（机械制造及其自动化专业论文）起重机制动器试验系统开发与研究.pdf

，煳鼎 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：杰盏坚日期：趋生墨：碰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：融师( 笋嗍丝丛 武汉理工大学硕士学位论文 捅斐 起重机械是一种间歇工作的机械，其工作特点是经常起动和制动，因此， 在起重机械中广泛使用各种类型的制动器，它是保证起重机械安全正常工作的 重要部件。但是随着整体工业制造水平的提高，以及市场要求物流成本逐渐下 降的前提下，起重运输设备正一步步向大型化、智能化等方面发展。于是相应 的配套零部件也必须与行业的发展同步，首当其冲的就是以制动器为代表的安 全装置。 起重机制动器惯性试验系统是进行工业制动器和起重运输机械等方面制动 器新产品的研究开发工作、制动器摩擦机理研究、产品性能检测、产品可靠性 研究、安全事故回溯分析等工作必不可少的重要试验设备。目前国内外的试验 系统普遍采用惯量模拟的方式，而且惯量的模拟一般比较普遍使用机械模拟的 方法来实现，即制动器制动过程的摩擦功均来自惯性飞轮存储的动能。除此之 外，通过不同大小的飞轮配合可以对不同型号的制动器进行检测，比起其他的 模拟方式更加直接。本文主要的研究内容包括以下几个方面。 ( 1 ) 惯性试验台试验原理研究 根据能量守恒原理模拟起重机制动器制动过程，对该过程进行理论分析， 得出试验依据。确定试验台的具体功能和测试的范围。 ( 2 ) 试验台主体结构形式研究 分析以往试验台的结构形式，根据本试验台的具体情况， 验要求的主体结构。该台架结构简单，并且易于制造。 ( 3 ) 试验台拖动方案研究 设计出能满足试 根据试验台的具体要求，进行试验系统飞轮盘组合的计算，分析电力拖 调速技术的常见方法，选取适合本试验台的拖动系统调速方案，并进行电动 功率的理论计算与选型。 ( 4 ) 测试方法研究 分析力矩传感器测量制动器制动力矩的方法，提出新的测量方式，即通 测量转速的变化( 加速度) 间接的得出制动器制动力矩。 关键词：起重机；制动器；转动惯量；试验系统；变频调速 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o i s t i n gm a c h i n e r yi sak i n do f i n t e r m i t t e n tw o r k , t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m e c h a n i c a li so f t e ns t a r t i n ga n db r a k i n g , t h e r e f o r e ，i nh o i s t i n gm a c h i n e r yi sw i d e l y u s e di nv a r i o u st y p e so fb r a k e , i ti st og u a r a n t e et h en o r m a lw o r ko fh o i s t i n g m a c h i n e r ys a f e t ya ni m p o r t a n tp a r t b u ta st h eo v e r a l li n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n gl e v e l e n h a n c e m e n t , a n dm a r k e td e m a n dt h el o g i s t i c sc o s to fg r a d u a ld e c l i n ep r e m i s e ，l i r i n g t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n tw a sd r i f t i n gt o w a r dl a r g e - s c a l e , i n t e l l i g e n t , e t c t h e nt h e c o r r e s p o n d i n gp a r t sm u s ta l s oa n di n d u s t r yd e v e l o p m e n t , t h es y n c h r o n o u s 谢廿lb r a k e i sr e p r e s e n t e ds e c u r i t yd e v i c e c r a n eb r a k ei n e r t i a lt r i a ls y s t e mi sf o ri n d u s t