制動器靜態制動力矩與動態制動力矩的對比

張國臣

河南省特種設備安全檢測研究院

0 引言

起重機械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移動重物的機電設備。在國內經濟建設初期，起重機械多用在環境惡劣的施工現場，工況要求相對較低，無論是生產者或是使用者均把關注點放在使用壽命與價格上。這使得早期的起重設備以價格低廉和結實耐用為優，解決的是基礎的有無問題。但隨著工業的迅猛發展，使用環境的快速提升，僅結實耐用已經不能達標。

制動器是起重機械上必不可少的重要部件，其優劣直接影響整機的使用精度甚至壽命。起重機械上的制動器主要分為2大類，盤式制動器和鼓式制動器。前者多應用在平移機構的制動電機里，電磁驅動制動盤吸合與釋放，一般用在驅動裝置的高速端，支腿錯位問題就和盤式制動器的性能有關。動態制動力矩不同，導致左右2個支腿剎車時的剎車距離和制動時間不同，最終表現為前后支腿錯位。后者鼓式制動器造價便宜，符合傳統設計、安裝方便。由電磁或液壓驅動開合，一般直接作用在起升機構的低速端，這就要求鼓式制動器具有比盤式制動器更大的制動力矩。起升機構的精度問題與鼓式制動器息息相關。吊運重物起升時位置需頻繁調整，即為低速端鼓式制動器制動力矩沒有調整好造成的。

制動器的主要技術參數是制動力矩，制動器的靜態制動力矩大小保證了起重機械能否拉住重物，動態制動力矩則決定了該動作的時間與距離。但因動態制動力矩試驗裝置結構較為復雜、投資大、且試驗過程繁瑣，該重要參數很難獲得，無法滿足實際生產的需要。故亟需一種方法，能讓企業快速、準確地獲取動態制動力矩。本文通過試驗設計、數據計算與整理，對制動器的動態制動力矩數據和靜態制動力矩數據進行了對比分析，找出了動態制動力矩與靜態制動力矩之間存在的關系，從而為企業在實際使用制動器過程中獲得動態制動力矩參數提供了一種計算方法。

1 試驗設計

目前，國內常用的動態制動力矩測量方法有直接測量法和間接測量法2種。本文采用間接測量法對動態制動力矩進行測量。測量原理為檢測和記錄制動器在制動過程中速度的變化(減速度)及制動時間，根據公式計算得到制動器動態制動力矩的大小，測量裝置如圖1所示。

圖1 動態制動力矩測量裝置

具體的測量過程為將被測制動器安裝到動態制動力矩測試臺上，根據制動器額定制動力矩計算出所需的單次制動功和模擬轉動慣量的大小，配置好慣量盤；當轉動裝置轉速到達設定的初速度時，系統自動切斷制動器驅動電源，同時制動器失電制動，轉動裝置開始制動減速，一定制動時間后轉動裝置停止旋轉。記錄下整個過程中轉動裝置的速度變化-時間數據。

在得到速度-時間數據后，基于減速度法測量分段動態制動力矩。由動量矩定理可知

式中：Mds為實測動態力矩，ts為有效制動時間，J為測試模擬轉動慣量，n0為電機額定轉速。

盤式制動器的靜態制動力矩測量，可以通過如圖2所示裝置實現。

圖2 靜態制動力矩測量裝置

2 數據分析

通過以上2種方法分別獲得了制動器的動態制動力矩與靜態制動力矩數值。為了方便具體數據的分析，將試驗數據進行分類整理，分為盤式制動器和鼓式制動器2種，并在此分類下盡量對全量程的試驗數據進行分析比對。由于數據量過于龐大，本文列舉了部分數據，如表1、表2所示。

表1 盤式制動器試驗參數 N·m

表2 鼓式制動器試驗參數 N·m

將試驗獲得的數據進行整理與比較，可分別得到盤式制動器和鼓式制動器動態制動力矩與靜態制動力矩的關系曲線，如圖3所示。

圖3 動態制動力矩與靜態制動力矩關系曲線

由動態制動力矩與靜態制動力矩關系曲線可以看出，同一制動器的動態制動力矩與靜態制動力矩是線性關系，即動態制動力矩為靜態制動力矩乘以某一固定系數。

式中：T動為動態制動力矩，T靜為靜態制動力矩，K為線性系數。

為了確定系數K，對盤式制動器額定力矩20.46 N·m、184 N·m、225 N·m規格的制動器分別進行200次試驗，將試驗數據進行對比，并將數據的統計結果匯總為表3。

表3 盤式制動器K值數據分布

同樣地，對鼓式制動器額定力矩500 N·m、1 000 N·m、2 000 N·m和5 000 N·m規格的制動器分別進行200次試驗，將試驗數據進行對比，并將數據的統計結果匯總為表4。

表4 鼓式制動器K值數據分布

通過上述試驗數據分析可知，在試驗收集到的數據中，制動器的動態制動力矩與靜態制動力的比值K，大部分集中分布在0.8到1之間。盤式制動器中，不到20%的K值在0.7到0.8之間，鼓式制動器的這項數據占比更少，只有10%。還有不到5%的數據是大于1或是小于0.7。鼓式制動器的動態制動力矩與靜態制動力矩比值大多集中在0.9以上，即兩力較為接近。而盤式制動器的數據集中在0.8以上，且數據對比鼓式制動器，兩力有偏移的趨勢。

通過試驗數據可以看出，制動器的動態制動力矩與靜態制動力矩確實存在一定的線性關系，而兩種不同形式的制動器，K值并不相同。一般情況，對于鼓式制動器，可取K值為0.9進行簡易計算。盤式制動器可取K值為0.8進行簡易計算。

3 數據比對與誤差分析

為了驗證結論的有效性，對盤式制動器和鼓式制動器的動態制動力矩按照前文所述方法進行計算，并與實測值進行對比，試驗數據匯總如表5、表6所示。

表5 盤式制動器動態制動力矩計算值/實測值

表6 鼓式制動器動態制動力矩計算值/實測值

將所有的試驗數據輸入計算機，利用Matlab對所有數據進行統計與分析，得到了誤差分布的具體情況，并由此繪制出了誤差分布圖，如圖4所示。

圖4 誤差分布曲線

由圖4可知，誤差分布滿足正態分布曲線。誤差在±5%以內的數據占總數據96.7%。故認定理論模型成立。同一制動器的靜態制動力矩與動態制動力矩之間存在線性關系，即二者滿足T動=K·T靜。對于盤式制動器K取0.8，對于鼓式制動器K取0.9。

4 結論

通過前文所述，可知動態制動力矩與靜態制動力矩確實存在一定的線性關系，而兩種不同形式的制動器，K值不相同。一般情況，對于鼓式制動器，可取K值為0.9進行簡易計算。盤式制動器可以取K值為0.8進行簡易計算。經過對不同形式、不同規格的同一臺制動器動態制動力矩計算值與實測值的對比，可以確定動態制動力矩的計算值誤差一般在±5%以內，可以被實際使用所接受。