（机械设计及理论专业论文）起重机制动器惯性试验系统研究.pdf

中文摘要 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 事故回溯分析等研究工作必不可少的重要试验设备。 本论文针对起重机制动器的具体工作状况，根据功能原理分析动态和静态起重 机制动器试验系统的模拟过程；通过制动器惯性试验系统试验原理的理论分析，确 定了制动器惯性试验系统所应具有的试验功能，并由此进行了试验系统设计方案和 测试流程的规划；通过对惯性试验系统速度模拟和惯量模拟的理论分析，分析比较 了常用的拖动系统调速方案，进行了试验系统飞轮盘组合惯量的匹配和计算，并在 此基础上进行了试验系统电机功率的理论计算；对试验系统动态制动力矩测试方法 和静态制动力矩测试方法进行理论分析，提出了动态制动力矩测试方法的直接测试 法和间接测试法，并针对被测制动器的使用场合，给出具体的解决方案；利用v i s u a l c + + 6 o 软件平台从设计出发对试验系统进行了详细设计，开发了通用的系统设计软 件，并通过建立s o l i d w o r k s 的三维模型，运用c o s m o s m o t i o n 对试验系统做运动 仿真。 论文研究内容具有创新、实用的特点，有助于完善制动器试验台的设计理论， 满足了起重运输机械大型化的发展趋势，具有一定的理论价值和指导意义。 关键词：起重机；制动器；惯性；试验系统 s t u d y o nb r a k et e s ts y s t e mo fc r a n eb yi n e r t i a w a n gq u a n w e i ( m a c h i n ed e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yw e n h a o ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t b r a k et e s ts y s t e mo fc r a n eb yi n e r t i ai sa na b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yt e s t e q u i p m e n ti ni n d u s t r ya n dh a n d l i n ge q u i p m e n tm a c h i n er e s e a r c h ，i t c a n d e v e l o pn e wp r o d u c t si nb r a k e ；r e s e a r c hb r a k e f r i c t i o nm e c h a n i c s ；t e s t p r o d u c tp e r f o r m a n c e ；r e s e a r c hp r o d u c tc r e d i b i l i t y ；a n a l y s i ss a f e t ya c c i d e n t b a c k t r a c k i n ga n ds oo n i th a sm o m e n t o u ss i g n i f i c a n c ef o rt e s ta n dv e r i f i e s b r a k ef a c tu s ep e r f o r m a n c ea n de n s u r e sb r a k es a f e t ya n dc r e d i b l eb r a k i n g c o r r e s p o n d st of a c tw o r kc o n d i t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e ds i m u l a t i o nd y n a m i ca n ds t a t i cp r o c e s so ft h eb r a k e t e s ts y s t e mo fc r a n eb yi n e r t i aa i m e da tt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h eb r a k eo f c r a n e i tm a d ec e r t a i nt e s tf u n c t i o no ft e s ts y s t e mt h r o u g ha n a l y z e di t st e s t p r i n c i p l e ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i s ，m a d eo u tt h et e s ts y s t e md e s i g ns c h e m e a n dt e s tf l o w t h r o u g ha n a l y z e ds p e e da n di n e r t i as t i m u l a n ti nt e s ts y s t e m ， c o m p a r e d d r i v e s