岸边集装箱起重机轮边制动器不均匀磨损案例研究.pdf

472023 年第 17 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究文茂堂，郑景星，邱康勇.岸边集装箱起重机轮边制动器不均匀磨损案例研究J.起重运输机械，2023（17）：47-51.引 用 格 式*基金项目：广东省市场监督管理局科研项目（2022CT12）岸边集装箱起重机轮边制动器不均匀磨损案例研究*文茂堂 郑景星 邱康勇深圳市质量安全检验检测研究院 深圳 518019摘 要：轮边制动器是岸边集装箱起重机防风装置的常见形式，在防范阵风灾害方面发挥重要作用。文中对岸边集装箱起重机轮边制动器摩擦片不均匀磨损检验案例进行研究，首先通过厚度测量发现摩擦片外侧磨损量大于内侧；然后对制动过程中摩擦片的运动位置分析,随位弹簧失效导致开闸时制动退距出现偏差；制动闸瓦自身重力引起偏摆，使得制动时摩擦片内、外侧与车轮无法同步接触，造成两侧的制动时间和接触压力不同，最终引起摩擦片磨损不均。对随位弹簧进行断裂失效分析，最终对轮边制动器的检查和维护保养提出建议。关键词：岸边集装箱起重机；轮边制动器；摩擦片；磨损；接触压力中图分类号：U653.921:U463.51 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）17-0047-05Abstract:Wheel brake is a common type of windproof device of quayside container,and plays an important role in preventing gust disasters.During the regular inspection of the quayside container crane,the case of uneven wear of wheel brake friction plate is analyzed.Firstly,it was found by thickness measurement that the wear amount of the outer side of the friction plate was greater than the inner side.Then the motion position of the friction plate in the braking process is analyzed.The results show that the spring failure leads to the deviation of the brake retreat distance when the brake is opened.The brake shoes own gravity causes the yaw,which makes the inside and outside of the friction plate cannot contact with the wheel at the same time during braking.That is the main reason for uneven wear of friction plate.Next,the reason of spring fracture failure is expounded.Finally,suggestions for improvement of inspection and maintenance of wheel brake are put forward.Keywords:quayside container crane；wheel brakes；friction plate；wear；contact pressure0 引言岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）是集装箱码头的重要装卸设备，处于沿海露天环境下，作业时容易受到突发阵风的不利影响。