散货船用克令吊挂舱装置的研究及计算

贺叶明，丛海军，叶 勇

（1.中海国际船舶管理有限公司上海分公司，上海 200120；2.上海振华重工股份（集团）有限公司，上海 200125）

散货船用克令吊挂舱装置的研究及计算

贺叶明1，丛海军2，叶 勇2

（1.中海国际船舶管理有限公司上海分公司，上海 200120；2.上海振华重工股份（集团）有限公司，上海 200125）

系统分析散货船用抓斗式克令吊挂舱保护的原因，早期和现代克令吊在挂舱方面的区别。从挂舱保护起升绳拉力设定值开始，讨论挂舱动能的产生和消耗的过程。以实例列举了挂舱时受力计算和步骤，以实际数据说明挂舱保护的重要性。

克令吊；挂舱保护；设定值；动能；超负荷；安全

0 引言

船用散货克令吊根据克令吊起升机构情况，配用不同的抓斗，此类克令吊通常都有超负荷保护装置。在起升机构工作时，起升负荷超过 100%时，机构保护装置发出指令，机构减速，若机构载荷超过 110%时，起升机构停止工作。机构通过发出声音和电光等信号，提示机构已经在超负荷状态，保护克令吊安全地工作。

1 挂舱保护装置的设置

超负荷装置很好地保护了机构在超负荷状态时整机的安全性。但是机构在挂舱时，载荷的突变、能量的激增，一般的超负荷装置无法实时响应载荷能量的变化，而遭受破坏，严重时机毁人亡。船用超负荷装置往往将多种工况综合考虑后，笼统地设置为延时响应，设定时间为延时2 s，对于严重超负荷的工况，机械的设定2 s的延时，往往造成严重的事故。

假如设定为超过额定载荷120%时，瞬间断电，机构停止，此时又发生挂舱情况，或者吊载冲顶情况，在高速起升情况下，导致起升钢丝绳和克令吊整机的拉力瞬时急速增加，酿成事故，造成严重的后果。显然起升机构配置的挂舱保护装置比超负荷保护装置更具安全性。

克令吊配置的挂舱保护装置，设定了起升钢丝绳拉力的超载值。当起升钢丝绳载荷超过挂舱设定值F挂时，挂舱保护装置工作，抵消由于超载造成的能量，使钢丝绳的拉力维持在F挂，使整机系统平稳停止。目前在港机和海工机械行业，采用较多的是液压挂舱保护装置。

2 挂舱保护装置起升绳拉力值的设定F挂

挂舱保护装置起升绳拉力值的设定不仅需要参考设计规范，同时需要符合现场工况，结合设计经验和现场调试工况，F挂的取值具有一定的科学性和客观性，取值不能太小，设定偏小无法吸收较大的冲击载荷，在现场的工作中，往往会产生误动作，误报挂舱。F挂的值也不能太大，设定太大，无法起到挂舱保护作用，造成响应太慢，影响整机安全。

根据规范和经验，F挂一般取值为[1]：

上述F挂取值可以根据克令吊的实际使用情况进行调整，直至满足克令吊施工工况要求。

3 克令吊不配置挂舱装置

克令吊及抓斗自重的80%是钢结构，而克令吊的臂架也是箱型结构，可将整个克令吊视为一个弹性体。

克令吊的起升缠绕部分，钢丝绳从卷筒至抓斗直至钢丝绳固定端，钢丝绳的长度在200 m以上，较长的钢丝绳具有一定的延展性，可将钢丝绳视为弹性体。钢丝绳在受力时，钢丝绳的张力和钢丝绳延展长度成比例，钢丝绳张力的增量为[2]：

式中，△L为钢丝绳延展量，cm；s为钢丝绳的截面积，cm2；E为钢丝绳弹性模量，E＝1×106（kg/cm2）；L为钢丝绳长度，cm；s×E/L为钢丝绳的弹性刚度，单位变形的力，kg/cm。

在起升机构挂舱时，超载保护装置断电后，制动器在0.3 s后响应制动，至整个机构全部停止，滑轮、卷筒、卷筒联轴节、减速箱各轴、高速联轴节、高速制动器、电机等各回转件所产生的动能，以及载荷产生的动能，由钢丝绳和整机钢结构所吸收，转变成钢丝绳的势能。先前的克令吊起升速度相对较低，旋转件的动能相对较小，载荷的势能相对不高，整个系统所产生的动能也相对不高，整个克令吊的钢丝绳和钢结构能很好地吸收旋转件所产生的动能，整个克令吊相对是安全的。若先前的机构无法吸收系统的动能，整个克令吊薄弱部位也将发生破坏，此时也需要计算无挂舱装置下受力变化情况，计算钢丝绳在张力变化情况下，拉力增量和钢丝绳延展长度，电机停止的相对时间，以保证整个机构系统安全。