y s t e mt i m i n gs c h e m e i nc o m m o nu s e ，m a t c h e da n d c o m p u t e dt h ei n e r t i ao ff l y w h e e l s ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dc o m p u t i n g ， c o n f i r m e da n dc o m p u t e de l e c t r o m o t o rp o w e rt om a t c h i n gt h et e s ts y s t e m ， a n da n a l y z e dd y n a m i ca n ds t a t i cs t a t eb r a k et o r q u et e s tm e t h o d st ob r a k e t e s t e di nt e s ts y s t e m ，a d v a n c e dd i r e c ta n di n d i r e c tt e s tm e t h o d s ，a n dm a d eo u t t h ea c t u a lr e s o l v em e t h o dt ot h eu s es i t u a t i o no fb r a k e i td e v e l o p e ds y s t e m d e s i g na p p l i c a t i o ns o f t w a r et h r o u g hu s i n gv i s u a lc + + 6 0s o f t w a r ep l a t f o r m i tc r e a t e d3 dm o d e lo ft e s ts y s t e mi ns o l i d w o r k ss o f t w a r e ，a n ds i m u l a t e k i n e m a t i c st ot e s ts y s t e mi nc o s m o s m o t i o ns o f t w a r e t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h e p a p e r h a si n n o v a t i v ea n d a p p l i e d c h a r a c t e r i s t i c ，c o n t e n t sl a r g es c a l et r a d eo fc r a n ea n dc o n v e y p o r , m a k ef o r p e r f e c td e s i g nt h e o r y o fb r a k et e s ts y s t e mo fc r a n e ，h a v et h e o r e t i c a l i m p o r t a n c ea n dg u i d a n c es i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：c r a n e ；b r a k e ；i n e r t i a ；t e s ts y s t e m 承诺书水话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师 指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原 科技大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期 间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中 已经注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：王全伟电锄节 2 0 0 8 年6 月 - re l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 起重机械是在一定空间范围内实现物品空间位移的间歇动作的机械设备，是现 代化企业中实现生产过程机械化、自动化、减轻繁重体力劳动、提高劳动生产率的 重要生产力要素之一，是国家明文规定的特种设备的主要组成部分，在现代化生产 中占据着重要的地位。 伴随中国经济的迅猛发展，国内起重机械行业进入了新一轮的快速发展期，随 着港口、矿山、冶金、电力、机械等的大型化和超大型化的发展趋势，起重机械在 各类经济企业和社会生产中的应用也越来越普遍；在需求动力的牵引下，2 0 0 6 年国 内起重机械行业产值己达近百亿元，其中山西省太重集团有限公司是国内著名的起 重机生产商之一，预计2 0 0 8 年产值将超过2 6 亿元。 在起重机械全行业产销两旺的大好形势下，却也存在着许多不和谐的因素，由 于对特种设备特殊性研究和本质安全化理论研究的滞后等，导致起重机行业普遍存 在着不尽如人意的安全缺位现象，从而使国内起重机械行业处在安全事故的高发期。 