为防范阵风灾害，起重机械安全技术规范要求岸桥必须配备抗风防滑装置。液压轮边制动器是岸桥防风装置的常见形式，一般安装在大车从动轮上，通过弹簧夹紧力作用于车轮两侧，使车轮与轨道的滚动摩擦变为滑动摩擦，具有动、静态制动作用1。为确保制动力矩满足需求，制动器应具有制动瓦随位功能，以保证闸瓦上的摩擦片开闸时与制动轮（盘）自动跟随，抱闸时摩擦片与轮盘均匀接触、贴合。制动器还应具有制动瓦退距均等功能，保证制动器在正常释放状态下两侧制动瓦退距基本相等，制动瓦上摩擦片任何部位不应浮贴在制动轮（盘）上2。TSG Q70152016起重机械定期检验规则明确要求：制动器打开时制动轮与摩擦片无摩擦现象，制动器闭合时制动轮与摩擦片接触均匀，无影响制动性能的缺陷和油污 3。变频调速技术使起重机制动器在正常作业工况下可实现零速抱闸，大大降低了制动器摩擦片的磨损。现有研究表明，制动器摩擦片的磨损与摩擦材料、接触压力、滑动速度等相关，其中接触压力分布不均是导致摩擦片产生偏磨的重要原因4-7。制动臂与制动闸瓦的连接销轴如出现卡滞、配合间隙过大，制动时将引起摩擦片与制动盘接触不同步，引起不均匀磨损。摩擦片磨损不均48/2023 年第 17 期匀降低了使用寿命，同时减弱了制动性能。因此，对制动器不均匀磨损现象进行分析研究，发现问题并及时调整具有重要的现实意义。1 轮边制动器的工作原理图 1 所示为国产某型号液压式轮边制动器，其工作原理为：开闸时，液压站得电驱动液压缸，通过压力油推动活塞杆压缩制动弹簧（弹簧在液压缸内部），进而带动制动臂内收，通过连接销铰点作用带动闸瓦垫远离制动轮，消除夹紧力；当液压站断电失去驱动力时，制动臂在制动弹簧作用下向外摆动，闸瓦垫闭合，夹紧大车车轮轮缘，制动器抱闸。为保证制动闸瓦随位功能，制动器对称设置随位弹簧，固定端通过螺栓固定在安装底座上面，另一端勾住闸瓦。1.安装底座 2.制动臂 3.液压缸 4.限位开关 5.连接块 6.退距调节螺栓 7.锁紧螺母 8.瓦块连接销 9.弹簧座 10.随位弹簧 11.闸瓦 12.制动臂连接销 13.固定螺栓图 1 液压轮边制动器结构示意图2 闸瓦摩擦片磨损情况2022 年，对国内某港口一批岸桥进行定期检验时，发现轮边制动器配对的制动车轮摩擦痕迹深浅不一，且多台岸桥普遍存在同一现象。操作大车运行机构未发现跑偏，随后对轮边制动器进行动作试验，开闸时可见两侧制动器退距基本相等，未发现摩擦片浮贴在制动轮上的情形。抱闸时观察一侧制动瓦，可见靠近车轮外缘的摩擦片首先接触制动轮，另一侧同样如此。车轮制动摩擦痕迹和闸瓦摩擦片磨损痕迹如图 2 所示。由此判定轮边制动器的摩擦片存在不均匀磨损现象。（a）车轮制动摩擦痕迹 （b）磨损不均的轮边 制动器摩擦片图 2 磨损痕迹进一步观察制动器零部件中，用于调节闸瓦随位功能的弹簧处于断裂失效状态，如图 3 所示。被检岸桥设备自 2007 年开始投入使用，维护保养过程中轮边制动器零部件未曾更换，使用单位在维修保养时发现弹簧断裂后，采用焊接螺栓方式替代弹簧。图 3 随位弹簧断裂失效3 摩擦片磨损不均原因分析3.1 闸瓦摩擦片磨损厚度测量轮边制动器闸瓦摩擦片为粉末冶金材料，经高温烧结后加工成形。摩擦片与钢背采用胶结连接，钢背上粘接 3 块摩擦片，衬垫之间留出空槽，便于散热和排出磨屑，如图 2b、图 4 所示。为判定摩擦片磨损是否超标，比对摩擦片内外侧磨损差异，将异常磨损的制动器闸瓦进行拆解后，测量摩擦片剩余厚度。ANALYSIS RESEARCH分析研究492023 年第 17 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究图 4 摩擦片厚度测量示意图为便于量化比较，首先测量摩擦片初始厚度。选取同型号新出厂未使用的闸瓦垫摩擦片，使用数显游标卡尺测量摩擦片初始厚度为 8.72 mm。然后测量不均匀磨损后的摩擦片厚度。将编号为 1 6 共 6 个测点标记闸瓦垫摩擦片的内侧测点，编号为 7 12 的 6 个测点标记为摩擦片外侧（靠近车轮外缘）测点。测量数据如表1所示。表 1 轮边制动器摩擦片磨损部位测量数据记录摩擦片内外侧测点磨损数据，分析数据可知，靠近大车轮缘外缘的 6 个测点，测点 7 测点 12 平均厚度为 8.13 mm，靠近轮缘内侧的 6 个测点，测点 1 测点6 平均厚度为 8.46 mm。