起重機用塊式制動器有限元分析及檢驗研究

趙奇

（江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院張家港分院，江蘇 張家港 215600）

起重機類特種設備中，塊制動器是一種利用摩擦將動能轉(zhuǎn)換為熱能的元件，而塊制動器在起重機設備的正常、安全運行中起著舉足輕重的作用。但由于使用塊式制動器的檢查重視程度低，工況復雜，動作頻繁，很有可能導致安全事故的發(fā)生，因此，要加強日常維護和檢驗工作。為此，本文將對起重機塊制動器進行有限元分析與檢驗。

1 起重機械及其安全裝置發(fā)展現(xiàn)狀

起重機是一種用于提升和搬運物料的機器，被國家有關(guān)部門列為八大特殊設備。在工業(yè)生產(chǎn)中，起重機在橋梁、塔吊、物料搬運等工程中得到了廣泛的應用。新中國成立后，起重設備技術(shù)得到了快速發(fā)展，并取得了很大的進步。然而，與世界上一些發(fā)達國家相比，我國在此方面的研究起步較晚，發(fā)展時間較短，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面仍落后于一些發(fā)達國家?guī)资辍馄鹬卦O備的技術(shù)特征是：起重機品種繁多，關(guān)鍵核心技術(shù)強。與發(fā)達國家相比，我國在起重設備的生產(chǎn)和使用上發(fā)展得非常快。目前，國內(nèi)已有數(shù)百家大型起重機械制造、銷售企業(yè)，其中一些產(chǎn)品已銷往國內(nèi)外。然而，從技術(shù)研發(fā)角度來看，國內(nèi)大多數(shù)起重機生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)實力都不強，在此領(lǐng)域的自主研發(fā)和創(chuàng)新能力較弱，生產(chǎn)的產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品相比缺乏核心競爭力。另外，我國起重設備的技術(shù)開發(fā)與生產(chǎn)之間的關(guān)系并不密切，很難將其應用到產(chǎn)品生產(chǎn)中，這就造成了我國起重設備技術(shù)的發(fā)展很難實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；與國外相比，國內(nèi)的起重設備技術(shù)水平相對較低，國內(nèi)的自主研發(fā)產(chǎn)品缺乏核心競爭能力。起重機的大量使用，使人力勞動量大大減少，工作時間縮短，在工業(yè)生產(chǎn)中，實際工作的效率得到了很大的提升。起重機為工業(yè)生產(chǎn)提供了巨大的方便，但其使用的安全性也受到了影響。起重機在日常起重過程中，出現(xiàn)了脫鉤砸人、鋼絲繩斷裂、重物墜落、提升設備過卷等安全問題。起重機的種類很多，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作性質(zhì)，可以將其劃分為各種類型。各種起重設備的作業(yè)范圍、作業(yè)效率等各不相同，但各種起重設備的工作功能均為起重。為確保起重機各部件在工作時能正常工作，需要在各工作機構(gòu)上增加制動裝置，從而有效地防止起重機在作業(yè)時出現(xiàn)跌落等意外。起重機塊制動器主要包括基座、瓦塊、制動臂、推桿、主彈簧、液力器、托架。正常運轉(zhuǎn)的起重機，其兩個瓦片將會受到彈力的作用，使制動輪與瓦片襯里的摩擦產(chǎn)生摩擦，從而導致制動。在啟動電源后，推進器會帶動推桿，使制動臂展開，使制動輪能夠自由轉(zhuǎn)動。起重機各工作機構(gòu)的正常運行均靠制動器保證，其中的空隙與主簧控制著動力矩，而輔助彈簧則能保證瓦輪之間的空隙。