起重机械作为国家规定的主要特种危险设备，其事故具有突出的特点：事故呈现大 型化、群体化、恶性化；事故表现突发性、集中性、后果严重性、发生环节全面性； 事故伤害涉及的人员范围广而集中等，造成了严重的经济损失和恶劣的社会影响， 辽宁铁岭“四一八”特大事故就是近年来发生的起重机事故典型事例之一，引起 国家和政府部门高度重视。 针对辽宁铁岭“四一八 特大事故，国家安全生产监督管理总局公布了五项 调查结论，其中两项直接与事故起重机的制动系统有关：( 1 ) 起重机运行中由于电 气控制系统故障及设计缺陷，接触器失电造成电动机失电，制动器不抱闸，钢水包 失控下坠；( 2 ) 当司机操作制动后，由于制动衬垫磨损严重，致使制动力矩严重不 足，未能有效制止钢水包下坠；另外，还有日常维护、安全管理等方面的原因。 由于起重机的工作特点之一就是经常起动和制动，因此，起重机的制动系统对 保证起重机安全、平稳和可靠地正常工作起着十分重要的作用，所以起重机广泛应 用着各种类型的工业制动器。 1 2 研究目的和意义 工业制动器是起重运输机械、冶金机械等机械系统重要的传动及安全装置，直 - 1 一 起重机制动器惯性试验系统研究 接关系到机械系统的安全运行。随着起重输送设备向高速化、大型化、专业化等方 面的发展趋势，相应的工作机构的工作功率随之急剧增大，如超大型集装箱起重机 和卸船机等起升机构驱动功率已达1 5 0 0 k w 以上，单电机功率已达7 5 0 k w 以上，这 样，导致与机构匹配的高速轴制动器规格( 制动力矩) 和制动能量也随之增大，单 次紧急制动能量可达4 x1 0 0 以上；另外，吊运危险物品的起重机还要求在工作机构 传动末端装设安全制动器，这也导致制动器产品的大型化；主机产品的技术发展带 动了工业制动器的技术进步，适用的工业制动器品种规格也随之增多，同时针对工 业制动器的工作可靠性、操作频率、安全寿命等性能参数方面提出更高的要求。 由于工业制动器使用工况非常恶劣，并且缺乏持久有效的维护管理机制；行业 的急速扩张与产品大型化导致行业内存在的设计理念陈旧、制造工艺落后、试验手 段缺乏等一系列内部矛盾日渐突出；再加上政府日常监管规范机制的缺位，使得工 业制动器的使用故障率日渐升高，从而引发起重设备发生故障或事故；据有关数据 显示，由制动器引起的起重机故障，约占常见类型起重机故障总数的2 2 。 新兴的知识经济结构和市场经济竞争机制对工业制动器行业的发展带来了新的 新的挑战和更高的要求，其最显著的技术特征是：专用产品的大型化和高效化；通 用产品的模块化和轻量化；控制自动化、智能化和信息化；产品设计制造的自动化、 柔性化、精益化和规范化；而这诸多方面的实现都与产品科研开发和规范化的工程 试验密切相关。因此，建设适应上述发展趋势的工业制动器试验系统是工业制动器 行业发展的当务之急。 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 事故回溯分析等研究工作必不可少的重要试验设备；对通过试验手段验证制动器的 实际使用性能，确保制动器在相应实际工况条件下实现安全可靠的制动具有十分重 要的意义；起重机制动器惯性试验系统的建设对提高国内工业制动器产品质量、扩 展产品规格系列、完善产品检测手段等具有重要的现实意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 概述 国内能查询到的关于制动器试验台相关内容的国外文献比较少，但从一些国内 的考察报告等文献中可以看出，在德国、法国、日本等工业发达国家中，对制动器 工程试验非常重视，为各种起重机械和工业车辆建立了专用的制动器试验系统，如 2 第一章绪论 德豳d e m a p 就建有专用的起重机制动器试验系统c 江西丰域华伍制动器有限公司就 曾由德国引进了一套制动嚣试验台f 图i - 1 ) 。 田1 - 1i b w 5 - 5 0 0 制动器惯性试验台 改革开放以来，我国引进了国外的许多先进设备，同时也带来了国外各公司的 多种制动器产品，市场上常见的有e m g 、b u b e n z e r 、d e m a g 、s d 旺等。随着改革开 放的深入和加入世贸组织，加快了国内与世界的接轨，建设了专用的汽车、拖拉机 和火车等车辆的制动器试验系统：少数的高校和制动器生产企业也通过引进和自主 开发建设了少量的起重机械制动器试验系统。如太原科技大学和焦作制动器股份有 限公司的q j 2 5 0 制动器惯性试验台( 如图1 2 所示) ，北京起重运输机械研究所的 g s l 2 5 制动器综合性能试验台( 如图1 3 所示) 。进入9 0 年代以后焦作制动器股份 有限公司和江西丰城华伍制动器有限公司( 如图1 - 4 所示) 又开发丁新的大型制动器 试验台。 田1 q j 2 5 0 制动器惯性试验台围1 - 3g s t 2 5 制动嚣综台性能试验台 围1 - 4 江西丰城华伍制动器有限公司新惯性制动试验台 1 3 , 2 国内外设鲁比较 由于我国的摩擦材料试验检测设备是在引进和参考国外设备的基础上发展起来 - 3 - 起重机制动器惯性试验系统研究 的，在所用的设备中既有从国外进口的各种类型的试验检测设备，也有国内厂家生 产的检测设备，但其试验原理、试验方法和设备技术水平均大同小异。 