对比初始厚度，所有测点的磨损量尚未超出制造厂家的允许值（摩擦片磨损达到 50%时应予更换）。摩擦片外侧平均磨损量为 0.59 mm，内侧平均磨损量为 0.26 mm，外侧磨损量明显大于内侧。3.2 随位弹簧失效引发开闸时单侧退距偏差分析轮边制动器的结构可知，制动闸瓦既可以绕连接销轴转动，也可以随制动臂绕铰点转动。正常开闸时，闸瓦随制动臂绕铰点向远离车轮方向转动一定角度，随位弹簧拉住靠近轮缘一侧闸瓦，闸瓦在弹簧拉力作用下绕连接销轴转动，使摩擦片整体与制动盘保持对中平行状态，如图 5b 所示；抱闸时，随位弹簧由开闸时的拉伸状态过渡到压缩状态，挤压靠近轮缘一侧闸瓦，使其绕连接销轴反方向转动，实现制动时整个覆面与车轮均匀贴合，如图 5a 所示。因此，无论制动器处于开闸还是闭闸状态，随位弹簧都能够使闸瓦与制动盘面保持对中，处于近似平行状态，以实现整个覆面与车轮均匀贴合8，9。随位弹簧断裂后，失去调节功能，开闸时导致同侧闸瓦与车轮的间距出现偏差，造成制动退距 d2 d1。同时，闸瓦在失去弹簧约束后，因自重作用绕连接销轴转动，当靠近轮缘外侧的退距 d1=0 时，闸瓦甚至会浮贴在车轮上，如图 5c 所示。3.3 制动过程摩擦片运动位置分析制动时，闸瓦摩擦面与制动轮均匀接触，当随位弹簧断裂后，开闸时同侧闸瓦与车轮之间退距将出现偏差。闸瓦随连接销轴因重力作用偏摆，再次制动时，闸瓦的摩擦片内外侧区域与制动轮接触碰撞的时间不同，接触不同步造成摩擦制动的接触压力不同，将引起不均匀磨损。3.3.1 不考虑实际重力作用引发的闸瓦绕连接销轴偏摆图 6a 为同侧闸瓦摩擦片 A、B 2 点开闸、抱闸过程中，绕制动臂铰点 o 转动的相对位置和相对运动，其中A 点靠近车轮轮缘外侧，B 点靠近轮缘内侧。制动闸瓦与制动臂的夹角为 1（可假设闸瓦连接销轴完全卡滞，实际重力作用不会引发闸瓦偏摆）。A 点摩擦片在抱闸时将运动到 A 点，其运动轨迹为以 o 为圆心，r1为半径的圆弧；B 点摩擦片在抱闸时将运动到 B点，其运动轨迹为以 o 为圆心，r2为半径的圆弧。抱闸完全打开时，有 1=2。由于 A、B 2 点绕制动臂铰点 o 转动，二者角速度 w 相同，根据角速度公式 w=d/dt 可知，抱闸时 A 点到达车轮 A点发生接触的运动时间 t1，与 B 点到达车轮 B点的运动时间 t2相等，即 t1=t2，内外两侧将同时接触车轮。因此，无随位弹簧调节，不考虑实际重力作用引发闸瓦绕销轴偏摆，开闸时单侧退距出现偏差；下一次抱闸时，闸瓦沿原路径返回，不会造成接触不同步。轮缘内测测点123456厚度/mm8.188.578.728.528.478.32平均值8.46轮缘外侧测点789101112厚度/mm8.148.037.958.498.188.01平均值8.1350/2023 年第 17 期3.3.2 考虑实际重力作用引发的闸瓦绕连接销轴偏摆假设偏摆后，制动闸瓦与制动臂的夹角为 2，如图6b 所示，比较可知 21，同时有 1 2。由于 A、B 2 点转动的角速度 w 相同，抱闸时 A 点到达车轮 A 点发生接触的运动时间 t1，与 B 点到达车轮 B 点的运动时间t2比较，显然 t1t2，即摩擦片外侧 A 点首先接触车轮。摩擦片内、外侧与制动车轮接触不同步，使得内、外侧摩擦片的摩擦接触时间和接触压力不同，进而引起摩擦片的不均匀磨损，这符合实际情形。4 随位弹簧疲劳断裂分析对断裂后的随位弹簧进行拆解观察，随位弹簧整体形貌如图 7 所示，弹簧呈弯钩状，直径约 6 mm。其中一端固定在弹簧座上，另外一端已破断成两截，弹簧座及上面 2 个螺栓表面均出现不同程度的锈蚀。弹簧局部位置可见锈蚀痕迹，其他位置可见金属光泽。随位弹簧断裂位置位于弹簧座另一侧靠近圆弧处，断口附近无明显颈缩。弹簧断口起裂源区位于弹簧圆弧外侧边缘处，起裂源区形貌较为平整，断面上可见明显的圆弧贝扩纹，呈疲劳断口形貌特征。裂纹由外往内扩展，最后断裂区位于起裂源的对侧，该区域断口呈台阶状起伏不平（见图 7）。整个断口上均可见明显的红棕色覆盖物，由此可推断弹簧从断裂到被发现已有一段时间。