r i a lb r a k ea n dl i f t i n gt r a n s p o r t a t i o n m e c h a n i c a lb r a k en e wt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp r o d u c t sw o r k , b r a k e m e c h a n i s mr e s e a r c h , p r o d u c tp e r f o r m a n c et e s t i n g ，p r o d u c tr e l i a b i l i t y , s a f e t ya c c i d e n t b a c ka n a l y s i si sa ni m p o r t a n tt e s te q u i p m e n tw o r k t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ma th o m e a n da b r o a da n dw i d e l yu s e di n e r t i as i m u l a t i o nm e t h o d s ，a n di n e r t i as i m u l a t i o ni s c o m p a r e dc o m m o n l yc o m m o n l yu s e dm e c h a n i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt or e a l i z et h a t t h ep r o c e s so ft h eb r a k ef r i c t i o na r ef r o mi n e r t i a lf l y w h e e ls t o r a g ek i n e t i ce n e r g y i n a d d i t i o n , t h r o u g hd i f f e r e n ts i z eo f t h ef l y w h e e lc o o p e r a t ew i t hd i f f e r e n tt y p e so f b r a k e f o rt e s t i n g ，c o m p a r e dt oo t h e rm o r ed i r e c ts i m u l a t i o nm e t h o d ，a l s of a v o r st h eo n - s p o t o p e r a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n gr e s p e c t s ( 1 ) i n e r t i a t e s tp r i n c i p l et e s t - b e d a c c o r d i n gt oe n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e s i m u l a t i o nc r a n eb r a k eb r a k i n g p r o c e s so f t h i sp r o c e s s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ee x p e r i m e n tb a s i s d e t e r m i n et h es p e c i f i cf u n c t i o na n dt e s tr i gt h er a n g e ( 2 ) t h em a i ns t r u c t u r ef o r m st e s t - b e d a n a l y i n gt e s t - b e ds t r u c t u r ef o r m ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so ft h i s t e s t r i g ，t h ed e s i g ng i v e s c a ns a t i s f yt h em a i n b o d ys t r u c t u r eo ft h et e s t i n g r e q u i r e m e n t s ( 3 ) t e s tr i gd r a gs c h e m er e s e a r c h 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so ft h er i gt e s ts