起重機(jī)制動器制動力矩在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

王志剛 程志彥 武 鈺 文 豪

1 山西工程職業(yè)學(xué)院 太原 030009 2 太原科技大學(xué) 太原 030027

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國當(dāng)前起重機(jī)械保有量約為25 萬臺左右。起重機(jī)作為特種設(shè)備，其安全的重要性不言而喻。起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的傳動鏈中均設(shè)置有制動器，其作用是使該機(jī)構(gòu)的動作能夠停止且停在指定的位置上，并保持在該位置直到進(jìn)行下一個指令動作時。

近些年來，隨著信息化、智能化水平的不斷提高，越來越多的用戶要求制動器應(yīng)能及時感知自身加載在傳動鏈上的制動力矩，可以在線監(jiān)測制動器工作時制動力矩的大小和變化，并通過一段時期內(nèi)制動力矩的變化來判斷制動器的制動性能是否有變化，若是突然變小，則應(yīng)提示控制系統(tǒng)及時安排人員對制動器進(jìn)行維護(hù)和升級，保證其狀態(tài)和性能完好。起重機(jī)常用制動器包括鼓式制動器和盤式制動器。有些制動器廠家將制動器中鉸接固定摩擦片的銷軸做成傳感器，或在固定銷軸的臂架上裝設(shè)傳感器，以感知制動器的摩擦片作用在制動輪或制動盤上時產(chǎn)生的反作用力。雖然這些方法較好地實現(xiàn)了前述的要求，但因為銷軸和臂架本身尺寸有限，為了布置傳感器需要單獨放大某些零部件，而且銷軸本身使用頻率很高，經(jīng)常承受滿載，改變原有結(jié)構(gòu)形式帶來一定的安全風(fēng)險。

實際上，上述裝有傳感器的制動器只能感知摩擦片作用在制動輪或制動盤上的正壓力（即夾緊力、制動力），該正壓力與摩擦系數(shù)、作用力臂的乘積才是制動器產(chǎn)生的制動力矩，其中摩擦系數(shù)不是一成不變的，會隨著摩擦片、制動輪或制動盤的使用情況不斷變化。若制動輪或制動盤上粘上了油污，則摩擦系數(shù)就會降低，雖然正壓力沒有變，但實際的制動力矩是下降的，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并清理，就有可能造成嚴(yán)重后果，故上述裝有傳感器的制動器并不能夠完全地、準(zhǔn)確地感知自身加載在起升機(jī)構(gòu)傳動鏈上的制動力矩。

申昌宏[1]提到現(xiàn)有制動器多配有襯墊磨損極限顯示，可在線監(jiān)測襯墊磨損狀況，個別廠家的制動器配有襯墊磨損自動補(bǔ)償監(jiān)測，可對襯墊磨損自動補(bǔ)償情況進(jìn)行監(jiān)測，但都沒有對制動力矩的在線監(jiān)測。給出的在線監(jiān)測制動力矩技術(shù)方案就是依靠加裝在臂架上的傳感器，測出制動器襯墊作用在制動盤或制動輪上的正壓力，進(jìn)而推算出制動力矩。由于摩擦系數(shù)是不斷變化的，該方案推算出結(jié)果的準(zhǔn)確性、持續(xù)穩(wěn)定性存在一定問題。

王衛(wèi)輝等[2]介紹了一種在線監(jiān)測制動器制動力矩的技術(shù)方案，利用PLC 裝置監(jiān)測制動器松閘液壓缸的油壓，并借此推算出制動器的制動力矩。因起重機(jī)制動器多為彈簧上閘、推動器（含液壓缸）松閘，再加上摩擦系數(shù)的變化等因素，其監(jiān)測并推算出的制動力矩準(zhǔn)確性值得商榷。

基于此，本文介紹2 種基于制動器底座支反力的制動器制動力矩在線監(jiān)測技術(shù)，基本原理都是利用制動器上閘后產(chǎn)生的制動力矩作用在制動器底座后會產(chǎn)生反作用力矩，及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測該反作用力矩即可代表真正的制動器所產(chǎn)生的制動力矩。

