谈谈制动器(曾晓东)

1、谈谈 谈谈 制制 动动 器器安全、噪声、动力学安全、噪声、动力学制动器简单分类 运行制动器运行制动器 维持制动器维持制动器 鼓式制动器鼓式制动器 盘式制动器盘式制动器 带式制动器带式制动器 液压制动器液压制动器 电磁制动器电磁制动器 鼓式制动器内张、鼓式制动器内张、外抱外抱 盘式制动器全盘盘式制动器全盘式、钳盘式；多盘式、钳盘式；多盘式、锥盘式式、锥盘式制动器性能对比制动器性能对比制动器性能对比制动器性能对比电梯制动器的特点电梯制动器的特点 在现代高性能电气调速电梯中，工作制动在现代高性能电气调速电梯中，工作制动器是由电机充当的电气制动器，器是由电机充当的电气制动器，因此，机因此，机械制动器主

2、要用作维持制动器，在紧急情械制动器主要用作维持制动器，在紧急情况下也会临时充当工作制动器；况下也会临时充当工作制动器； 在电梯的所有零部件中，制动器当之无愧在电梯的所有零部件中，制动器当之无愧的是最重要的一个部件，其工作的可靠性的是最重要的一个部件，其工作的可靠性直接关乎乘客的安全；直接关乎乘客的安全； 几乎所有的电气安全装置，最终都要靠制几乎所有的电气安全装置，最终都要靠制动器正常工作而起作用。动器正常工作而起作用。电梯制动器的安全要求电梯制动器的安全要求 断电制动（切断某种形式的能量供应就施断电制动（切断某种形式的能量供应就施加制动力）；加制动力）； 禁止使用带式制动器？（自动扶梯使用单禁

3、止使用带式制动器？（自动扶梯使用单个带式制动器，以便能满足互相矛盾的制个带式制动器，以便能满足互相矛盾的制动减速度要求）；动减速度要求）； 双回路制动（我国自双回路制动（我国自1988年以后，汽车要年以后，汽车要求使用双回路制动，三菱帕杰罗召回的也求使用双回路制动，三菱帕杰罗召回的也是双回路制动）是双回路制动）制动器要求对比制动器要求对比 自动随位自动随位 磨损补偿（制动力矩补偿，制动间隙补偿）磨损补偿（制动力矩补偿，制动间隙补偿） 制动的助势问题制动的助势问题 热衰退热衰退 水衰退水衰退 磨损率（石棉材料、无石棉材料、碳纤维）磨损率（石棉材料、无石棉材料、碳纤维） 制动弹簧的疲劳寿命制动弹簧

4、的疲劳寿命安全制动器安全制动器 双回路制动器就是安全制动器，因为其完全失效的概率比单制动器的小了好几个数量级以下！ 冶金起重机要求使用双制动器。典型的特别重大事故就是使用了不符合要求的起重机，其制动器为单制动器。 2007年4月18日辽宁省铁岭市的清河特殊钢清河特殊钢有限公司有限公司。造成32人死亡，2人受伤 ，此次事故为中国钢铁业最严重的工业灾难 。制动器典型失效模式制动器典型失效模式 机械部件断裂；机械部件断裂； 运动副卡阻；运动副卡阻； 制动弹簧疲劳损坏；制动弹簧疲劳损坏； 摩擦片掉落，或者烧毁；摩擦片掉落，或者烧毁； 磨损后制动弹簧释放太多，导致制动力矩磨损后制动弹簧释放太多，导致制动

5、力矩显著下降；显著下降； 去剩磁气隙消失后，剩磁吸力导致断电后去剩磁气隙消失后，剩磁吸力导致断电后不制动。不制动。标准中的错误（之一）标准中的错误（之一）GB/T 24478-2009 中的中的4.2.2.2 电磁线圈的电磁线圈的铁芯铁芯被视为机械部件，而线圈则不是被视为机械部件，而线圈则不是BS EN 81-1:1998+A3:2009中的中的12.4.2.1 Any solenoid plunger is considered to be a mechanical part, any solenoid coil is not. 以前使用以前使用 solenoid armature，很显然指