y s t e m ，c a l c u l a t i o no f f l y i n gr o u l e t t ec o m b i n a t i o n ,a n a l y z e st h ec o m m o ne l e c t r i cd r i v es p e e dc o n t r o l t e c h n o l o g yf o rt h i sm e t h o d ，t h es e l e c t i o no ft h et e s t b e dd r a gs y s t e mp l a na n dm a k e m o t o rs p e e dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no f p o w e r ( 4 ) t e s tm e t h o dr e s e a r c h a n a l y s i st o r q u es e n s o rm e a s u r i n gt h eb r a k et o r q u em e t h o d ，p u t sf o r w a r dan e w m e a s u r e m e n tm e t h o d s ，n a m e l yt h r o u g hm e a s u r e m e n ts p e e dc h a n g e ( a c c e l e r a t i o n ) i n d i r e c td r a wt h eb r a k et o r q u e k e y w o r d s ：c r a n e s ；b r a k e s ；r o t a t i o n a li n e r t i a ；t e s ts y s t e m ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 目的与意义l 1 2 国内外发展现状。1 1 2 1 起重机制动器实验原理2 1 2 2 试验台电机转速调节2 1 2 3 试验台检测方法3 1 2 4 电机驱动功率及范围3 1 3 相关技术。3 1 3 1 能量平衡理论4 1 3 2 变形一犁削粘着理论5 1 3 3 影响滑动摩擦的因素7 1 4 课题研究的主要内容9 1 5 本章小结1 0 第2 章起重机制动器试验系统研究1 1 2 1 起重机制动器简介1 2 2 1 1 块式制动器1 2 2 1 2 盘式制动器12 2 1 3 带式制动器1 3 2 1 4 离心制动器1 4 2 2 制动器试验台试验原理模拟1 4 2 2 1 实际工况模拟。1 4 2 2 2 飞轮模拟原理15 2 3 制动器试验台功能1 6 2 3 1 试验对象16 2 3 2 试验台主要性能参数及范围1 7 2 3 3 数据采集1 7 2 3 4 静态额定制动力矩测试1 8 2 3 5 动态额定制动力矩测试1 8 2 4 试验流程19 i v 武汉理工大学硕士学位论 v 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 2 间接测量法3 9 5 2 旋转编码器4 1 5 2 1 旋转编码器类型4 1 5 2 2 输出信号4 2 5 2 3 编码器的应用4 2 5 2 4 注意事项4 4 5 3 制动器动态制动力矩测量方法研究4 4 5 4 软件程序选择4 5 5 4 1d s p 开发环境4 5 5 4 2 界面监控软件介绍4 6 5 4 3 试验台控制软件介绍4 7 5 5 本章小结4 8 第6 章结论与展望4 9 6 1 本文总结4 9 6 2 工作展望5 0 致谢5 1 参考文献5 2 攻读硕士期间发表的学术论文5 4 v l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 目的与意义 第1 章绪论 起重机械是一种间歇工作的机械，其工作特点是经常起动和制动，因此， 在起重机械中广泛使用各种类型的制动器，它是保证起重机械安全正常工作的 重要部件。但是随着整体工业制造水平的提高，以及市场要求物流成本逐渐下 降的前提下，起重运输设备正一步步向大型化、智能化等方面发展。于是相应 的配套零部件也必须与行业的发展同步，首当其冲的就是以制动器为代表的安 全装置。如功率达到15 0 0 l 【 w 的起升机构已经运用在卸船机和大型集装箱起重机 上，在紧急制动工况，单次的制动器力矩可达至1 4 x 1 0 6 j r l l 。因此必须增大制动器 规格，也就是增大制动力矩。其次，因为起重能力的不断增加，作为安全制动 器，在调运危险物体时，也需要在传动末端安装制动器，所以制动器必定向大 型化发展。那么以往的试验台已经无法满足现在港口的需求。 