4 防挂舱保护装置分析

4.1 起升机构挂舱时产生的能量

起升机构挂舱工况是一种非常规的超载情况。最常见的例子有，克令吊旋转时吊臂梁遇到障碍物被阻挡，或抓斗在上升和克令吊在旋转过程吊挂住其他物件的情况。

起升机构挂舱情况中，以克令吊旋转过程中抓斗挂住其他物件最危险。在克令吊起升机构回转过程中，起升机构回转件卷筒、卷筒联轴节、减速箱各轴、高速联轴节、高速制动器、电机等动能大，各个回转件在的惯性作用下，继续转动。货物一旦挂舱，起升机构回转件还在继续工作，同时克令吊的回转机构和起升机构同时工作，造成挂舱后的动能急剧上升，造成严重的挂舱后果[3]。其中回转件所产生的动能比例达到整个系统的动能的 80%左右，减小回转件所产生的动能，即减小回转件的转动惯量，可以有效减少挂舱的风险。

在挂舱过程中，使起升钢丝绳拉力急剧增大，此时克令吊钢丝绳L值也达到最小，系统刚度变大，同等的钢丝绳伸缩量下（即△L），钢丝绳的拉力大幅增加，在此工况下，系统最为不利。

4.2 起升系统动能的吸收

1）在挂舱过程中，直接反馈到钢丝绳上的拉力，使钢丝绳变形伸长，以吸收挂舱的能量反馈。对滑轮、卷筒、卷筒联轴节、减速箱各轴、高速联轴节、高速制动器、电机等回转机构产生反作用力，即反向力矩，阻碍回转件的旋转，吸收回转件的动能，平衡系统。

2）电机建立反向扭矩

在机构超载或者挂舱过程中，超载达到 120%时，系统发出断电讯号，电机建立反转扭矩，程序一般将断电讯号到建立反转扭矩设定为几个毫秒之间，但是对于快速的挂舱，电机在一开始无法建立额定的反转扭矩，而是得到较小的反转扭矩，在几个毫秒后才能达到额定的反转扭矩，无法实时响应挂舱工况。

3）起升机构制动器制动（高低速制动器）

在机构超载或者挂舱过程中，超载达到 120%时，系统发出制动讯号，高速制动器安全系数为2，但是高速制动器接收到制动讯号，到制动器制动，往往有一个滞后过程，高速制动器滞后0.3 s，低速制动器滞后0.5 s。也就意味着高速制动器和低速制动器需要在0.3 s和0.5 s后才能建立高速制动力矩M制高和M制低，滞后的时间过程已经接近整个系统的挂舱过程，或者电机已经停止，对挂舱的能量吸收已经不具有意义。

4）挂舱保护装置油缸对挂舱能量的吸收

在机构超载或者挂舱过程中，钢丝绳拉力增加至F挂时，油缸在F挂作用下压缩，油缸压缩变化量△l，油缸吸收的能量和挂舱力F挂和油缸压缩变化量△l成正比。若要缩小油缸压缩变化量△l，则需要增大挂舱力F挂，挂舱力F挂的增大往往导致机构系统结构和机构增大。在系统结构机构强度允许下，可以适当增大挂舱力F挂，挂舱力F挂对电机的力矩数值设定略大于电机堵转力矩。

5）先前无挂舱保护装置的克令吊起升机构，挂舱时所产生的能量由以上第一到第三种情况综合吸收，直至电机和系统停止。但是由上述第一到第三种情况所产生的能量对钢丝绳会产生直接的影响，可能达到钢丝绳破断力，若整个起升机构系统或者整个克令吊系统结构强度不够，往往造成严重的事故。

若安装了起升机构挂舱保护装置，挂舱时所产生的能量由以上第一到第四种情况共同综合吸收，钢丝绳的受力由于挂舱装置F挂的限定，不会造成瞬时增大，由挂舱油缸进行有效的收缩滑移，直至电机停止，系统安全平稳的停止工作[4]。

5 起升机构挂舱时受力计算

以在载有重物的抓斗全速冲顶为例。

5.1 已知条件和计算用公式

抓斗与吊载负荷16.78 t；钢丝绳张力S0＝16 780 kg/8＝2 098 kg（不计效率）；

冲顶时系统绳长L＝180 m＝18 000 cm；

钢丝绳断面积s＝3.799 cm2；

钢丝绳弹性模量E＝1×106kg/cm2；

起升时钢丝绳线速度V空额绳＝4.366 m/s；电机转速为1 800 rpm；

卷筒直径d＝1.379 m；

减速器速比i＝29.766；

M电为电机空载力矩与外载力矩相同：

自起升机构挂舱开始，分段计时计算，计时单位0.01 s。

△Si为每经过0.01 s后，钢丝绳张力增加量；△Si＝△Lis×E/L（kg）；△Li为0.01 s变动后，钢丝绳拉长量，cm；△Li＝Vi×△t（cm）；Vi为每个时刻绳速，cm/s；Vi＝ni/1 800×4.366 m/s（4.366是与马达1 800 rpm时的绳速）。