6、的是很显然指的是“衔铁衔铁”或或者说是者说是“动铁芯动铁芯”，而静铁芯并非是机械部件，要不然，而静铁芯并非是机械部件，要不然，很多制动器都会不合格，尤其是欧洲进口的制动器！很多制动器都会不合格，尤其是欧洲进口的制动器！标准中的错误（之二）标准中的错误（之二） GB/T 24478-2009 中的中的4.2.2.3 在满足在满足4.2.2.2的情况下，制动器电磁铁的最低吸合电压和的情况下，制动器电磁铁的最低吸合电压和最高释放电压应分别最高释放电压应分别低于低于额定电压的额定电压的80%和和55%。问题：如果实测的释放电压为问题：如果实测的释放电压为0伏，制动器是否合格呢？伏，制动器是否合格呢？

7、这就是电磁铁的剩磁问题，任何磁性材料（即使是软磁材这就是电磁铁的剩磁问题，任何磁性材料（即使是软磁材料）都有某种程度的剩磁，其强度足以在断电后继续吸住料）都有某种程度的剩磁，其强度足以在断电后继续吸住衔铁衔铁工程纯铁的磁时效变化范围为工程纯铁的磁时效变化范围为100倍，导致倍，导致的剩磁吸力相差的剩磁吸力相差10000倍！倍！剩磁导致的矛盾剩磁导致的矛盾 解决剩磁问题的可靠方法就是增加去剩磁气隙（附加气解决剩磁问题的可靠方法就是增加去剩磁气隙（附加气隙），但是该气隙的存在使得启动电压和维持电压更高，隙），但是该气隙的存在使得启动电压和维持电压更高，从而工作时的功耗增加；从而工作时的功耗增加；

8、因此电磁铁的释放电压越高越安全，而决不是相反。因此电磁铁的释放电压越高越安全，而决不是相反。非典型失效模式非典型失效模式 真正的双回路制动器即使是手动松闸装置也应是完全独立真正的双回路制动器即使是手动松闸装置也应是完全独立的，但是标准对此却无明确的规定，留下了重大的安全隐的，但是标准对此却无明确的规定，留下了重大的安全隐患！尤其是无机房电梯使用拉线远程松闸，由于拉线的回患！尤其是无机房电梯使用拉线远程松闸，由于拉线的回退故障，更易引发极其严重的事故！退故障，更易引发极其严重的事故！制动力矩的要求（制动力矩的要求（1） 额定转矩的2.5倍是否太大？ 电机驱动力矩与制动力矩相差效率的平方倍！ 如果

9、效率为0.8，则两者相差1.6倍； 单一制动器完全失效后，剩余部分的制动力矩仅需额定力矩的64%就可以实现制动，因此取80%以上就会有足够的安全系数； 不以总制动力矩来规定才更为合理，更为安全！ 力矩计算TTT轿厢力矩电机驱动力矩电机制动力矩制动力矩的要求（制动力矩的要求（2） 对于通常的双制动器而言，合理的总制动力矩为对于通常的双制动器而言，合理的总制动力矩为1.6倍的倍的额定力矩，否则，制动时将产生很大的减速度，从而导致额定力矩，否则，制动时将产生很大的减速度，从而导致钢丝绳在曳引轮上大量滑移；钢丝绳在曳引轮上大量滑移； 减小制动力矩，减轻弹簧以及其他机械部件的应力，反而减小制动力矩，减轻

10、弹簧以及其他机械部件的应力，反而会大大增加制动器的可靠性；会大大增加制动器的可靠性； 紧急制动时，钢丝绳的滑移并非不可接受（甚至可以说是紧急制动时，钢丝绳的滑移并非不可接受（甚至可以说是必须的），要确保无滑移制动，除非采用汽车上的必须的），要确保无滑移制动，除非采用汽车上的ABS技技术，这显然要增加不少成本，目前无此必要！术，这显然要增加不少成本，目前无此必要！ 电梯的定期维护检查项目，应增加单一制动器失效后剩余电梯的定期维护检查项目，应增加单一制动器失效后剩余制动力矩的检查，这一检查很简单，几乎不花什么成本，制动力矩的检查，这一检查很简单，几乎不花什么成本，而其安全的效果却是显著的。而其安全

11、的效果却是显著的。制动器的作用位置制动器的作用位置 安全制动器排除了制动失效的可能；安全制动器排除了制动失效的可能； 但是，传动失效（啮合失效）也会导致曳引轮的但是，传动失效（啮合失效）也会导致曳引轮的“自由轮自由轮飞车飞车”； 带传动曳引机的制动器必须作用于低速轴上；带传动曳引机的制动器必须作用于低速轴上； 蜗轮蜗杆、斜齿轮等强制传动方式，允许制动在高速轴上，蜗轮蜗杆、斜齿轮等强制传动方式，允许制动在高速轴上，但是传动啮合失效的可能性不能排除，从而要增加附加的但是传动啮合失效的可能性不能排除，从而要增加附加的安全装置；安全装置； 直接驱动的无齿轮曳引机，不存在传动失效的模式，因此直接驱动的无