如今，随着起重机行业的发展，需要更加精确，测量范围更大的试验台来 满足现在有的不足。据有关数据显示，由起重机零部件引起的机械故障呈逐渐 增加的趋势，其中因制动器引起的机械故障尤为突出，约占常见类型起重机故 障总数的2 2 。因此，单从经济角度来看，提高制动器的整体可靠性和稳定性 是至关重要的。与此同时，在制动器工作原理的研究、产品稳定性检查、安全 事故分析等领域也有这举足轻重的作用。而在对新产品开发的过程中，也可以 通过制动器实验台模拟实际工况，得出实际工作中的性能参数，确保新产品投 放市场后能够安全稳定的完成工作任务。此外，全国各大特检部f - j x 寸制动器性 能的检测也是十分关注的，制动器属于必检的重要部件，检查不合格是绝对不 允许使用的。 1 2 国内外发展现状 国内外关于制动器试验台的资料比较少，但是从一些考察报告中可以看出， 在日本、法国、美国、德国等工业发达国家，对于制动器的试验是十分重视的， 纷纷建立专属与自己的试验台，例! z 1 1 - 德国d e m a p 的起重机制动器试验系统，美 武汉理工大学硕士学位论文 国c h a s e 的制动试验台等【2 】。改革开放以来，我国引进了国外的许多先进机械 设备，同时也带来了国外各公司的多种制动器实验设备，如c s l z s , i j 动器综合性 能试验台、m m l 0 0 0 惯性摩擦试验机等。 m m l 0 0 0 惯性摩擦试验机是在原苏联j 0 1 、j 0 2 试验机的基础上改进研制的。 该试验机是一种模拟短时反复制动时的惯性摩擦试验机，基本能满足干式摩擦 试验多方面的要求。国产m m l 0 0 0 摩擦试验机，由调速电机通过平皮带带动主轴 旋转，经离合器与一端装有环形试样的主轴相联接或脱离。试样安装在固定于 加载气缸轴的一端。主轴的一端可更换不同的转动惯量盘，转速可通过整流子 电机无极变速，载荷可通过气缸的不同气压来调节。装在气缸主轴端的等强度 杆可测量制动摩擦力矩。该机可在不同转动惯量下，对不同制动速度、制动压 力、制动频率、制动时间等参数条件下制动衬片材质、摩擦力矩、制动温度及 衬片磨损量的变化特性进行评。这种试验机适用于压力及速度变化范围较大的 摩擦制动装置，对不同的摩擦状态，模拟工况条件有一定的实际意义，但不适 宜用与低速度和小压力的场合。 h p - s 定速摩擦试验机最早由日本人采用，它是通过测出一定压力、速度下 连续制动时，摩擦材料的摩擦系数和磨损率随温度变化的情况，从而判断摩擦 材料性能的试验设备。其特点是采用盘一块式摩擦副，定速滑磨。定速摩擦试 验机是由电机通过三角带、锥形齿轮带动主轴上的摩擦盘以一定速度转动的。 试样安装在上支撑臂中，并通过加载杠杆系统向摩擦盘施加一定负荷。摩擦面 温度由热电偶测量，加热装置置于摩擦盘下摩擦力矩由弹簧系统的测力杆和 转鼓记录。该机结构简单，操作方便。它以测试摩擦材料性能为目的。 1 2 1 起重机制动器实验原理 目前国内外的试验系统普遍采用惯量模拟的方式，而且惯量的模拟一般比 较普遍使用机械模拟的方法来实现，即制动器制动过程的摩擦功均来自惯性飞 轮存储的动能。除此之外，通过不同大小的飞轮配合可以对不同型号的制动器 进行检测，比起其他的模拟方式更加直接，也利于现场的操作【3 1 。 1 2 2 试验台电机转速调节 国内外现有的电力拖动调速主要有直流调速系统与交流调速系统。直流 速属于传统的调速方法，能实现无级调速，具有较高的调速性能，一直在机 传动中占领者主导地位。因此，国内外的起重机制动器试验台大多才用了直 电力拖动系统。但是其缺陷也十分明显，如结构复杂、对工作环境要求较高 2 武汉理工大学硕士学位论文 性价比低等。于是在自动控制原理和计算机技术的发展下，交流电机调速系统 得到了更多的应用，大大的提高了调速的稳定性与调速范围，并且在p l c 等电气 元件的辅助下，能够实现对转速的实时监控和调节 4 1 。由于以上原因，交流电力 拖动在调速性能方面已经可以与直流电力拖动媲美，并能在较恶劣的环境下工 作和具有良好的性价比。由于以上原因，1 9 9 8 年交流变频调速系统在世界的销 售额就已经接近5 0 亿美元。发展最为迅猛的是在日本，其次是美国和欧洲。改 革开放以来，我国在交流变频调速上取得了许多重大的突破，也引进了许多国 外先进的变频装置生产线。但与国外先进水平相比，仍然有许多不如人意的地 方，如配套产业基础薄弱，工艺水平较低等问题。不过，通过对市场需求的现 状和国外交频调速的发展规律分析，可知变频调速有着巨大的潜力。 1 2 3 试验台检测方法 国内外制动器试验台的检测系统基本上采用两类方法。一种是将计算机技 术作为控制核心融入实验系统，把系统采集的信号转化成电信号，通过逆变器 和控制器等电器元件发送给计算机，并利用a d 采集电路作为桥梁实现串接， 然后数据通过计算机程序的处理，将结果显示给操作人员。该方法具有较高的 测量精度和可靠性，但对自动化的程度要求较高。