岸邊集裝箱起重機輪邊制動器不均勻磨損案例研究*

文茂堂 鄭景星 邱康勇

深圳市質量安全檢驗檢測研究院 深圳 518019

0 引言

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

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

1 輪邊制動器的工作原理

圖1 所示為國產某型號液壓式輪邊制動器，其工作原理為：開閘時，液壓站得電驅動液壓缸，通過壓力油推動活塞桿壓縮制動彈簧（彈簧在液壓缸內部），進而帶動制動臂內收，通過連接銷鉸點作用帶動閘瓦墊遠離制動輪，消除夾緊力；當液壓站斷電失去驅動力時，制動臂在制動彈簧作用下向外擺動，閘瓦墊閉合，夾緊大車車輪輪緣，制動器抱閘。

圖1 液壓輪邊制動器結構示意圖

為保證制動閘瓦隨位功能，制動器對稱設置隨位彈簧，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，對國內某港口一批岸橋進行定期檢驗時，發(fā)現(xiàn)輪邊制動器配對的制動車輪摩擦痕跡深淺不一，且多臺岸橋普遍存在同一現(xiàn)象。操作大車運行機構未發(fā)現(xiàn)跑偏，隨后對輪邊制動器進行動作試驗，開閘時可見兩側制動器退距基本相等，未發(fā)現(xiàn)摩擦片浮貼在制動輪上的情形。抱閘時觀察一側制動瓦，可見靠近車輪外緣的摩擦片首先接觸制動輪，另一側同樣如此。車輪制動摩擦痕跡和閘瓦摩擦片磨損痕跡如圖2 所示。由此判定輪邊制動器的摩擦片存在不均勻磨損現(xiàn)象。

圖2 磨損痕跡

進一步觀察制動器零部件中，用于調節(jié)閘瓦隨位功能的彈簧處于斷裂失效狀態(tài)，如圖3 所示。被檢岸橋設備自2007 年開始投入使用，維護保養(yǎng)過程中輪邊制動器零部件未曾更換，使用單位在維修保養(yǎng)時發(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量

輪邊制動器閘瓦摩擦片為粉末冶金材料，經(jīng)高溫燒結后加工成形。摩擦片與鋼背采用膠結連接，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，比對摩擦片內外側磨損差異，將異常磨損的制動器閘瓦進行拆解后，測量摩擦片剩余厚度。

圖4 摩擦片厚度測量示意圖

為便于量化比較，首先測量摩擦片初始厚度。選取同型號新出廠未使用的閘瓦墊摩擦片，使用數(shù)顯游標卡尺測量摩擦片初始厚度為8.72 mm。然后測量不均勻磨損后的摩擦片厚度。將編號為1 ～6 共6 個測點標記閘瓦墊摩擦片的內側測點，編號為7 ～12 的6 個測點標記為摩擦片外側（靠近車輪外緣）測點。測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 輪邊制動器摩擦片磨損部位測量數(shù)據(jù)

記錄摩擦片內外側測點磨損數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)可知，靠近大車輪緣外緣的6 個測點，測點7 ～測點12 平均厚度為8.13 mm，靠近輪緣內側的6 個測點，測點1 ～測點6 平均厚度為8.46 mm。對比初始厚度，所有測點的磨損量尚未超出制造廠家的允許值（摩擦片磨損達到50%時應予更換）。摩擦片外側平均磨損量為0.59 mm，內側平均磨損量為0.26 mm，外側磨損量明顯大于內側。

3.2 隨位彈簧失效引發(fā)開閘時單側退距偏差

分析輪邊制動器的結構可知，制動閘瓦既可以繞連接銷軸轉動，也可以隨制動臂繞鉸點轉動。正常開閘時，閘瓦隨制動臂繞鉸點向遠離車輪方向轉動一定角度，隨位彈簧拉住靠近輪緣一側閘瓦，閘瓦在彈簧拉力作用下繞連接銷軸轉動，使摩擦片整體與制動盤保持對中平行狀態(tài)，如圖5b 所示；抱閘時，隨位彈簧由開閘時的拉伸狀態(tài)過渡到壓縮狀態(tài)，擠壓靠近輪緣一側閘瓦，使其繞連接銷軸反方向轉動，實現(xiàn)制動時整個覆面與車輪均勻貼合，如圖5a 所示。因此，無論制動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盤面保持對中，處于近似平行狀態(tài)，以實現(xiàn)整個覆面與車輪均勻貼合[8，9]。

圖5 輪邊制動器工作狀態(tài)示意圖

隨位彈簧斷裂后，失去調節(jié)功能，開閘時導致同側閘瓦與車輪的間距出現(xiàn)偏差，造成制動退距d2＜d1。同時，閘瓦在失去彈簧約束后，因自重作用繞連接銷軸轉動，當靠近輪緣外側的退距d1=0 時，閘瓦甚至會浮貼在車輪上，如圖5c 所示。