從圖1可以看出，制動器的主體結(jié)構(gòu)包括底座、液壓推進器、推桿、主彈簧、制動臂、制動塊等。在正常工作條件下，兩個瓦片與制動輪在彈性力的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，制動器與瓦墊片之間的摩擦使起升、運行等機構(gòu)發(fā)生制動；在電動推進器上電后，它會驅(qū)動推進器，使制動器臂打開，從而使制動器輪處于自由旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。制動器保證了起重機各個工作機構(gòu)的啟動與停止，主要的彈簧和空隙限制了制動力的大小，而副彈簧的作用是保證了瓦輪之間的間隙。我國大多數(shù)制動工具使用企業(yè)對制動的日常維護采用預防性維護和大修。預防性維護方法是指根據(jù)時間表對制動器進行定期維護。采用起重機制動器預防性維護的缺點是，制動器故障和定期維護的時間可能不同，通常不是維護時間，并且制動器在運行期間發(fā)生故障。為了防止制動器的使用，制動器的維護和維修中經(jīng)常出現(xiàn)問題。制動起重機的機械結(jié)構(gòu)復雜且耗時，制動過程中發(fā)生意外故障的可能性不可避免。因此，按照預定時間定期維修制動器的維修方法不適合現(xiàn)代制動器維修技術(shù)的發(fā)展。冶金起重機運行中對制動器可靠性的要求，不僅要根據(jù)制動器本身的設計或設計要求，及時發(fā)現(xiàn)制動器的潛在故障，還要及早發(fā)現(xiàn)制動器的可能故障。因此，為了保證冶金起重機在制動過程中的安全運行，除了滿足制動可靠性的要求外，還應重視制動健康監(jiān)測方法的研究。監(jiān)測制動器的健康狀況，在制動器上安裝各種傳感器，實時獲取制動狀態(tài)以反映制動狀態(tài)和參數(shù)，并通過監(jiān)測制動狀態(tài)參數(shù)的變化來實時判斷制動狀態(tài)。在制動狀態(tài)控制過程中，狀態(tài)參數(shù)的合理選擇和控制是一個尤為重要的環(huán)節(jié)。參數(shù)的選擇不能完全反映制動系統(tǒng)的狀態(tài)。選擇太多的參數(shù)將增加監(jiān)控成本，太多的監(jiān)控參數(shù)將增加數(shù)據(jù)處理的冗余度。因此，在選擇制動狀態(tài)監(jiān)測方案時，有必要綜合考慮上述問題，結(jié)合監(jiān)測對象的工作特點、監(jiān)測方案的可行性以及所選監(jiān)測參數(shù)與對象狀態(tài)之間的因果關(guān)系，設計制動狀態(tài)監(jiān)測方案。

圖1 起重機用塊式制動器

2 起重機用塊式制動器的有限元分析

2.1 載荷施加和網(wǎng)格劃分

為了對起重機塊式制動器在工作過程中的變形及受力進行準確的測定與分析，要對其進行有限元分析。在此基礎上，首先，要建立一個三維模型，然后，引入有限元分析軟件。在進行網(wǎng)格劃分時，可以采用六邊網(wǎng)格。對車輪制動來說，在受力、受力時，其底座應處于靜止狀態(tài)。制動瓦中有制動力矩，設定為1000N·m，通過重力和力矩來檢驗整個制動系統(tǒng)的應變和應力，從而可以很好地分析故障的危險部位。

2.2 有限元分析的結(jié)果

在約束、網(wǎng)格劃分、荷載作用下，再進行有限元分析，最后得出結(jié)論。通過測量得到的數(shù)據(jù)，可以對制動的應力和應變進行全面的觀察，發(fā)現(xiàn)應變和應力都在減小。同時，制動臂與閘瓦的關(guān)節(jié)部位也出現(xiàn)了最大的結(jié)構(gòu)應力。這是由于鋼材的材質(zhì)比它的屈服強度要高，因此，可以看出制動處于靜止狀態(tài)。在此基礎上，該制動器的應力在整體和制動臂上都是最大的，而在塊體的位置上，應力最大。至于液壓缸和底座的應變和應力，則是微乎其微。從分析的結(jié)果來看，制動塊、主彈簧、推進器等零件的應力和位移分布，各零件的變形量都很小，但它們的屈服強度要比相應的應力值高得多，處于彈性變形狀態(tài)，而且具有一定的安全余量。而制動塊、主彈簧、止推桿三種構(gòu)件，其變形最多出現(xiàn)在各構(gòu)件末端，而且各構(gòu)件的應力分布也存在差異。

3 起重機用塊式制動器檢驗及失效分析

3.1 升溫制動

在制動過程中，由于制動器的存在，會產(chǎn)生大量的摩擦力，從而導致制動的阻力系數(shù)下降，從而導致制動力矩的減少。在此過程中，應特別注意制動裝置是否經(jīng)常、長時間運轉(zhuǎn)，以防止故障。

3.2 襯墊摩擦

在長期的摩擦下，制動盤的表面會產(chǎn)生磨損，制動片與制動片間的空隙會越來越大，制動扭矩也會隨之降低。因此，要對襯墊的磨損進行實時監(jiān)控，一旦超過容許值，要立即進行更換，這樣才能有效地保證制動器的安全。

3.3 結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)故障

由于起重機的部件很多，因此，一旦出現(xiàn)故障，就會導致制動系統(tǒng)的故障。通過對故障進行深入的理論分析，就能知道每個環(huán)節(jié)的問題。比如，液壓系統(tǒng)的電動機線圈，一旦發(fā)生故障，制動輪就會產(chǎn)生熱裂紋，制動臂、推桿等部件也會產(chǎn)生疲勞斷裂。

3.4 其他因素

在起重機運行中，由于工作人員的操作失誤，比如，維修工人在工作中不小心將潤滑油或油脂滴在了摩擦副上，那么摩擦系數(shù)就會迅速降低，從而導致起重機塊制動器的制動力失效。因此，在對起重機制動器例行檢查時，必須注意制動墊的磨損，同時，要對制動間隙和液壓缸的平穩(wěn)性進行檢測。同時，還要對節(jié)點的應力進行檢測，還要考慮人員的操作質(zhì)量、工作級別和工作環(huán)境。