另一种方法是采用传统的硬 件仪器测量法，将实验系统采集的信号发送给示波器等，并记录模拟的曲线， 由于该记录的数据是离散的点，是无法直接显示最终结果的，需要在通过人工 的判定与数据的处理，最终得出实验结果。该方法实验工作量大，且精度容易 受到人为因数的影响，因此，如今大多数场合不建议使用这种方法。 1 2 4 电机驱动功率及范围 限于当时起重机行业发展和配套零部件的限制，起重机制动器试验台的动 力系统均较小，通常采用2 2k w 的电机驱动。因此，飞轮组合转动惯量的调节 范围较窄，能模拟的工况也较少。但是随着市场的需要，起重机的起重能力已 经越来越大，相应机构的功率也将大大的提高，最大驱动功率已经达到2 0 0 k w 。 因此，起重机制动器试验台也必定会像大型化的方向发展。 1 3 相关技术 衔接段起重机制动器大多数是依靠摩擦原理，通 减速制动的。从本质上讲，摩擦是在外力作用下，发 3 武汉理工大学硕士学位论文 动趋势的物体，受到与其相接触的物质的阻力作用，在其接触面上产生的一种 能量转换现象。虽然这是一个复杂的转换过程，但是也有其特有的规律可寻。 1 3 1 能量平衡理论 利用能量平衡理论分析发生在物质表面的能量转换和消散现象是一种很好 的方法。它具有以下几个要点。 ( 1 ) 摩擦过程是一个能量分配与转化的过程，如图1 1 所示。一个摩擦学 系统在摩擦过程中，其输入能量等于输出能量与能量损失之和，能量损失即摩 擦能量。对于金属摩擦，其摩擦能量主要消耗于固体表面的弹性与塑性变形。 而在交替发生粘着的过程中，此变形能可能积蓄在材料内部而形成位错或转化 为热量。断裂能量( 表面能) 在磨损( 磨粒形成) 过程中起主要作用，它使摩 擦表面形成新的表面和磨粒。一般第二次过程能量的作用较小，但在某些情况 下( 如合成材料的分解或剥离，摩擦化学过程大量吸热和制动器的制动过程等) ， 这部分能量损失较大，估计可达3 0 。 图1 1 摩擦过程中能量转化与分配示意图 ( 2 ) 可借助摩擦力所作的功( 摩擦功) 来表达摩擦过程的能量平衡。在一 般情况下，摩擦功w 的大部分转化为热能q ，以热的形式消散，小部分( 越9 1 6 ) 则以内能e 的形式存储于表面层。即： 彤= q + a e 如果表面没有明显的塑性变形，则摩擦功全部转化为 4 武汉理工大学硕士学位论文 彤= q ( 1 - 2 ) 实验表明，能量平衡各组成部分之间的比例关系( a e q ) 主要取决于摩擦 副的材料、载荷、工作介质的物理一化学特性和摩擦路程。此外，它与摩擦副 中金属的变形特性也有重要关系。在其他条件相同时，金属的塑性越好，则w ， 越小，所形成的q 也越小，而消耗的a e 越大。硬的淬火摩擦时，q 实际上可 达1 0 0 ，则4 e d 。 ( 3 ) 在一定条件下，摩擦过程会发生摩擦能量的转化( 转化为热能、机械 能、化学能、电能和电磁能等) 以及摩擦副的材料和形状的变化【5 】。 1 3 2 变形一犁削一粘着理论 变形一犁削一沾着理论认为：粘着、微凸体的变形以及对表面的犁削是产 生滑动摩擦的主要因素，其中滑动表面的状态又决定了它们影响摩擦系数的程 度，而滑动表面的状态却主要受到材料的性质和外表环境的影响，如水蒸气、 氧化物等。 ( 1 ) 摩擦系数的变化 摩擦系数是研究摩擦、磨损的一个重要性能指标，但是在整个摩擦过程中， 它却是一个变化的物理量，具体可以分为6 个阶段： 第一阶段：摩擦表面受到污染，并形成薄膜，此时由于粘着现象并未完全 出现，因此并不是影响摩擦系数的主要因素。相对滑动开始时，在两滑动表面 的作用下，产生微凸体，但是表面并没完全接触，微凸体不会发生形变，微凸 体对滑动表面的犁沟作用是影响摩擦系数的主要因素。 第二阶段：滑动表面进一步接触，破坏薄膜，磨粒受到挤压，大大增加犁 沟作用的效果，粘着现象也开始发挥主导作用，因此，摩擦系数逐步上升。 第三阶段：随着表面接触的加深，将大大增大磨粒数量，导致粘着现象和 犁沟作用进一步加强，在两者的联合作用下，摩擦系数的增加变的十分明显。 第四阶段：在此阶段，摩擦系数基本达到最高值，并在一段时间内保持稳 定状态。这是因为此时磨粒的磨损与产生基本相同。 第五阶段：随着摩擦距离的增加，滑动表面逐渐平整光滑，微凸体被磨平， 形成光洁的表面，微凸体逐渐较小，犁沟作用被消弱。摩擦系数开始下降。 第六阶段：此阶段，软表面和硬表面同时达到镜面状态，表面粗糙度将不 会随距离的增加而变化，因此，摩擦系数到达平衡点。 武汉理工大学硕士学位论文 - o 尊安 悄酶 辎 越 滑动距离d 图1 2 摩擦系数的变化过程 以上是摩擦系数变化的一般流程，但是也有特殊状况，如当软表面静止， 硬表面滑动时，只有硬表面产生抛光现象，摩擦系数将会经历第三阶段后直接 进入平衡阶段。 ( 2 ) 机理分析 由微凸体引起的摩擦 在图1 3 中，a b 为两个微凸体的接触界面，要使者两个表面发生相对滑动， 微凸体必须变形，使其位移与滑动方向一致。 