3.3 制動過程摩擦片運動位置分析

制動時，閘瓦摩擦面與制動輪均勻接觸，當隨位彈簧斷裂后，開閘時同側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，再次制動時，閘瓦的摩擦片內外側區(qū)域與制動輪接觸碰撞的時間不同，接觸不同步造成摩擦制動的接觸壓力不同，將引起不均勻磨損。

3.3.1 不考慮實際重力作用引發(fā)的閘瓦繞連接銷軸偏擺

圖6a 為同側閘瓦摩擦片A、B2 點開閘、抱閘過程中，繞制動臂鉸點o轉動的相對位置和相對運動，其中A點靠近車輪輪緣外側，B點靠近輪緣內側。制動閘瓦與制動臂的夾角為α1（可假設閘瓦連接銷軸完全卡滯，實際重力作用不會引發(fā)閘瓦偏擺）。A點摩擦片在抱閘時將運動到A'點，其運動軌跡為以o為圓心，r1為半徑的圓??；B點摩擦片在抱閘時將運動到B'點，其運動軌跡為以o為圓心，r2為半徑的圓弧。抱閘完全打開時，有θ1=θ2。由于A、B2 點繞制動臂鉸點o轉動，二者角速度w相同，根據(jù)角速度公式w=dθ/dt可知，抱閘時A點到達車輪A'點發(fā)生接觸的運動時間t1，與B點到達車輪B'點的運動時間t2相等，即t1=t2，內外兩側將同時接觸車輪。因此，無隨位彈簧調節(jié)，不考慮實際重力作用引發(fā)閘瓦繞銷軸偏擺，開閘時單側退距出現(xiàn)偏差；下一次抱閘時，閘瓦沿原路徑返回，不會造成接觸不同步。

圖6 摩擦片內外側測點運動關系圖

3.3.2 考慮實際重力作用引發(fā)的閘瓦繞連接銷軸偏擺

假設偏擺后，制動閘瓦與制動臂的夾角為α2，如圖6b 所示，比較可知α2＞α1，同時有θ1'＜θ2'。由于A、B2 點轉動的角速度w相同，抱閘時A點到達車輪A'點發(fā)生接觸的運動時間t1，與B點到達車輪B'點的運動時間t2比較，顯然t1＜t2，即摩擦片外側A點首先接觸車輪。摩擦片內、外側與制動車輪接觸不同步，使得內、外側摩擦片的摩擦接觸時間和接觸壓力不同，進而引起摩擦片的不均勻磨損，這符合實際情形。

4 隨位彈簧疲勞斷裂分析

對斷裂后的隨位彈簧進行拆解觀察，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紋，呈疲勞斷口形貌特征。裂紋由外往內擴展，最后斷裂區(qū)位于起裂源的對側，該區(qū)域斷口呈臺階狀起伏不平（見圖7）。整個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)已有一段時間。經(jīng)光譜分析可知，彈簧材質為不銹鋼，其化學成分分析結果符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》對12Cr17Ni7 的技術要求[10，11]。

圖7 隨位彈簧疲勞斷裂，紅色區(qū)域為疲勞源

推算輪邊制動器工作循環(huán)數(shù)：岸橋設備于2007 年投入使用，假設每個工作日輪邊制動器運行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（考慮臺風季影響），至2022 年共經(jīng)歷總工作循環(huán)次數(shù)為5.6×104次，并未達到彈簧的設計壽命。

閘瓦連接銷軸因潤滑不良、磨屑、雜質污物堆積、內部銹蝕等原因出現(xiàn)轉動不靈活甚至卡滯時，隨位彈簧實際承受的拉力遠超出設計工況，彈簧受力狀況持續(xù)惡化，在其與閘瓦連接孔的外側受拉區(qū)域產生疲勞源，并有外向內擴展，最終發(fā)生斷裂。

綜上所述，閘瓦連接銷軸潤滑不良導致制動器動作時，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 結語

本文對岸橋輪邊制動器摩擦片不均勻磨損的檢驗案例進行分析，首先拆解摩擦片進行厚度測量，經(jīng)過比較得知，閘瓦摩擦片磨損不均勻，外側摩擦片磨損量明顯大于內側。通過摩擦片開閘、抱閘過程中運動位置分析得知，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首先與制動車輪接觸，摩擦片與制動車輪接觸不同步，使得內、外側摩擦片的摩擦接觸時間和接觸壓力不同，進而引起不均勻磨損。制動閘瓦的連接銷軸潤滑不良、運行卡滯導致隨位彈簧持續(xù)超載，是引發(fā)彈簧疲勞斷裂的主要原因。

輪邊制動器是港口起重機械重要的安全保護裝置。對其進行檢查維護保養(yǎng)時，應對制動閘瓦隨位功能和退距均等功能進行重點檢查[12，13]。相關檢查項目建議如下：1）觀察制動器開、閉閘過程是否靈活、無卡滯，開閘時制動器兩側退距是否相等，摩擦片是否浮貼在制動輪（盤）上；如有異常，應及時調整。2）觀察制動器所有擺動鉸點的潤滑功能是否正常，必要時定期拆解活動銷軸，清理內部磨屑、雜質以使活動鉸點充分潤滑，保證轉動靈活。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，應予更換。