1 试验原理 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；除此之外也可采用电模拟或机电混合模拟的方式；电模拟试验系统是以电机 输出的能量为主，机械飞轮能量只作为稳速和补偿电机特性的不足；机电混合模拟 式大部分使用飞轮存储的能量，而另一部分使用电机以力矩方式输出的功。 从理论上看，机械模拟惯量是一个不变的量，试验结果更加真实可靠；电模拟 对试验系统相对比较难控制，可靠性、稳定性较差，价格昂贵。从发展来看，制动 器试验系统主体基本上是采用机电混合模拟惯性试验台的形式，而制动器试验系统 先进水平的标志主要体现在采用了计算机技术的控制、测试、数据采集与处理部分。 2 调速方法 国内外已有的制动器试验系统大多采用直流电力拖动系统，因为直流拖动系统 具有优异的调速性能，能实现无级调速，但存在构造复杂，价格昂贵的缺点，试验 系统采用直流调速是当时所处技术条件下实现调速的最好选择。 随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使 得交流电力拖动系统的变频调速方法逐步具备了调速范围宽、稳速范围好、精度高、 动态响应快以及可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动 媲美，并且具有良好的经济性和性价比。 3 驱动功率及范围 限于当时的技术条件状况，国内的起重机制动器惯性试验台在驱动功率方面普 遍较小( 如采用2 2 k w , 4 0 k w 电机驱动) 、飞轮盘惯量组合范围较小、模拟工况较少 ( 如最大转动惯量为6 6 - - 1 0 0 k g m 2 ，最大模拟制动能量为1 1 0 6 2 1 0 6 ) 。 随着起重输送设备向高速化、大型化、专业化等方面的发展趋势，相应的工作 机构的工作功率随之急剧增大，如超大型集装箱起重机和卸船机等起升机构驱动功 率已达1 5 0 0 k w 以上，单电机功率已达7 5 0 k w 以上，这样，导致与机构匹配的高速 轴制动器规格( 制动力矩) 和制动能量也随之增大，单次紧急制动能量可达4 x1 0 6 i 以上：另外，吊运危险物品的起重机还要求在工作机构传动末端装设安全制动器， 这也导致制动器产品的大型化；主机的快速发展导致制动器的大型化，使得国内原 有的制动器试验系统距离模拟现有的大功率和超大功率机构的实际制动系统有很大 4 第一章绪论 的差距，试验系统的能力已经无法满足制动器行业发展的需求。 4 数据采集和测试手段 目前国内的制动器试验检测系统基本上采用两类方法。 一种类型是采用传统的检测手段，将系统采集的测试信号用硬件仪器( 如示波 器等) 处理、记录。由于记录的是模拟量曲线，无法直接获得所需数据，还需要用 手工测量和判读曲线的方法得出离散的测试数据后再由人工进行数据处理，数据处 理工作量大而慢，数据的准确度也存在相应的问题。 另一类是从8 0 年代后期开始，将计算机技术引入制动器试验检测系统，这类系 统将采集的信号经变送器后送入计算机的a d 采集电路，计算机再将数字信号处理、 输出，提高了检测的自动化程度和试验数据处理的精度。 另外，目前这些制动器试验检测系统还普遍存在：试验设备由研制单位自行定 义，从而对硬件的依赖性过强；设备的功能和型号固定，不利于试验对象的扩展和 技术升级；系统整体技术更新慢，开发和维护费用高，价格昂贵；由于是封闭系统， 与其它设备连接有限；测试方法上一般是采用力矩传感器直接测量制动力矩，传感 器存在着测量适应范围小的缺点，显得测试方法单一，不能实现对较大制动力矩的 制动器进行测试。 5 控制系统 国外的制动器试验台大多采用的是闭环的电液伺服控制，系统的响应频率高， 控制进度高，但是整个试验台成本较高，且执行的国外试验标准，与我国现行的试 验标准有相当的差异。 国内的起重机制动器试验台几乎均采用开环的电力控制，整台设备成本低，控 制精度基本满足使用要求。 1 4 其它相关技术概况 1 4 1 制动摩擦特性4 3 l 西柏林工业大学输送技术和传动技术研究所的d s e v e r i n 教授对机械式制动器有 着深入的研究，其指出机械摩擦制动时其摩擦副一般由在正压力n 作用下并具有摩 擦速度 ，的金属配对体和摩擦衬片构成( 如图1 5 所示) ，并在摩擦面上形成了摩擦 力f r 。由制动力矩所折算出的平均摩擦系数口m 为： 舻每 ， 5 - 起重机制动器惯性试验系统研究 但在研究领域内至今仍未见有用于描述此类摩擦过程的公式，因为人们很难通过研 究而确定地给出依赖于摩擦单元材料性态的摩擦过程的公式描述。而在应用领域里， 则是通过采用不同的摩擦材料进行“实验修正再实验”的实际经验积累方 式来获得进展。 摩擦体 f e 心2 产 n 图1 - 5 犀摞副的基本构造 由于衬片和盘( 鼓) 表面形貌的粗糙度和接触时的不均匀性，实际接触面积远 小于名义接触面积。在外力的作用下，接触点处承受较大的应力而产生弹性或塑性 变形，表面因高压变形而受到破坏，部分材料剥落或者被挤出，造成基体间的直接 接触而产生“粘着”或“冷焊”现象，形成摩擦力。 摩擦理论研究表明：摩擦系数的大小及其稳定性，不仅与摩擦副材料的性质( 物 理性质、机械及化学性质) 有关，还与制动时的工况条件( 制动作用力的大小、制 动初速、制动频率及制动时间等) 、表面状况( 摩擦表面的粗糙度及接触特性、表面 的温度状况) 和制动副的结构和参数等有关。