图1 3 微凸体相互进入时的物理模型 粘着引起的摩擦 软材料的强度和表面粘着力度是影响粘着摩擦现象的主要因素。 犁沟引起的摩擦 犁沟是引起摩擦的主要因素之一，通常在挤压的作用下，材质较硬的微凸 体被嵌入到较软材料的滑动表面，当相对滑动时，微凸体和软材料的变形便产 6 武汉理工大学硕士学位论文 生了犁沟现象，因此，由犁沟引起的摩擦系数的大小很大程度是由微凸体的结 构形式和大小决定的。此外，微凸体嵌入的越深，产生的犁沟现象越明显，并 会在滑动的距离内产生山脊，逐步形成新的微凸体。 由此可见，摩擦并不是单一因素作用产生的，是一个相对复杂的过程。通 常情况三种状况会同时发生，但在一定的场合，也会有先后顺序。因此，在研 究摩擦机理时，不仅仅要考虑所用材料的本质特性，也要考虑到实际生产过程 中可能遇到的工作环境。 通常认为摩擦是粘着、犁削和表面粗糙度三种因素综合作用的结果，即： | = 二h + t a n 0 + f p ( 1 - 3 ) 式中：f 材料的剪切强度； 月l 材料的硬度； 秒，傲凸体的斜角； 矿考虑犁沟效应的摩擦系数的分量。 1 3 3 影响滑动摩擦的因素 由于摩擦过程的复杂性，至今尚无十分完善的理论解释各种摩擦现象，而 且对于影响摩擦的因素也还缺乏完全一致的认识。因此，一般只研究一些主要 的影响因素。 ( 1 ) 材料属性 对于金属材料，其摩擦力通常会随硬度的减小而增大，这是因为硬度减小 时，金属塑性变形的能力较大，导致粘着能力变大。所以在选择摩擦材料时， 应使用相同材质的金属或具有较大互溶性的金属，以达到所需的摩擦系数。 ( 2 ) 载荷 由于起重机制动器大多使用的金属为摩擦材料，此处只研究金属对金属的 摩擦。对于一般材料，其摩擦系数与载荷之间的关系是随载荷的增大而减少， 并在到达峰值后逐渐稳定。而金属与金属的摩擦，其主要影响因素是材料本身 的剪切强度，即： f = a r r s ( 1 - 4 ) 式中：fs - 较软材质的剪切强度。 由此可见，对于大多数的材料，摩擦力的大小往往与相对滑动的接触面积 成比例。但是，在实际工作中，接触面的增减并不是与载荷大小的增减成比例 7 武汉理工大学硕士学位论文 的，这是因为载荷的增长率要大于接触面的增长率，所以，载荷的增长率也将 大于摩擦力的增长率【6 】。那么，摩擦系数会随载荷的增大而减小，但是这种趋势 不会一直持续不变，当载荷的变化与接触面的变化同步且成比例时，摩擦系数 达到稳定值，这个常数也就是通常认为的摩擦系数。摩擦系数是材料的一个特 性，但是并不是每种材料的特性都一样，在采用钢与高分子材料相对摩擦时， 情况将发生相当大的变化。在低速滑动时，与金属摩擦相类似。而在高速滑动 的时，由于摩擦过程中产生大量的热能，在每一种滑动速度下，其摩擦系数的 峰值随滑动速度的增加向低载荷方向移动。 ( 3 ) 滑动速度 摩擦制动是一个十分复杂的过程，滑动速度对摩擦系数的影响究竟有多大 并没有统一的结论，但通过大量的实验得出了一个经验公式，即： = o e x p ( - e v ) ( 1 5 ) 式中：广参数； 埔动速度； 石一静摩擦系数； ( 4 ) 温度。 温度是影响摩擦系数的重要因素之一，其往往需要与滑动速度、载荷等因 素综合考虑研究。并且不同材料也具有不同的温度特性，那是因为温度的变化 可以改变材料的基本性质( 如水变成冰，其摩擦系数大大改变) 。对于金属材料， 其主要特征是：在任何情况下，摩擦系数都会随着温度的改变而有规律的变化， 而且必定会出现一个最小值。因此，存在一种浴盆状特性曲线，其主要原因在 于： 1 ) 粘着处的剪切强度随温度的逐渐下降而升高，因此，摩擦系数也相应增 大。但是，这种变化趋势并不是单一的，还会受到其他因素的影响，如弹性模 量和载荷等。 2 ) 对与大多数材料，其表面硬度都是随温度的下降而增大的，其表达式为： h b = h b o e x p ( - aa t ) ( 1 - 6 ) 式中：册广材料的布氏硬度( 通常指室温下的数字) 。 扩材料相关系数； a t 一温度。 但是，这种变化只适用于一段区间，因为在硬度下降时，粘着现象会更明显， 反而增大了摩擦力。所以在以上两方面的影响下，随温度的升高，摩擦系数会 武汉理工大学硕士学位论文 逐渐减小，直到达到极小值 7 1 。 ( 5 ) 表面特性 1 ) 表面几何特性 通常把表面粗糙度对摩擦系数的影响分为3 个区。第一区，两个接触面均 较为光滑，摩擦力主要来源于面与面接触时产生的粘着力，此时表面粗糙度较 小，接触面的大小为主要决定因素。因此随着粗糙度的增大，其真实接触面积 会减小，摩擦系数则会逐渐降低。第二区，该区主要针对的是实际工程中所应 用的材质表面，其表面具有一定的粗糙度，但摩擦系数几乎不受表面的影响。 第三区，此区属于拥有较大粗糙度的表面，用肉眼或手触摸便可以发现表面的 微凸体，当两表面相对滑动时，这些微凸体的犁削作用和变化是引起摩擦的主 要因素，并且摩擦系数会随粗糙度的下降而减小。 