1 固定底座式技術(shù)

在起重機(jī)中，制動器采用常閉式制動器，即開閘時用推動器打開，而上閘時依靠自身的彈簧使得摩擦片壓緊在制動輪或制動盤上。同時，由于起升機(jī)構(gòu)的特殊性，無論其轉(zhuǎn)動方向如何，其受力方向始終是所提升重物的重力方向，這樣，作用在制動輪或制動盤的力矩也始終是一個方向。

由圖1 可知，無論制動輪的轉(zhuǎn)向如何，其承受重物的力矩始終是一個方向，假設(shè)其承受的重物的力矩是圖示中的順時針方向，則當(dāng)鼓式制動器上閘（抱閘）時對制動輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩應(yīng)該是逆時針方向。傳統(tǒng)方案中，鼓式制動器本身依靠其底座直接安裝在起重機(jī)小車架上平面的支座上，而本方案是在鼓式制動器底座與支座之間加裝2 個傳感器，鼓式制動器上閘制動時會在制動輪的帶動下產(chǎn)生順時針旋轉(zhuǎn)的趨勢，但因為其固定在2 個傳感器上面，限制其無法轉(zhuǎn)動，這樣左側(cè)的傳感器在鼓式制動器上閘制動時承受制動器產(chǎn)生的拉力，右側(cè)的傳感器承受壓力。傳感器的型式如圖2 所示，上部、下部均為帶孔的長方形板，可以通過螺栓分別連接鼓式制動器和支座，中間是筒狀體，在筒狀體上貼有若干應(yīng)變片用來感知傳感器承受的壓力或拉力。通過傳感器所測出的壓力或拉力就可以計算出鼓式制動器作用在制動輪上的制動力矩。

圖1 固定底座式方案

圖2 傳感器

當(dāng)起升機(jī)構(gòu)起吊重物時，傳動鏈轉(zhuǎn)動，此時控制系統(tǒng)控制的制動器在推動器的作用下克服彈簧組的彈力打開；當(dāng)起升機(jī)構(gòu)的傳動鏈要停止轉(zhuǎn)動時，控制系統(tǒng)控制制動器動作，此時制動器斷電，推動器縮回，彈簧組的彈力推動摩擦片壓向制動輪或制動盤，使得傳動鏈停止轉(zhuǎn)動，在制動器制動的過程中，其制動力矩曲線如圖3所示。

圖3 制動力矩-時間曲線圖

從圖3 中可以看出，制動器上閘后，制動力矩迅速達(dá)到最大值，并在下降一定數(shù)值后穩(wěn)定在某一力矩上。同理，傳感器測得的拉力或壓力也是如此?？梢宰畲髷?shù)值計算出制動器作用在制動輪或制動盤上的最大制動力矩，并將此力矩與事先設(shè)置的制動力矩相比較，如果在要求的范圍之內(nèi)即認(rèn)為是滿足要求的，否則提示系統(tǒng)檢修；同時通過一段時期內(nèi)該制動力矩的變化來判斷制動器的制動性能是否存在變化，并提示控制系統(tǒng)及時安排人員對制動器進(jìn)行檢修和維護(hù)。

對制動輪、鼓式制動器、傳感器的受力分別進(jìn)行分析，以推算鼓式制動器作用在制動輪的制動力矩與傳感器所測受力之間的關(guān)系。因各部件的自重對實際的制動力矩和傳感器的受力影響不大，可以忽略，故下面的受力分析不考慮重力的影響。圖4 是制動輪的受力分析示意圖。

圖4 制動輪受力分析示意圖

制動輪的軸向軸伸限制了制動輪在其他方向的自由度，只沿其軸線轉(zhuǎn)動。為此，此處僅考慮影響制動輪轉(zhuǎn)動的受力。鼓式制動器兩側(cè)的制動閘瓦作用在制動輪的兩側(cè)，制動輪承受制動閘瓦的正壓力N1、N2以及因正壓力產(chǎn)生的切向摩擦力F1、F2，1 對切向摩擦力F1、F2形成鼓式制動器對制動輪的制動力矩Mm，該制動力矩與重物通過傳動鏈作用在制動輪的力矩Mz方向相反，但數(shù)值較大，可以使得制動輪快速停止轉(zhuǎn)動。計算式為