故只能在特定条件下，得出某些经验 公式，如r h e e 对有机石绵摩擦垫片与铸铁制动鼓组成的摩擦副，在一定的试验条件 下，提出如下摩擦力的计算公式： 耳= 艘a ( o , v 5 ”( 1 - 2 ) 式中： p 制动压力，； ，制动初速度，m s ； 置实验常数； t 制动时间，s ； a , b 与温度有关的系数，对有机石绵摩擦衬片： 口= 0 8 1 2 5 ，b = - - 0 2 5 o 2 5 。 由上式可知，制动摩擦力受多种因素的影响。对金属与有机衬片组成的制动副， 摩擦表面的温度对摩擦力的稳定性影响尤为突出，因此提高制动副材质的热容量、 一6 第一章绪论 导热率、耐热性，选用散热性好的结构设计可以提高制动摩擦力。 1 4 2 制动器擦量掼翻试系统 制动器摩擦村片材料从开发到批量生产一般采用小样试验、台架试验及使用 试验三种测试系统 丑】： 1 小样试验 小样试验是把所需研究的摩擦材料制成尺寸较小的试样，在相应的试样试验机 上进行试验。它的试验条件选择范围较宽，影响因索容易控制。在短时间内可以进 行较多参数和较多次数的试验，试验数据重复性较好对比性较强，易于发现其规 律性，一般多用于摩擦材料配方研究与筛选试验。 小样试验的试验费用较低，周期短，采用比较广泛。如日本的h p - s 定速摩擦试 验机。美国的f a s t 摩擦试验机( 如图1 - 6 所示) 、c h a s e 摩擦试验机等。但是通过研 究证明：从小的摩擦试件所获得的铡试结果，并不能直接应用于起重机械用制动器 的具有较大面积的摩擦副上。 圈1 - 6f a s t 摄试验机 2 台架试验 台架性能试验是利用制动器试验台产生模拟制动器实际工作的载荷，检验制动 器的工况。台架试验是在相应的专门台架试验机上进行的，是在试样试验基础上， 用优选出来的满足摩擦磨损性能要求的材料，制成与实际结构尺寸相同或者相似的 摩擦件和对偶件，并模拟实际使用条件进行试验。目的是选择摩擦副的合理结构。 校验试验数据和在模拟实际工况条件下摩擦件的可靠性。可进行制动器摩擦材料新 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 全事故回溯分析等科研工作。如太原科技大学和焦作制动器股份有限公司的q j 2 5 0 制动嚣惯性试验台f 如图i 2 所示) 、北京起重运输机械研究所的g s l 2 5 制动器综合 性能试验台( 如图1 3 所示) 。 7 一 起重机制动器惯性试验系统研究 3 使用试验 现代摩擦理论证明，从小的摩擦试件所获得测试结果，并不能直接应用于工业 制动器的具有较大面积的摩擦副上，因此，必须通过在实物上进行的试验所测得数 据才更真实可靠。这种试验的真实性和可靠性好，是摩擦磨损试验最终不可缺少的 环节。但是，它需要较多的人力、物力，需要特殊的测量仪器，费用较高，周期较 长，而且试验结果由于受到多种因素的综合影响，不易进行单因素的考察，不易分 析问题产生的原因。 实际试验中，可以在上述两种试验基础上，优选出摩擦磨损性能好的材料，制 成实际使用的摩擦副，然后在实际使用条件下进行试验。如果不进行前述两种类型 的试验，开始就进行使用试验，特别是对摩擦磨损这样一个多因素复杂问题，必 然难以抓住主要矛盾作分析比较，致使整个试验周期拖长，费用加大a 一一 台架试验比小样试验更接近于实际使用条件，从而提高了试验数据的可靠性。 相比使用试验来说，台架试验容易控制试验条件，还可强化实际使用条件，缩短试 验周期，减少试验费用，是比较理想的一种试验方法。因此，对起重机械制动器产 品而言，更强调能够控制使用条件，具有较好数据重复性的台架试验。 1 。5 本文研究的主要内容 综上所述，起重机制动器惯性试验系统是进行块( 盘) 式制动器性能检测和产 品开发研究、科学试验必不可少的试验设备。本论文在广泛搜集国内外现有制动器 试验系统资料的基础上，充分吸收已有的成功经验，进行起重机制动器惯性试验系 统的研究。 论文研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 测试原理研究：根据功能原理分析起重机制动器试验系统的模拟过程：对 制动器惯性试验系统试验原理的理论分析，确定制动器惯性试验系统所应具有的试 验功能，并由此进行试验系统设计方案和测试流程的规划。 ( 2 ) 拖动方案研究：通过对惯性试验系统速度模拟和惯量模拟的理论分析，分 析比较常用的拖动系统调速方案，进行了试验系统飞轮盘组合惯量的匹配和计算， 进行试验系统电动机功率的理论计算。 ( 3 ) 测试方法的研究：对试验系统动态制动力矩测试方法和静态制动力矩测试 方法进行理论分析，提出具体的测试方案。 ( 4 ) 系统软件的设计：利用v i s u a lc + + 6 0 软件平台从设计出发对试验系统进 8 - 第一章绪论 行详细设计，开发了通用的系统设计软件，建立s o l i d w o r k s 的三维模型，运用 c o s m o s m o t i o n 对试验系统做运动仿真。 1 6 本章小结 本章主要介绍了与制动器试验系统相关的一些基本概念，从起重机械大型化发 展趋势下阐明了本论文研究的目的和意义，对国内外研究现状及相关技术作了分析 和总结，同时引出本文研究的主要工作内容。 - 9 第二章起重机制动器惯性试验系统 第二章起重机制动器惯性试验系统 制动器试验系统主要是通过模拟制动器运行的工作环境，对用于起重机械设备 的盘式、块式制动器等进行制动过程和制动性能的测试，并将测试数据( 制动力矩、 速度、温度等) 打印并记录形成制动器的性能试验表。 2 1 制动器结构与工作原理 2 1 1 制动器结构概述 制动就是给运动物体( 系统) 施加一个与运动方向相反的( 机械性、阻尼性、 电磁性、液压等) 阻力或阻力矩，使之减速或停止运动的过程。而制动器是具有使 运动部件( 或运动机械) 减速、停止或保持停止状态等功能的装置，是起重运输机 械中不可缺少的关键部件之一。 起重机械常用制动器一般为块式、盘式和带式等型式( 如图2 1 所示) 。 ( a ) 块式制动器 ( b ) 盘式制动器 图2 - 1 制动器工作示意图 块式制动器主要由制动轮、制动瓦块、制动臂与松闸器等组成；块式制动器的 制动架固装在车架上，制动架上的制动瓦块由通过杠杆系统传递的弹簧力而产生对 装在传动轴上的制动轮的压紧力，从而产生摩擦力而使机构停止下来或保持不动； 块式制动器构造简单，工作可靠，维修方便，在起重机上使用广泛。 盘式制动器的工作面为圆盘的两侧平面，少数为圆锥面，其摩擦副由制动盘和 制动块( 或摩擦盘) 组成，沿制动盘轴向施加压力；盘式制动器制动平稳可靠，制 动力矩可调范围大，制动盘轴不受弯曲载荷，制动性能稳定，但对制动衬垫的材质 要求较高，常用于结构非常紧凑的场合。 起重机制动器惯性试验系统研究 2 1 2 制动器工作原理 制动器都是采用机械摩擦制动，其基本工作原理是：制动器依靠摩擦副间的摩 擦而产生制动作用，摩擦副中的一组与机构的固定机架相连，另一组则与机构转动 轴相连；当机构起动时，使摩擦面脱开，机构转动件便可运转；当机构需要制动时， 使摩擦面接触并压紧，这时摩擦面间产生足够大的摩擦力矩制动力矩，消耗动 能，使机构减速，直到停止运动并保持。这种机械摩擦制动的优点：可使机构制动 平稳可靠，实现各种制动功能；可根据需要调整制动力矩的大小，以适应不同的工 况【3 0 】。 虽然制动器的工作原理比较简单：在制动过程中，制动器通过制动衬垫与制动 轮( 盘) 的摩擦，将运动部件动能转化为摩擦功，并使运动部件减速停止，使运动 部件的动能最终变成热量作用于制动轮或制动盘上；但实际当中由于无法对摩擦副 接触区直接进行观测，因此只能通过观测摩擦副在摩擦过程中的总体反应( 包括局 部温度、正应力分布、摩擦力的大小及其在单个和多个制动过程中的变化、以及摩 擦副的磨损情况和摩擦副表面的化学生成层等) ，来近似描述摩擦区在摩擦过程中的 变化。 起重机的制动主要是通过制动器机械摩擦制动来实现，试验表明，机械制动器 摩擦副在制动过程中有着十分规律的变化反应，但机械制动器制动过程仍是一个极 其复杂的问题【7 】： ( 1 ) 制动时由于制动正压力和制动力矩的动态变化会发生制动抖动现象，而制 动正压力和制动力矩的变化则主要由于制动盘的几何形状的不均匀和其它一些不规 则因素( 如摩擦系数波动、热膨胀率、系统振动等) 产生的。 ( 2 ) 制动时摩擦副在摩擦状态会产生热量，当温度升高的时候，在接触物体表 面会形成一层成分复杂的薄膜，这时摩擦副的摩擦机理发生变化，物体相对运动的 摩擦系数降低，造成热衰退；摩擦副发生热衰退时，摩擦系数的变化量和制动力矩 的变化量的关系仍需要通过大量试验研究获得。 综上所述，制动过程是受动力学和热力学共同作用的一个复杂的过程，制动器 试验台对制动过程的模拟，必须能真实的反应制动器的实际工况和实际制动历程， 这样所得到的数据才具有真实性和可信性。 1 2 第二章起重机制动器惯性试验系统 2 2 制动器试验系统原理 2 2 1 制动器试验系统模拟原理 制动器在起重机中的作用主要表现为减速停车制动与支持制动两种。 1 减速停车制动工况的模拟 夯 图2 - 2 桥式起重机制动过程 例如，桥式起重机减速停车制动过程中( 图2 2 ) ，根据功能原理，物体运动过 程中的机械能变化等于作用在该物体上的外力在该过程中所作的全功，制动器吸收 的能量为： t o ：一1 聊v 2 + 三，= 2 + m g h (21)22 - _ 式中：正为制动器制动力矩；0 ：为制动转角( 即制动路程) ；h 为制动过程中吊重下 滑距离；五机构转动部分的转动惯量；制动初角速度，m 为吊重质量。 由于制动处在动态过程中，式( 2 1 ) 中右侧的系统能量可以通过试验台飞轮惯 性系统模拟，从而得到制动器的一个模拟试验系统；根据功能原理，用飞轮惯性系 统来模拟起重机实际制动过程，则可得到 t 0 ：三如2 ：三所1 ，2 + 三，：c 0 2 + m g h (22)222 。： 式中：，为试验加载用惯性飞轮的转动惯量。 再根据动量矩定理： t t = 勘 ( 2 - 3 ) 式中：t 为制动时间； 试验系统可通过不同的厂和与疋和f 的变化组合，模拟不同级别的起重机不 同大d , n 动器的制动过程，一般控制，的范围在1 5 - 2 s 内。 - 13 - 起重机制动器惯性试验系统研究 这就是起重机制动器惯性试验系统动态模拟原理。 2 支持制动工况的模拟 起重机起升机构制动器发挥支持制动的作用时，可以使图2 2 中的重物悬停在空 中，此时制动器的制动力矩是静态的，模拟测试此种工况下的制动力矩就是制动器 的静态试验。 静态试验是对制动器结构功能和静态制动性能进行考核的试验，可在专用的制 动器静态试验台架上进行，其主要特征是试验过程中，不需要用动力转动制动轮。 