2 ) 表面膜 在实际工作中，工作表面很容易受到环境的影响，如二氧化碳、硫和水蒸 气等形成一层薄膜依附在材料表面。这将大大降低材料的摩擦系数，这是因为 薄膜的强度远低于材料本身，相对滑动时产生的摩擦也就小。因此，应尽量避 免这种现象的发生。 表1 1 氧化膜对摩擦系数的影响 摩擦系数， 摩擦副 纯净表面有膜表面 钢钢 o 7 8 o 2 7 铜一铜 1 2 l0 7 6 1 4 课题研究的主要内容 本文主要研究如何检查起重机制动器的制动能力，在广泛搜集国内外现有 制动器试验系统的资料为前提下，吸收这些成功的经验，利用现有的试验资源， 对起重机制动器试验系统进行研究，主要的研究内容包括以下几个方面。 ( 1 ) 惯性试验台试验原理研究 根据能量守恒原理模拟起重机制动器制动过程，对该过程进行理论分析， 得出试验依据。确定试验台的具体功能和测试的范围，并由此进行试验系统设 计方案和试验流程的制定。 ( 2 ) 试验台主体结构形式研究 9 验要 调速 功率 测量 1 5 内外 对摩 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章起重机制动器试验系统研究 起重机制动器一般是采用机械摩擦制动，其基本工作原理是：机械制动器 采用相对滑动的两个摩擦材料产生制动力，其中一部分与传动机构相连接( 一 般采用弹性联轴器连接) ，另一部分属于固定端，通常与主结构连接在一起。通 常情况，两个滑动表面是相互脱开的，活动端可以随传动机构的转动而旋转， 当需要制动时，固定端开始与活动端接触，在摩擦的作用下逐渐产生制动力， 此时转速开始下降，并会随制动力矩的增大直至停止。此方法结构简单，易于 现场操作与调试，摩擦现象明显，并可根据现场的需要调整制动器的制动能力。 此外，对工作环境没有过多的要求。 制动器的主要作用是控制旋转速度和减速停止，其工作原理十分简单。在 制动器工作过程中，与主结构相连的制动盘或制动轮与活动端的制动衬片相互 摩擦，将传动部件的功能转化为热能，迫使运动部件减速停止，最终热能被制 动盘或制动轮吸收后散发到空气中。虽然这种靠相对滑动的制动过程十分简单， 但是整个过程的变化却是十分复杂的，至今也无法直接测量摩擦制动过程，只 能通过一些间接的手段测得摩擦过程的总体反应，常用的手段有：测量摩擦过 程中的应力分布、接触表面的温度变化和材料的磨损情况等。通过这些数据可 以有效的描述这个复杂的过程。 现阶段，起重机制动器主要采用机械摩擦的方法实现减速制动器的，虽然 机械制动器摩擦副在制动过程中有着十分规律的变化，但是机械制动器制动过 程仍是一个极其复杂的问题： ( 1 ) 在摩擦制动过程中会产生大量的热能，这些热能会被摩擦材料所吸收， 材料的表面温度便会上升，此时表面会形成一层成分较复杂的薄膜，这些薄膜 会导致摩擦表面的特性发生改变，摩擦系数下降，通常称这个变化为热衰退过 程【8 】。该过程对摩擦系数的影响暂未发现明确的关系式，只能通过大量的实验得 出宏观的结果。 ( 2 ) 由于制动过程是一个机械能与热能转化的过程，所以必定会产生机械 振动现象，其中传动轴的抖动最 擦表面的压力不是一成不变的， 影响。 武汉理工大学硕士学位论文 由于以上原因，研究制动器制动应该是多学科综合考虑的过程，以热力学 和动力学为其基础理论。要真实可靠的反映制动过程的实际情况，这样的研究 结果才会对实际生产工作具有指导意义。 2 1 起重机制动器简介 在起重机械的各种工作机构中，制动器是保证安全正常工作的重要部件。 在起升机构中必须装设可靠的制动器，以保证吊重能停止在空中。变幅机构中 的制动器使起重机臂架保持在一定位置。运行机构与回转机构也需要用制动器 来防止风力吹动或下滑的作用。某些起重机的起升机构还利用制动器来使物品 按所要求的速度下降。虽然制动器的类型很多，但是运用到起重机械中的主要 以下面几类为代表。 2 1 1 块式制动器 块式制动器结构简单，安装、调整，维修都很方便，由于两个制动瓦块对 称布置，在结构满足一定条件时，压力基本相互平衡，作用在制动器轴上的径 向载荷很小，最大制动力矩较大，块式制动器在各种类型的电力驱动的起重机 上应用最广。块式制动器由制动轮、制动瓦块、制动弹簧、制动臂，松匣器等 主要部分组成。根据松匣器行程的长短，通常把块式制动器分为短行程块式制 动器和长行程块式制动器。短行程块式制动器的松匣器可直接安设在制动臂上， 使制动器结构紧凑，但其松匣力小，只适用于制动轮直径不超过3 0 0 m m 的小型 制动器。长行程块式制动器的松匣器可通过杠杆系统产生很大的松匣力，适用 于大型制动器。 2 1 2 盘式制动器 按照加载荷类型分，盘式制动器属于轴向加载制动器的一种。在盘式制动 器中，其摩擦副里面的旋转元件即是圆形的制动盘，当附着摩擦层的圆形盘或 者是摩擦片沿着轴的方向移动，同时附带一定的压力压在制动盘上的时候，在 摩擦的衬片和金属圆盘间将会产生一定的摩擦阻力矩，这就是制动力矩。