ni为各时刻马达的即时转速：

式中，△n为每隔0.01 s各电机转速变化量（下降量）；△n＝375×△M×△t/∑Gd2。

式中，△t＝0.01(s)；∑Gd2为起升机构卷筒、联轴节等回转部件，转化到电动机输出上的飞轮矩，kg.m2，∑Gd2＝115.6（kg.m2）。

△M为钢丝绳张力增大产生的负力矩与电机扭矩的差（单位：kg.m）：

未断电前：

电机断电反向扭矩建立前：

电机建立反向扭矩情况：

电机和制动器建立反向扭矩时：

5.2 计算步骤

挂舱前，电机的启动扭矩M电＝194 kg.m，钢丝绳张力S0＝2 098 kg，载荷拉力对电动机的反扭矩-194 kg.m，马达以1 800 rpm匀速运动。

机构挂舱时，电机断电前，电机保持194 kg.m的扭矩，钢丝绳张力立即增加，进行如下计算：

1）计算出挂舱冲顶开始的0.01 s后的钢丝绳变化量：△l＝4.336×100×0.01＝4.366 cm；

2）计算出钢丝绳延展增加4.366 cm后的张力的钢丝绳变化量：△S1＝△l×s×E/L；

第一个0.01 s，△l＝4.366 c，故：

3）计算出第一个0.01 s后绳的张力：

4）计算出这时总垂直力：

5）计算出挂舱时超载载荷钢丝绳拉力对电机的反扭矩：

6）求出在反向扭矩-279.3 kgm下经过0.01 s秒后，马达转速减小量△n＝375×△M×△t/∑Gd2；

7）求出0.01 s后马达减速后的即时转速：

8）进行下移分段时间计算，间隔0.01 s，重复1）～7）的计算，计算依据以第一个0.01 s后的即时情况即电机转速1 797.2 rpm，单绳拉力3 019.5 kg，总负荷24 156 kg，反向扭矩-279.3 kg.m，马达扭矩194 kg.m；

9）计算结果如表1～表4，直至电机转速减至0；

10）△M分为三个阶段：第一个阶段是电机正常工作中，△M＝M阻+M电；第二个阶段是起升机构挂舱时，系统断电，电动机建立反向扭矩前，△M＝M阻；第三阶段是起升机构挂舱，电动机建立反向扭矩，△M＝M阻+M电制。

5.3 吊具冲顶挂舱保护机构挂舱过程计算结果

计算结果如表1所示。

表1 吊具冲顶挂舱保护机构挂舱过程计算结果

表1 吊具冲顶挂舱保护机构挂舱过程计算结果（续）

上述计算基于额定载荷LL＝50 t，电机在得到断电讯号后200 ms，建立100%反向扭矩（有小至额定扭矩），发生挂舱碰顶开始后0.07 s，起升钢丝绳达110%额定载荷拉力，0.09 s后达120%额定载荷拉力，0.14 s电机接讯号转至负转矩，按0.01 s递增，负扭矩增加为38.5 kg.m，0.22 s达到油缸设定值（按照高速制动器200%设定），油缸收缩滑移至0.35 s结束。油缸收缩滑移量8.95 cm。

若电机只断电不建立负力矩时，则0.13 s前计算结果同表1，0.14 s后计算结果如表2所示。

表2 0.14 s后计算结果

若起升电动机不建立反向扭矩，则总时间为0.41 s，才能停止。油缸收缩行程 12.6 cm，增长12.6-8.95＝3.65 cm。

若不装液压挂舱情况，马达建立负扭矩，0.22 s前情况与表1一样，0.22 s后具体见表3。

无挂舱保护装置的系统，系统受力大，最大总负荷达185.612 8 t，单根钢丝绳拉力达23.201 6 t。而加防挂舱保护装置后，最大总负荷为157.25 t，单根钢丝绳拉力为19.656 t。

若无液压防挂舱，且无电机制动时，则0.21 s前与表2相同，0.21 s后见表4。

表3 0.22 s后计算结果

表4 0.21 s后计算结果

5.4 4种情况对照

4种情况的对照表见表5。

表5 4种情况对照表

以上4种情况制动器均为进入制动状态，电机已经响应，即电机停止。系统所产生的能量主要由钢丝绳来抵消，即钢丝绳伸长。电机是否建立负扭矩有作用，但也不明显。加装起升挂舱保护装置后，使系统拉力受控，效果明显，使总负荷可减小：

6 结论

上述对一种散货船用克令吊防挂舱保护装置进行了分析计算，电机功率不是很大，系统的转动惯量 Gd2相对较小。现在常用的克令吊速度大，Gd2大，结果要比上述大得多，加装防挂舱保护装置后效果更明显。

[1]濮良贵.机械设计[M].北京： 高等教育出版社, 2007.

[2]张质文, 虞和谦.起重机设计手册[M]北京： 中国铁道出版社, 1997.

[3]成大先.机械设计手册(第四版 第一卷)[M].北京：化学工业出版社, 2003.

[4]中国船级社.钢质海船入级规范[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

贺叶明（1972—）男，工程师，研究方向：油轮及散货轮甲板机械。