静态试验台架可测试制动器的额定力矩值。 静态制动力矩试验有砝码法、液压法和电流法三种，前两种方法可在砝码杠杆 台架上进行，第三种方法须在试验系统上进行。 ( 1 ) 砝码法：如图2 3 所示，根据被试制动器的制动力矩额定值，准备好砝码， 砝码应分三种以上的质量等级，其中最小一级的砝码质量不得超过所需砝码总质量 的2 ；装好砝码杠杆，并由大到小逐渐将砝码施加于砝码钩上，最后施加的为最小 一级的砝码，安装砝码直至制动轮产生转动，并且转动一角度后停止为止( 转角应 不大于2 0 。) ，按下式计算静态制动力矩： m j = 9 8 【( g + g 1 ) l + g 2 a ( 2 - 4 ) 式中：蝎为静态制动力矩，m ；g 为砝码质量，船；g i 为砝码钩质量，船；岛为 杠杆质量，堙；三为砝码重心至制动轮重心的距离，m ；a 为杠杆重心至制动轮中心 的距离，胁。 图2 - 3 砝码杠杆法基本原理 1 4 第二章起重机制动器惯性试验系统 ( 2 ) 液压法：试验台处于静止状态，按规定条件将制动器闭合( 抱闸) ；将液 压测力装置与试验台连接，给测力液压缸逐渐增压直至试验台转动时停止增压，试 验压力由压力传感器转换成信号并由计算机自动进行采集，通过运算在计算机上生 成试验曲线和试验报告；计算机用下列公式计算静态制动力矩。 m j = a p l 一9 8 g 2 口 ( 2 - 5 ) 式中：尬为静态制动力矩，朋；p 为油缸压力，脯；a 为油缸活塞面积，脚? ； 仍为杠杆质量，堙：l 为油缸重心至制动轮重心的距离，m ；口为杠杆重心至制动轮 中心的距离，m 。 ( 3 ) 电流法：试验台处于静止状态，按规定条件将制动器闭合( 抱闸) ；仅给 试验台驱动电机通电并缓慢逐渐增加驱动电机电流直至电机产生转动时停止电流增 加，试验电流通过电流传感器转换成信号并由计算机自动进行采集，通过运算在计 算机上生成试验曲线和试验报告。 砝码法和液压法的试验台架基本相同，只在加载方法上有所区别，两者既能测 定制动器静态额定制动力矩值，同时又能模拟起重机制动器支持制动工况，方法简 单易行，精度较高，是比较理想的支持制动模拟方法，但两者都需要专门的试验台 架，无法直接安装在动态制动试验系统中。 电流法可在动态制动试验系统中通过设置电流传感器进行系统启动电流的测 定，进而转化成电动机的电磁转矩与制动力矩平衡，此种测试方法中电动机实际处 于闷车状态，必须特别注意控制电枢电流值的大小和变化作用时间，同时也要尽可 能控制测试的次数和时间，否则电机发热将影响电动机的工作寿命和正常使用，另 外，电流法不能够模拟起重机制动器支持制动工况。 2 2 2 惯性试验系统试验原理 1 惯性试验系统工作原理 起重机制动器惯性试验系统( 图2 4 ) 的主要工作原理是：制动盘( 轮) 随旋转 体( 质量、转动惯量j ( 堙m 2 ) 高速旋转d ( r a d s ) ) ，当切断电动机电源后， 被 9 1 | l 制动器抱紧制动盘( 轮) ，圊时产生一定作用的制动力矩t ( n r n ) ，在此力矩 的作用下，旋转体减速( r a d s 2 ) ，经过一定时间t ( 5 ) 和转动一定的角度o ( r a d ) 后停止，运动系统处于稳定状态。在此过程中系统遵守能量守恒定律，即制动过程 中，在没有外部的能量参予的情况下，依靠摩擦制动系统将旋转体含有的动能转化 为热能q ，然后储存( 温升) 并散掉；同时根据功能原理，物体运动过程中的动能 1 5 起重机制动器惯性试验系统研究 变化等于作用在该物体上的外力在该过程中所作的全功。 图2 - 4 起重机惯性试验系统 试验台的能量转换如图2 5 所示，制动器试验台应能模拟不同规格型号的制动器 的应用工况，需要提供旋转体具有的能量，这种能量一般是通过电动机将电能转化 为动能，电能的计量中( 含有旋转体动能、电动机温度、弹性势能等) 也可以作为 能量的测试依据。 电能动能热能热能 图2 - 5 试验台能量转换示惹图 由此可列出制动过程中在能量转换的三个环节： ( 1 ) 制动器吸收能量： 丁9 = ，( f ) j o 。( t ) a t ( 2 ) 旋转体具有的能量： 1 形= 三砌2 2 ( 3 ) 制动器转化的热量： g = q 2 1 6 - ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章起重机制动器惯性试验系统 q 1 = 【砌摩擦温升产生的热量+ 弹性储能 ( 2 8 ) q ：= 【丁( f ) 制动面散失的热量+ 弹性储能的缓冲释放 三个环节理论上的计算数值是相互关联的，但每一个环节所涉及到的制动参数 不尽相同，由此可概括出制动器惯性试验系统的试验原理。 2 制动器惯性试验系统试验原理 ( 1 ) 制动器是被测试设备； ( 2 ) 测试系统旋转体的能量是测试制动过程的能量模拟，同时也是可变化的试 验工况因素，其数值变化范围及规律来源于对各种起重机实际工况的模拟，具体方 法可通过改变系统转动惯量厂和转速组合来实现； ( 3 ) 通过测试得到试验系统所需制动性能物理量( 即制动性能参数) 。 制动力矩( 地) 制动时间( 锄) 制动路程( ) 制动速度( ) 转动惯量( 厂) 制动频数及j c 值 制动温度( ) 正压力( ) 摩擦材料摩擦系数( p ) 上述参数的动态变化曲线等。 