式中：μ為制動閘瓦與制動輪的摩擦系數(shù)。

因鼓式制動器結(jié)構(gòu)設(shè)置的原因，通常制動輪承受鼓式制動器兩側(cè)制動閘瓦的正壓力N1、N2大小相等、方向相反，則計算式為

圖5 是鼓式制動器的受力分析示意圖。鼓式制動器承受制動輪所受正壓力N1、N2的反作用力N1f、N2f，反作用力N1f、N2f產(chǎn)生的切向摩擦力F1f、F2f；鼓式制動器底座兩端與2 個傳感器連接螺栓的預(yù)緊力N3、N5以及預(yù)緊力N3、N5的反作用力N4、N6；在制動輪的帶動下鼓式制動器有順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，但因其底座固定在2 個傳感器上，限制了其轉(zhuǎn)動。所以左側(cè)的傳感器作用在制動器底座上的力N7方向向下，右側(cè)的傳感器作用在制動器底座上的力N8方向向上，以阻止鼓式制動器旋轉(zhuǎn)。正壓力N1、N2與反作用力N1f、N2f，切向摩擦力F1f、F2f與切向摩擦力F1、F2，對制動器產(chǎn)生的力矩Mmf與制動器對制動輪的制動力矩Mm，預(yù)緊力N3與反作用力N4，預(yù)緊力N5與反作用力N6均是大小相等、方向相反，這4 個力互相抵消，不對制動器的轉(zhuǎn)動趨勢產(chǎn)生影響，僅是固定制動器的位置；傳感器作用在制動器底座上的力N7、N8大小相等、方向相反，但作用位置不同，共同產(chǎn)生了相對于制動輪軸線的轉(zhuǎn)動力矩Mc，與制動輪對制動器產(chǎn)生的力矩Mmf方向相反、大小相同，保持了制動器的動平衡。計算式為

圖5 鼓式制動器受力分析示意圖

式中：L、K分別是作用力N7、N8相對于制動輪軸線的作用力臂。

圖6 是傳感器的受力分析示意圖。通過在傳感器上設(shè)置的應(yīng)變片可以測出其所受的拉力或壓力，計算式為

圖6 傳感器受力分析示意圖

綜上所述，可以推導(dǎo)出鼓式制動器作用在制動輪的制動力矩與傳感器所測受力之間的關(guān)系為

則通過傳感器所測得的拉力N11和壓力N9即可計算出鼓式制動器作用在制動輪的制動力矩Mm。

N11與N7、N9與N8作用力分別作用在1 個平面內(nèi)，其實際是1 組作用力的合力，2 個傳感器受到的作用力如圖7 所示。

圖7 傳感器受力示意圖

2 可轉(zhuǎn)動底座式技術(shù)

可轉(zhuǎn)動底座式技術(shù)方案如圖8、圖9 所示。鼓式制動器通過螺栓固定在滑塊上面，滑塊頂部為平面，設(shè)有可固定鼓式制動器的螺紋孔，底部為內(nèi)凹的、圓弧形、截面為T 形槽的滑槽，其圓弧半徑R與制動輪的半徑r同心；滑塊安裝在滑軌上面，可沿滑軌頂部的圓弧形T形軌道進(jìn)行周向轉(zhuǎn)動；滑軌頂部設(shè)有與滑塊的T 形滑槽大小相匹配的圓弧形T 形軌道，底部為平面，固定在小車架上平面。這樣，在滑塊和滑軌的固定作用下，鼓式制動器其他方向的自由度均被限制，僅能沿制動輪的軸線回轉(zhuǎn)。在滑塊兩側(cè)均設(shè)置了傳感器支架和傳感器，傳感器支架固定在小車架上平面，頂部側(cè)下方固定了傳感器，正對著滑塊側(cè)面。傳感器支架和傳感器緊緊擠壓在滑塊兩側(cè)，限制滑塊左右轉(zhuǎn)動，也就同樣限制了鼓式制動器沿制動輪軸線回轉(zhuǎn)的自由度，這樣滑塊、鼓式制動器即被固定在制動輪周邊。工作時，無論制動輪沿哪個方向轉(zhuǎn)動，鼓式制動器制動時均會在制動輪的帶動下有轉(zhuǎn)動的趨勢，但由于傳感器支架和傳感器的位置限制，鼓式制動器實際上并不會轉(zhuǎn)動，但其轉(zhuǎn)動的趨勢會給傳感器造成一定的壓力，該壓力與該壓力到制動輪中心的作用力臂的乘積與鼓式制動器作用在制動輪上的制動力矩是大小相等、方向相反的。計算式為