12、齿轮曳引机，不存在传动失效的模式，因此也无需附加安全装置；也无需附加安全装置； 行星齿轮有功率分流，冗余传动的特点，啮合失效可以排行星齿轮有功率分流，冗余传动的特点，啮合失效可以排除吗？更进一步，多路啮合传动，每路都独立制动，啮合除吗？更进一步，多路啮合传动，每路都独立制动，啮合失效可以排除吗？失效可以排除吗？上行超速与轿厢意外移动上行超速与轿厢意外移动 9.11.1 Lifts shall be provided with a means to stop unintended car movement away from the landing with the landing door n

13、ot in the locked position and the car door not in the closed position, as a result of failure in any single component of the lift machine or drive control system upon which the safe movement of the car depends, except failure of the suspension ropes or chains and the traction sheave or drum or sproc

14、kets of the machine. NOTE A failure of the traction sheave includes a loss of traction.上行超速与轿厢意外移动上行超速与轿厢意外移动 9.11.3 The means shall be capable of performing as required without assistance from any lift component that, during normal operation, controls the speed or retardation, stops the car or keep

15、s it stopped, unless there is built-in redundancy and correct operation is self-monitored. NOTE Machine brake according 12.4.2 is considered to have built-in redundancy. In the case of using the machine brake, self-monitoring could include verification of correct lifting or dropping of the mechanism

16、 or verification of braking force. If a failure is detected, next normal start of the lift shall be prevented. Self-monitoring is subject to type examination.上行超速与轿厢意外移动上行超速与轿厢意外移动 如果可以排除制动失效，也可以排除传动失效，则自动满如果可以排除制动失效，也可以排除传动失效，则自动满足了上行超速的保护要求，也自动满足了轿厢意外移动的足了上行超速的保护要求，也自动满足了轿厢意外移动的保护要求；保护要求； 排除制动失效的新

17、增要求，包括对制动器是否正确动作的排除制动失效的新增要求，包括对制动器是否正确动作的监控（监控位置，或者监控力）；监控（监控位置，或者监控力）； 监控位置，监控力都有其严重缺点，需要继续完善和发展，监控位置，监控力都有其严重缺点，需要继续完善和发展，达到既可靠又经济的要求：达到既可靠又经济的要求： 随着对制动器噪声的要求越来越高，制动器的机械精密性随着对制动器噪声的要求越来越高，制动器的机械精密性也在提高，从而制动器动作的幅度越来越小，监控位置与也在提高，从而制动器动作的幅度越来越小，监控位置与此构成矛盾，极易误动作或者拒动作；此构成矛盾，极易误动作或者拒动作； 监控力（或者力矩），成本上很昂

18、贵。监控力（或者力矩），成本上很昂贵。制动器动力学与噪声制动器动力学与噪声 随着环境保护要求的提高，对于制动器的噪声要求越来越随着环境保护要求的提高，对于制动器的噪声要求越来越高，舞台设备上甚至要求达到高，舞台设备上甚至要求达到“无声制动器无声制动器”； 制动器的噪声特性与电磁铁的动力学特性密切相关，而且制动器的噪声特性与电磁铁的动力学特性密切相关，而且是最为复杂的瞬态动力学问题；是最为复杂的瞬态动力学问题； 电磁铁是机电能量转换的一种常用装置，其数学物理模型电磁铁是机电能量转换的一种常用装置，其数学物理模型具有严重的非线性特点，而且是机电耦合的非线性瞬态动具有严重的非线性特点，而且是机电耦合

19、的非线性瞬态动力学模型；力学模型； 饱和效应和涡流效应对瞬态特性有严重的影响；饱和效应和涡流效应对瞬态特性有严重的影响； 即使采用现代有限元求解技术，考虑磁性材料的饱和，考即使采用现代有限元求解技术，考虑磁性材料的饱和，考虑虑3维涡流的效应，进行场路耦合的迭代求解，目前仍然维涡流的效应，进行场路耦合的迭代求解，目前仍然是一件富有挑战性的工作，计算量很大，从而需要大量的是一件富有挑战性的工作，计算量很大，从而需要大量的人工和机时；人工和机时；电磁铁有限元分析电磁铁有限元分析制动器动力学与噪声制动器动力学与噪声 延缓或者加速电磁铁的动作过程，主要从电气方面来采取延缓或者加速电磁铁的动作过程，主要从

