起升機構控制策略對制動距離的影響分析

起升機構是起重機械必須具備的、使物品獲得升降運動的基本組成。起升機構工況的好壞將直接影響整臺起重機的工作性能。起升速度的選擇與起重量、起升高度、工作級別和使用要求有關，中、小起重量的起重機選用高速以提高生產率；大起重量的起重機選用低速以降低驅動功率，提高工作的平穩性和安全性。用于安裝與設備維修的起重機除選用低速外，還可配備有微速或調試功能。

起升機構主要由驅動裝置、傳動裝置、卷筒、滑輪組、取物裝置和制動裝置組成。制動裝置是影響制動距離的主要因素，此外還與起升機構的其他部件有著密切的關系。

1 一般工況的制動距離

起重機設計規范規定：對吊鉤起重機，重物在下降制動時的制動距離（機構控制器處在下降速度的最低檔穩定運行，拉回零位后，從制動器斷電至重物停止時的下滑距離）不應大于1min內穩定起升距離的1/65。

在正常起升過程中，重物就位前，通過電氣控制將速度降到最低檔，保持最低穩定速度運行，電機傳導到鋼絲繩的扭矩與重物對卷筒的扭矩相同。此時制動器開始動作，在制動力矩的作用下轉速下降，直至重物停止[1]。

制動前，重物勻速運動，卷筒鋼絲繩的主動扭矩T卷與重物產生的扭矩T重平衡，有

起升速度為v，卷筒直徑為D，則卷筒的角速度ω為

制動器安裝在電機輸出軸上，重物減速時間T制取決于卷筒的初始速度ω和制動角加速度α。

卷筒的制動角加速度與制動力矩有關，也和制動加轉動部分的轉動慣量有關

式中J卷— 起升機構換算到電機卷筒位置的轉動慣量；

J重— 起升載荷G換算到電機軸的轉動慣量。

通常低速制動時間很短，全速制動的時間約為1s，低速制動的時間約為0.1s，制動距離約為1min內穩定起升距離的1/100。在制動器調整設置時以此距離作為調整合格的依據。

2 突然斷電狀態下的制動距離

起重機突然斷電后，或者起重機按下急停按鈕時，電機立即斷電，制動器失去動力后在彈簧或者液壓的恢復力下迅速抱閘，由于機械動作需要時間，在達到滿制動力矩之前有時間滯后，通常制動器的時間延遲為0.2～0.3s。制動閘瓦開始接觸到最大制動力矩的過程，制動力矩在延時的時間里為0，此時間階段t1電機的輸出扭矩為

起升截荷質量為m，在重力作用下加速運動，鋼絲繩運動從重物到卷筒由直線運動變為轉動，由于起升機構部件的卷動慣量存在重物加速度a1小于重力加速度g。

起升載荷作為恒定載荷，卷筒及電機作為阻力，其阻力值f與卷筒角加速度有關重物的線加速度a1和卷筒的角加速度α1為線性關系

其中卷筒阻力非定值，與卷筒的轉動慣量和卷筒的角加速度a1為線性關系，卷筒轉矩為

由推導公式可知，斷電加速度a1與起升機構自有特性有關，與操作無關。

斷電時的起升速度為v0，延時時間末t1的重物速度v1為

當制動器達到滿制動力矩后，在制動力矩的作用下，轉速下降直至重物停止運動。卷筒的外載荷和加速度為

從制動器作用到重物和卷筒制動停止的時間t2為

斷電后的制動總時間t為

總制動距離l為

以上過程均為理論過程，精確計算還要考慮機械傳動效率的影響。

為簡化計算，設制動器的安全系數為n，則有

由此可推導出下降總時間與制動延時和制動時初始速度的關系為

按照相同假設條件，推導出下降總距離與制動延時和制動時初始速度的關系為：

3 起升制動的延時控制

在起升機構電氣設計時，可通過調整延時制動協調電機和制動器的動作順序時間，若電機停止與制動器合閘同時動作，上式可簡化為

若電機動作延遲到重物停止移動之后，則驅動扭矩與重物產生的扭矩相同，上式變更為

在設備安裝檢修的場合，使用的起重機通常還有點動距離的要求。在起升點動過程中，起重機實現了一次加速和一次減速過程。減速過程與正常狀態的制動分析基本一致，加速過程是其逆過程，但也有差異。為了獲得較小的點動位移，實現精準就位，通常延長加速時間[2]，使重物在人為操作的反應時間里速度增量減小，使點動最大速度降低，減少加速過程的位移。減速過程與制動過程相同，初始速度低，制動加速度大，迅速合閘，實現較小位移。

假設操作時間為人的反應時間t1，設備達到滿速時間設置為tn，制動力矩安全系數為n，則點動距離為

人工操作的時間是基本固定的，電機從啟動到滿速的時間可以通過設置來實現。簡化計算時可忽略后半高階項。

對于速度30m/min的設備，人工操作時間間隔0.1s，加速時間控制到3～5s，理論控制精度可達1mm。

4 算例分析

以某橋式起重機起升機構為例，制動器的時間延遲為0.2s，起升機構斷電后加速度為1.36m/s2，制動器安全系數為2.5，以速度為計算參數，分析不同制動策略的制動距離。圖1為不同控制策略下的制動距離。

圖1 不同控制策略下的制動距離

策略一為不采取任何控制的制動距離，與斷電狀態相同，策略二為電機停止與制動器合閘同時動作的制動距離，策略三為電機動作延遲到重物停止移動后的制動距離。由圖1可知，采取了延時制動策略后，制動后的位移量顯著減少，有利于精度的控制。另外，初始速度越低，則制動距離越小，在點動控制時，延長啟動時間，獲得較小的初始速度，能有效地提高就位精度。

5 結 論

隨著起重設備智能化的進步，對精準就位要求從人工操作逐漸轉為智能控制，需要從理論上分析起升機構固有特性對制動精度的影響。本文總結了起升機構制動過程的3種工況，重點對突然斷電的制動全過程進行了分析，對起升機構中對制動時間和制動距離有影響的各個部件建立了關聯，推導了起升制動性能的精確計算公式。

1）分析了起升機構制動過程不同控制策略的載荷組合，以及對位移的影響，給出了制動距離計算的理論公式，為工程應用提供了依據。

2）起升機構制動最惡劣的工況是突然斷電，為減少重物下滑對環境的影響，在有嚴格要求的場合應設置斷電保護，延長電機工作時間至制動器完全動作。

3）起升機構的精準控制可通過電氣控制動作順序和延長起制動時間提高，對于點動需要控制位移的場合效果尤為明顯。

[參考文獻]

[1]葉 勇．起重機起升制動器制動距離和時間的計算[J]．起重運輸機械，2012，(12)：19-21．

[2]范開英，沈蘭華，史海紅．塔機回轉力矩在設計中的控制比較[J]．建筑機械化，2015，(9)：30-32．

[3]張志文．《起重機設計手冊》（第一版）[M].北京：中國鐵道出版社，2001．