经光谱分析可知，弹簧材质为不锈钢，其化学成分分析结果符合 GB/T 208782007不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分对 12Cr17Ni7 的技术要求10，11。（a）不考虑重力引起偏摆时（1=2）（b）考虑重力引起偏摆时（1 2）图 6 摩擦片内外侧测点运动关系图推算轮边制动器工作循环数：岸桥设备于 2007 年投入使用，假设每个工作日轮边制动器运行 10 次，则随位弹簧承受拉、压交变载荷循环 10 次，每年工作 350 (a)正常抱闸状态 (b)正常开闸状态 (c)随位功能失效时开闸状态1.随位弹簧 2.销轴 3.门瓦 4.车轮 5.制动臂 6.液压缸 7.制动弹簧图 5 轮边制动器工作状态示意图ANALYSIS RESEARCH分析研究512023 年第 17 期/ANALYSIS RESEARCH分析研究d（考虑台风季影响），至 2022 年共经历总工作循环次数为 5.6104次，并未达到弹簧的设计寿命。图 7 随位弹簧疲劳断裂，红色区域为疲劳源闸瓦连接销轴因润滑不良、磨屑、杂质污物堆积、内部锈蚀等原因出现转动不灵活甚至卡滞时，随位弹簧实际承受的拉力远超出设计工况，弹簧受力状况持续恶化，在其与闸瓦连接孔的外侧受拉区域产生疲劳源，并有外向内扩展，最终发生断裂。综上所述，闸瓦连接销轴润滑不良导致制动器动作时，弹簧持续处于超载状态，是引发随位弹簧疲劳断裂的主要原因。5 结语本文对岸桥轮边制动器摩擦片不均匀磨损的检验案例进行分析，首先拆解摩擦片进行厚度测量，经过比较得知，闸瓦摩擦片磨损不均匀，外侧摩擦片磨损量明显大于内侧。通过摩擦片开闸、抱闸过程中运动位置分析得知，随位弹簧失效后，闸瓦自身重力作用引起偏摆，使得抱闸过程中摩擦片外侧首先与制动车轮接触，摩擦片与制动车轮接触不同步，使得内、外侧摩擦片的摩擦接触时间和接触压力不同，进而引起不均匀磨损。制动闸瓦的连接销轴润滑不良、运行卡滞导致随位弹簧持续超载，是引发弹簧疲劳断裂的主要原因。轮边制动器是港口起重机械重要的安全保护装置。对其进行检查维护保养时，应对制动闸瓦随位功能和退距均等功能进行重点检查12，13。相关检查项目建议如下：1）观察制动器开、闭闸过程是否灵活、无卡滞，开闸时制动器两侧退距是否相等，摩擦片是否浮贴在制动轮（盘）上；如有异常，应及时调整。2）观察制动器所有摆动铰点的润滑功能是否正常，必要时定期拆解活动销轴，清理内部磨屑、杂质以使活动铰点充分润滑，保证转动灵活。3）检查发现摩擦片外缘普遍出现老化脱落、崩裂等现象时，应予更换。参考文献1 薛志刚，苏文胜，巫波.轮边制动器下起重机的抗风防滑 机理研究 J.起重运输机械，2021(2):25-29.2 JB/T 70202006 电力液压盘式制动器 S.3 TSG Q70152016 起重机械定期检验规则 S.4 温诗铸，黄平，田煜，等.摩擦学原理 M.北京：清华 大学出版社，2018.5 袁琼.摩擦片偏磨对盘式制动器摩擦振动行为影响研究 J.噪声与振动控制,2023,43(1):191-196，214.6 陈东,邹国峰,Anousith C，等.盘式制动器摩擦片偏磨 分析研究 J.机械设计与制造,2020,352(6):235-240.7 尹家宝，卢纯，全鑫，等.列车制动块磨损行为动态演变 数值分析 J.机械工程学报，2021（9）：204-213.8 聂春华.室外起重机轮边制动器防风制动方案 J.港口 装卸，2002（4）：18-19.9 高宝龙.制动器理想制动的设计探讨 J.机械研究与应 用，2017（5）：111-113.10 GB/T 208782007 不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分S.11 张栋，钟培道，陶春虎，等.失效分析 M北京：国防 工业出版社，2004.12 聂春华，陈胜根，付兰梅.全自动免维护制动装置 J.港口装卸，2002（6）：35-37.13 崔麦香.港口起重机安全制动器探讨 J.港口装卸，2012（2）：14，15.作 者：文茂堂电子邮箱：maotang_收稿日期：2023-04-08