圖8 可轉(zhuǎn)動底座式方案主視圖

圖9 可轉(zhuǎn)動底座式方案剖視圖

式中：Mz為鼓式制動器作用在制動輪上的制動力矩；F為傳感器所測得的壓力，該壓力為鼓式制動器制動時在制動輪的帶動下有轉(zhuǎn)動的趨勢，并在傳感器上形成的壓力；L為傳感器所測得的壓力相對于制動輪中心的作用力臂。

3 試驗驗證方案

為了評估和確認(rèn)本文提出的2 種技術(shù)方案的有效性和準(zhǔn)確性，并就如何利用該在線監(jiān)測技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)制動器的潛在故障或性能下降等問題進(jìn)行研究，使其真正有益于確保起重機(jī)的安全，后續(xù)計劃進(jìn)行試驗驗證。目前試驗平臺正在籌建中，平臺的方案如圖10 所示。

圖10 試驗平臺方案圖

本試驗平臺主要包括起升機(jī)構(gòu)及吊具、試驗配重、固定式鋼結(jié)構(gòu)支撐平臺及其附屬鋼結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)（包括操作臺）、儀器儀表及測試系統(tǒng)等。儀器儀表及測試系統(tǒng)布置在地面平臺一側(cè)，可與電氣控制柜和操作臺一列設(shè)置，方便觀察和操作。

為了既能滿足試驗和驗證要求，又能滿足校內(nèi)場地和實訓(xùn)要求，起升機(jī)構(gòu)優(yōu)選2 t 的起重量。圖中沒有示意出制動器、配套的固定底座式傳感器或可轉(zhuǎn)動底座式傳感器等，主要是考慮到配套時可以靈活處理，盡可能滿足實際制作的需要。鼓式制動器和盤式制動器均計劃采用最先進(jìn)的制動器，可實時顯示制動器自身的制動力矩。這樣可以與本文在線監(jiān)測技術(shù)方案設(shè)置的傳感器所測得的制動力矩進(jìn)行同步比較，以驗證各自的有效性、精確性等；還可通過較長時間的、不同工況的試驗，測試、記錄并分析制動力矩的變化，并找出與制動力矩變化相關(guān)的因素以及其中規(guī)律性的結(jié)論。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)有制動器在線監(jiān)測所測的僅是摩擦片作用在制動輪或制動盤上的正壓力，并不能真正、準(zhǔn)確地反映其作用在傳動鏈上的制動力矩。本文給出的2 種技術(shù)，均可利用制動器底座的反作用力間接測量制動器作用在傳動鏈上的制動力矩，這樣的技術(shù)方案才能實時、準(zhǔn)確地反饋制動器真實作用在傳動鏈上的制動力矩，具有實時性和準(zhǔn)確性，為起重機(jī)向智能化方向邁進(jìn)起到積極的作用。其中固定底座式技術(shù)方案機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，但傳感器略微復(fù)雜，可轉(zhuǎn)動底座式技術(shù)方案機(jī)械結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，但傳感器可以采用常規(guī)的壓式傳感器，2 種技術(shù)方案各有優(yōu)缺點。目前籌建的試驗平臺，可以評估和確認(rèn)本文介紹的2 種技術(shù)方案的有效性和準(zhǔn)確性，最終通過試驗驗證以證明理論分析的正確性。

部分常用中圖分類號——輸送機(jī)械類