2 3 惯性试验台功能 1 测试对象 针对起重运输机械、工程机械、矿山机械和建筑机械等各工作机构的块式及盘 式制动器等进行多项参数的制动性能测试；根据国家相关标准规定，被测制动器轮 ( 盘) 品种及规格主要有： ( 1 ) 被测制动轮( 轮径) 咖1 6 0 、口2 0 0 、中2 5 0 、中3 0 0 、d 3 1 5 、g 4 0 0 、中5 0 0 、6 0 0 、 6 3 0 、咖7 0 0 、 中7 1 0 、 8 0 0m m 的十二种规格； ( 2 ) 被钡, o s u 动盘( 盘径) 1 7 - 起重机制动器惯性试验系统研究 中3 1 5 、中3 5 5 、中4 0 0 、中4 5 0 、中5 0 0 、p 5 6 0 、p 6 3 0 、9 7 1 0 、中8 0 0 、中9 0 0 、 咖1 0 0 0 朋胁，厚度为3 0 r a m 的十一种规格。 为了适应上述众多的产品规格，惯性试验系统应根据不同制动器的型式( 块式 或盘式制动器) 和规格，设计和选择相应的安装底座，并设计电动滑台( 底座安装 平台位置调节装置) 进行被测制动器安装位置调整。由于产品规格尺寸的两端相差 很大，惯性试验系统有可能很难满足全部要求，此时应尽可能确定较大的适应范围。 另外，被测制动器规格范围的大小还应考虑惯性试验系统的用途、使用场合、 经济性等相关因素的影响。 2 主要制动性能参数及测试范围 通过对国内常见起重机械类型所用制动器进行分析归纳，并考虑各种常见的使 用工况，进行制动器载荷加载工况的模拟，在相应的测试工况下，可测得制动器的 各种制动性能物理量( 即制动性能参数) 具体有： ( 1 ) 制动力矩( 慨) ：5 0 - - 3 0 0 0 0 n m ( 2 ) 制动时间( 锄) ：o 5 l o s ( 3 ) 制动路程( 如) ：0 , - - 2 m ( 4 ) 制动初速度( ) ：2 0 0 1 0 0 0 r m i n ( 5 ) 制动频数及j c 值：1 5 、2 5 、4 0 、6 0 ；1 2 次m i n ( 6 ) 制动温度( ) ：8 0 0 ( 7 ) 上述参数的动态变化曲线等。 3 主要相关性能参数及测试范围 ( 1 ) 被测制动器制动轮( 盘) 径：乃1 0 0 0 m m ，具体见本节测试对象。 ( 2 ) 转动惯量( ，) ：l o 2 0 0 k g m 2 ( 3 ) 正压力( ) ：待定 ( 4 ) 摩擦材料摩擦系数( 口) ： 通过相关制动性能参数的测定，可进行制动器产品质量检测和科研开发工作， 如：进行工业制动器和起重运输机械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研究工作。 4 数据采集 ( 1 ) 计算机数据采集 拟采用直接存贮技术，实现高速度实时采集，可满足动态分析要求；实验中对 采集的数据先进行预处理，实现了连续进行大数据量的数据采集和处理； - 】8 - 第二章起重机制动器惯性试验系统 ( 2 ) 人机交互界面 进行试验时，各项操作内容均以按钮和菜单的形式显示在计算机屏幕上供选择， 操作与参数输入时屏幕上均给出中文提示。 5 其它功能 ( 1 ) 电机调速系统 采用直流调速和交流变频调速系统，两种方式各有优缺点；可根据实际工况需 要，要求无级调速，并任意设定制动频次； ( 2 ) 飞轮加载系统 飞轮惯性可在较大范围内变动( 通过采用不同的飞轮组合实现) ，并可进行多级 加载，惯性飞轮盘的更换一般要求省力、方便的操纵机构，从而保证对制动器实际 工况的模拟，一般采用液压操作； ( 3 ) 底座调节装置 可根据不同制动器的型式( 块式或盘式制动器) ，选择相应的安装座，用电动滑 台( 滑动底座调节装置) 进行位置调整； ( 4 ) 故障诊断功能 计算机控制系统须设有诊断功能，可以防止误操作，试验人员可通过屏幕显示 和音响报警，监视试验台的运行状况。 6 静态额定制动力矩测试 在动态惯性试验台上只能模拟减速停车制动工况的模拟，可测得动态的制动力 矩性能参数，为了能在试验台上测得静态制动力矩，可在相应位置设置电流传感器 用电流法测得；由于使用电流法须注意控制电速电流值的大小和变化作用时间，因 此应采用能实时显示调速参数( 电压、电流等) 的电动机，以实时监测其数值，避 免电机发热而影响到电动机的工作寿命和正常使用。 另外，为了满足制动器日益大型化的发展趋势，试验台还应留有相应的功能扩 展接口，应尽量采用成熟的新技术、新工艺，以提高制动器试验台的性能水平。 2 4 惯性模拟试验台机械结构 要满足制动器惯性试验系统功能要求，则制动器惯性模拟试验台主体基本如图 2 - 6 所示，制动器惯性模拟试验台基本组成如下：电机拖动及调速系统( 直流调速或 交流变频调速) 、飞轮加载系统、被测制动器、底座安装平台调节装置、测控系统、 安全及辅助装置等组成。 - 1 9 - 起重机制动器惯性试验系统研究 组合 调递电机厩座组台e 轮盘j 氐座液压抉盘系统猾动j 氐脞设试制动器厩座 调节装置 图2 - 6 制动器试验台主体 1 电机拖动及调速系统 在满足试验系统模拟转速和负荷的前提下，确定直流或交流拖动电机的类型、 型号、额定功率、额定转速及相关的电气参数，同时选定符合模拟系统要求的调速 方法并与拖