20、电气方面来采取措施，简单的阻尼环或者强激磁就可以大幅度改变吸合时措施，简单的阻尼环或者强激磁就可以大幅度改变吸合时间，而调节续流回路的电阻可以大幅度改变释放的时间；间，而调节续流回路的电阻可以大幅度改变释放的时间； 由于电磁铁的工作特性是正反馈的，具有爆炸式的特点，由于电磁铁的工作特性是正反馈的，具有爆炸式的特点，因此是天生的不稳定特性，这种不稳定特性是因此是天生的不稳定特性，这种不稳定特性是“磁悬浮磁悬浮”技术所面临的最主要问题；技术所面临的最主要问题； 增加反馈控制可以使得模型变成稳定，从而实现理想的随增加反馈控制可以使得模型变成稳定，从而实现理想的随动悬浮控制，彻底解决电磁铁的噪声问题。

21、但是这一技术动悬浮控制，彻底解决电磁铁的噪声问题。但是这一技术需要复杂的传感和控制装置，成本不菲；需要复杂的传感和控制装置，成本不菲； 简单的激磁控制可以引入简单的激磁控制可以引入“磁链闭环磁链闭环”，仅需埋设附加线，仅需埋设附加线圈检测电压变化即可以调整电磁铁动作的特性。圈检测电压变化即可以调整电磁铁动作的特性。减小噪声的常规方法减小噪声的常规方法 尽可能提高机械加工的精度，有时尽可能提高机械加工的精度，有时0.1毫米的行程变化就毫米的行程变化就可导致可导致20分贝的噪声差距！其中最重要的是制动鼓或者制分贝的噪声差距！其中最重要的是制动鼓或者制动盘的跳动，最有效的加工方法是装配后的重磨，可以

22、得动盘的跳动，最有效的加工方法是装配后的重磨，可以得到小于到小于1丝的跳动，减噪效果极其显著；丝的跳动，减噪效果极其显著； 增设减震降噪的增设减震降噪的“消声垫消声垫”，虽然橡胶垫可以降噪，虽然橡胶垫可以降噪30分贝分贝以上，但是其老化问题往往令人头疼！全钢式的消声垫能以上，但是其老化问题往往令人头疼！全钢式的消声垫能长久地保持性能，不过效果达不到橡胶那么高；长久地保持性能，不过效果达不到橡胶那么高； 电气上采用分段激磁（有级或者无级逐步增加安匝数）对电气上采用分段激磁（有级或者无级逐步增加安匝数）对于减小开闸噪声有良好的效果！对于断电时的上闸噪声，于减小开闸噪声有良好的效果！对于断电时的上闸

23、噪声，续流二极管的作用至关重要。续流二极管的作用至关重要。 电气上的措施也能达到减噪电气上的措施也能达到减噪30分贝的惊人效果！分贝的惊人效果！瞬态波形（理论）瞬态波形（理论）瞬态波形（实测）瞬态波形（实测）0123450.000.020.040.060.080.10Y Axis TitleX Axis TitleX = 0.63525X = 0.14525制动器与变频器的接力制动器与变频器的接力 不管是电梯的启动还是停止，制动器与变频器之间的接力不管是电梯的启动还是停止，制动器与变频器之间的接力过程都具有重要的意义，理想的状态当然是无缝的交接；过程都具有重要的意义，理想的状态当然是无缝的交接

24、； 电梯启动时，接力棒由制动器交给变频器，在无称重补偿电梯启动时，接力棒由制动器交给变频器，在无称重补偿的条件下，实际上是靠制动器打开过程中曳引轮的逐步滑的条件下，实际上是靠制动器打开过程中曳引轮的逐步滑移来产生位移信号的，精密的位移传感器检测到这一微量移来产生位移信号的，精密的位移传感器检测到这一微量的位移，导致变频器输出平衡力矩；的位移，导致变频器输出平衡力矩； 制动器快还是变频器快？这是关乎电梯启动平稳性的关键制动器快还是变频器快？这是关乎电梯启动平稳性的关键问题，一般的要求是制动器的打开不能太过迅速，以便变问题，一般的要求是制动器的打开不能太过迅速，以便变频器能够及时响应；频器能够及时响应； 电梯停止时，接力棒由变频器交给制动器，同样地，交棒电梯停止时，接力棒由变频器交给制动器，同样地，交棒者也不能交得太突然太急促，否则会产生一系列的