有擺動(dòng)鉸點(diǎn)的潤(rùn)滑功能是否正常，必要時(shí)定期拆解活動(dòng)銷軸，清理內(nèi)部磨屑、雜質(zhì)以使活動(dòng)鉸點(diǎn)充分潤(rùn)滑，保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。3）檢查發(fā)現(xiàn)摩擦片外緣普遍出現(xiàn)老化脫落、崩裂等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)予更換。