在盘 式制动器中，固定元件有很多种结构形式，其中基本上可分为两大类。其一是 由面积不是很大的摩擦衬片同金属性底板共同组成的制动块，这样每个制动器 中会有2 - 4 个制动块，将制动块和它的驱动装置安装在跨越制动盘两边的夹钳 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 形式的支架里，此类组合有制动盘和制动钳的制动器便是钳盘式制动器。另一 类的固定元件则是圆盘式的摩擦衬片。这类制动盘的所有的工作面都可以同时 同摩擦片进行完全接触，这种制动器一般被称作全盘式制动器。 与块式制动器比较，盘式制动器具有以下优点： ( 1 ) 盘式制动器属于轴向加载制动器，因此径向尺寸相对较小，并且制动 时不会受到弯矩的影响，但是它的制动能力却并没有减小，如直径仅为5 4 8 m m 的多盘式制动器的制动力矩就可以达到4 0 0 0 0 n m 。此外，由于盘式制动器无 增力作用，系统整体稳定性较好，摩擦系数与效率成线性关系，但块式制动器 却恰恰相反。 ( 2 ) 盘式制动器具有较好的热稳定性，这是因为，该结构形式会将制动盘 暴露在空气中，相对滑动的接触面较小，通常面的最大重叠系数仅为0 2 。所以， 在制动过程中，大量的热能可以无障碍的散发到空气中，大大削弱因热衰退而 引起的摩擦系数下降。 ( 3 ) 在采用统一规格的制动器时，盘式制动器的惯性矩会比块式制动器的 惯性矩小很多。负载小可以减少启动和加速的时间，但同时也会降低制动力。 ( 4 ) 盘式制动器的承受能力和工作时间都优于块式制动器。在同一场合， 块式制动器摩擦材料损耗速度明显快于盘式制动器，而在安装、调试和维护等 方面，盘式制动器有着结构更简单和自动调整间隙的能力，因此可以大大减小 平常的工作任务，可以说其工作时间是明显高于块式制动器的。 虽然盘式制动器优点明显，但是也有缺点： ( 1 ) 制动效能较低，盘式制动器的制动效能一般是o 7 左右，而鼓式制动 器却可为达到2 - 2 8 ，故所需的制动液压力较高。与鼓式制动器相比，盘式制 动器需较大的制动力，这是因为盘式制动器制动时，即不产生摩擦力矩，也没 有伺服作用。 ( 2 ) 大多数盘式制动器都暴露在外，摩擦盘长期受n 3 l - 界的影响，如空气 的氧化和水蒸气的腐蚀等。其次由于制动盘单位接触面积小，局部负载相对加 大，所以对衬片的要求会更高，增加了成本。 ( 3 ) 受到装配结构的影响，其密封要求往往要高于鼓式制动器，因此对液 压系统等辅助部件的要求更高【9 】【1 0 l 。 2 1 3 带式制动器 带式制动器是依靠张紧的带有摩擦衬垫的挠性钢作用在制动轮上的压力， 产生摩擦力矩来实现制动。带式制动器的特点是：构造简单，结构紧凑、制动 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 带包角大，在相同的上闸力和制动轮直径时，其制动力矩比块式制动器大得多。 但带式制动器制动时，会对制动轮轴产生较大的径向力，制动带的比压力分布 不均匀，因而使摩擦衬垫磨损不均匀。带式制动器适用于结构尺寸受限制，而 要求制动力矩大或能实现自由落钩的场合，如轮胎式起重机的起升机构。 2 1 4 离心制动器 离心制动器的制动摩擦力矩是依靠重块的离心力产生的。离心制动器是一 种调速器。多用于重力下降的起升机构中，限制货物的下降速度，使货物以一 定速度匀速下降。这中制动器不能使下降运动停止，更不能支持货物于空中。 因此，在起升机构中还须要设置停止制动器。由于这些原因，离心制动器在起 重机械中的应用已不多见【1 0 1 。 2 2 制动器试验台试验原理模拟 2 2 1 实际工况模拟 起重机械是一种间歇运动的机械，其工作特点就是经常起动和制动，制动 器在各机构中主要是起到减速停车制动的作用。下面对起升机构的一次运动为 例进行分析。 图2 - 1 门座式起重机制动过程 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 1 所示，门座式起重机减速停车过程中，根据能量守恒原理，物体运 动过程中的所消耗的机械能等于作用在该物体上的外力所作的攻，制动器吸收 的这些能量，最终以热量的方式散发出来。其表达式为： r ：秒：l m z v 2 + r g l r g h m , g h ：委，；缈2 ( 2 - 1 ) r z 秒z 2 2 j ，= 缈2 再根据动量矩定理： z 乒= j t o ( 2 - 2 ) 由公式( 2 2 ) 可得： 死：d ：_ c o ：，芦 ( 2 3 ) 式中：乃一制动器制动力矩； 允一制动路程( 制动转角) ； m ：一吊物重量( 货物和吊具总重量) ； 广制动初速度； 卜变化的高度； 卜制动时间； ，：一转动惯量； 一制动初