核电站起重机起升传动链制动冲击力分析

吴士杰 徐宏伟 李海宁 苏 冬

核电站起重机是一种特殊起重设备，有相当数量的起重机运行在有核放射性的环境中，要求故障率低、可靠性和安全性高，其起升机构通常设有安全制动器，当制动器制动时传动链中会产生较大冲击，产品设计时如果对最大冲击力无定量分析会产生安全隐患。GB/T 3811—2008《起重机设计规范》4.2.1.2 对制动冲击规定了冲击系数，但通过对具体参数验证，GB/T 3811—2008 中其最大冲击力的冲击系数小于实际计算数值。本文通过对核电站一台25 t 起重机起升机构举例计算，为起重机行业的工程技术人员提供借鉴。

1 核电站起重机基本参数

起重机起升机构布置图见图1。起重量Q ＝ 25 000kg，吊具质量G ＝ 1 560 kg，电动机轴上的转动惯量J 1 ＝ 1.11 kg·m2，制动盘联轴器的转动惯量J 2 ＝ 2.12kg·m2，卷筒直径D ＝ 0.8 m，卷筒的转动惯量J 3 ＝ 359kg·m2，载荷引起的转动惯量J 4 ＝ 885 kg·m2，卷筒转速n ＝ 13.96 r/min，减速器速比ij ＝ 53.548，重力加速度g ＝ 9.81m/s2，高速轴制动器数量2, 高速轴制动器额定制动力矩950 N·m，低速轴制动器数量1, 低速轴制动器制动力矩Mz ＝ 40 480 N·m。

2 计算假设及机理分析

2.1 计算假设

1）计算时只考虑安全制动器的制动作用，不考虑高速轴制动器的制动作用，这样计算的冲击力相对较大，偏于保守。

2）控制系统控制指令发出后，低速轴制动器立即响应（低速轴制动器响应时间越长冲击力越小），低速轴响应时间按零计算，偏于保守。

2.2 制动时传动链冲击力产生机理分析

1）正常制动：副起升机构高速轴设置的2 个制动器，通常叫工作制动器（电机和减速器之间）和紧急制动器（电机对侧）。制动器由开闸到上闸的正常制动顺序通常为：工作制动器→紧急制动器→安全制动器，这种制动顺序传动链中不会产生过大的冲击力。

2）制动器制动时传动链中产生的额外较大的冲击主要是在故障断电和触动急停开关时发生。

3）当起重机发生以上2）的动作时，高、低速轴3 个制动器同时上闸，因高、低速轴制动器反应时间不同，通常是低速轴制动器先上闸，然后高速轴制动器上闸，该工况又无电气制动，这样就导致整个传动链上的惯量首先由安全制动器制动，故起升传动链中会产生较大冲击。

4）空载运行和动载试验时发生以上2）的动作产生的冲击力较大，本文针对这两种典型工况进行分析。

3 空载制动冲击力计算

1）制动时间

卷筒转速n ＝ 13.96 r/min，卷筒角速度ω ＝ 2πn /60＝ 1.462 rad/s，安全制动器总的制动力矩Mz ＝ 40 480N·m，高速轴上的转动惯量转换至低速轴上的转动惯量为

图1 起升机构布置图

式中：k 为考虑其他传动件的转动惯量折算到高速轴上的影响系数；η c 为传动效率。空载时载荷在低速轴引起的力矩

起升

式中：a 为滑轮组倍率；η h 为空载起升时滑轮系统以及卷筒的传动效率。制动时间为

2) 冲击力计算

制动时间为0.39 s 时低速轴传动链中的扭矩为

式中：φ 5 为变速运动引起载荷变化的动载系数。额定载荷起升时引起的力矩为

空载制动低速轴传动链中的扭矩与额定载荷时的扭矩的比值为2.48，该系数即为空载运行发生断电或急停动作时，最大冲击力的过载倍数。

4 动载试验时的冲击力计算

1）制动时间

载荷引起的力矩为

2）冲击力计算

制动时间0.26 s 时的卷筒扭矩为

该扭矩与额定载荷时扭矩比值

该系数即为动载试验时如发生断电或急停动作时，最大冲击力的过载倍数（相对于额定载荷）。

5 计算结果分析

各工况冲击力对比见表1，由于事故制动时不存在电气制动，低速轴制动器响应较快，传动链中的载荷（包括惯量载荷）由低速轴制动器承受。低速轴制动后，高速轴制动器随后制动，将与低速轴制动器同时起作用，高速轴制动器将消耗一部分惯量。表1 中计算冲击值是未考虑高速轴制动作用的最大冲击值，是保守计算数值，实际传动链中的数值要比该值偏小。

表1 各工况冲击力对比

6 结论

1）作用在制动器座和电机座（事故制动）上的最大力受限于制动器的制动力矩，因此, 制动器在满足规范要求安全系数的条件下，制动器力矩不宜过大，否则会导致对机构冲击较大。

2）事故制动时冲击力最大的是传动链中的转动件，最大冲击力能够完全作用到各轴上和相关连接上。

3）事故制动时传动链中额外冲击力主要是由于低速轴响应过快造成的，选取制动器时应注意制动器的类型和指标，安全制动器实际响应时间最好长于高速轴制动器。

4）事故制动时安全制动器和卷筒组支座处冲击力较大，设计时应着重考虑此处支座和焊缝的强度。