4 起重機用塊式制動器的日常維護方式

4.1 更換制動襯墊

制動襯墊是一種很容易損壞的部件，在更換時，假如以前使用的制動襯里能夠達到使用的條件，在更換時也要選用同一廠家的制動襯里。若需更換其他廠商的墊片，則選用同一規(guī)格的產(chǎn)品，其厚度、寬度均與先前的制動器墊片一致，并不比原有的墊片差。

4.2 注意制動器安裝的連接尺寸

在更換起重機用塊式制動器時，必須選用同一種原廠的產(chǎn)品，并注意安裝接頭的大小，以防止在安裝后影響制動性能或不能裝配。此外，即使是相同型號的產(chǎn)品，安裝接頭的大小也會有差異。盡管制動的型號和大小可能有差異，但由于其連接的大小與所有的規(guī)范一致，因此，根據(jù)安裝連接大小的準則來選擇制動是一種更容易的方法。

4.3 對制動器故障的自監(jiān)測

自檢：對制動指針進行自檢。每次正確插入或釋放機械裝置時，有3種方法：自檢和制動-推進系統(tǒng)自動控制；自動檢查制動器和制動器運動。對于自動制動動作，可通過主機驅(qū)動制動動作開關(guān)將微型斷路器安裝在制動器上；可以通過檢測流過制動線圈的電流的變化來確定制動扭矩的自動調(diào)節(jié)。制動故障可以通過制動力和制動片的作用進行診斷在維修和更換起重機制動器時，新?lián)Q制動器的工作性能不得比原制動差，并且其摩擦材料、制動扭矩的作用不得比原制動差。

4.4 電源的選用

起重機的塊式制動器應該盡可能地采用型號的制動功率，或者采用同樣的參數(shù)。如果對原有的控制線進行更改，很有可能會使原有的制動器發(fā)生變化，從而造成不必要的失效。

5 塊式制動器健康狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)

5.1 制動器狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)選擇

就制動系統(tǒng)而言，制動力矩不足，工作響應時間延遲，起吊物質(zhì)量過大，閘瓦材料質(zhì)量劣化，制動閘瓦退間距達不到預期目標，閘瓦厚度過薄等。要了解制動系統(tǒng)的運行狀況，就要對制動系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)測。上面已經(jīng)提到，除了一些不需要考慮的因素，如油路失效，其他影響制動器運行和健康狀況的因素，都能真實地反映制動器的運行和健康狀況。其中，制動力矩是由檢測并計算得到的；而制動片的厚度是由其出廠時的厚度和制動退間距來計算的，因此無須參加監(jiān)控；為確保起重機不超載，還應掌握與電動機連接的高速軸負荷扭矩，并對其進行實時監(jiān)控，以確定其是否能夠安全地進行制動。

5.2 制動正壓力監(jiān)測

5.2.1 制動正壓力監(jiān)測方案

在制動器制動器的正壓測試中，采用最簡便、最直接的方式是在制動器的滑塊和圓盤之間設置壓力傳感器。在制動閘瓦與制動輪直接接觸的情況下，制動閘瓦向制動車輪施加的壓力隨力的傳遞而傳遞到制動閘瓦后面的壓力傳感器，該壓力傳感器將該壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)由線纜傳送至信號接收系統(tǒng)。

5.2.2 穿軸式壓力傳感器工作原理及選型

（1）機械傳感器的工作原理機械傳感器的種類很多，根據(jù)其工作原理可以將其分類為各種類型。本文所選擇的壓軸壓力傳感器為機械傳感器中的壓阻傳感器。這種傳感器是利用單晶硅的壓阻作用來實現(xiàn)的，而在受到外力作用時，其電阻的變化就會在傳感器上得到反映。該壓力傳感器能把電阻的改變轉(zhuǎn)化為壓力信號的改變，并將其輸出。（2）選擇穿軸式壓力傳感器時，應在保證不超出傳感器范圍的前提下，盡量提高測量精度。

5.3 摩擦副溫度監(jiān)測

5.3.1 摩擦副溫度監(jiān)測方案

制動器在運行時，由于制動瓦閘和制動輪之間的強烈摩擦，導致摩擦副的溫度上升。所以，對制動摩擦副的溫度變化進行監(jiān)控是制動溫度監(jiān)控的關(guān)鍵。為監(jiān)控摩擦副的溫度，本文選取了一種利用螺栓將紅外測溫器安裝于制動臂內(nèi)部，使其激光探測器與制動輪的上部處于同一水平面上。

5.3.2 紅外激光測溫儀工作原理及選型

紅外激光測溫儀由光學系統(tǒng)、光電傳感器、信號處理器、輸出元件等部分構(gòu)成。根據(jù)光學原理，不同的物體，其表面的紅外輻射會因溫度的變化而發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的紅外輻射。

6 結(jié)語

綜上所述，對起重機塊制動器進行了有限元分析和試驗，得出了在制動器載荷作用下，最大應變和最大應力應該位于制動器的最大應力位置，屈服強度要比制動器部件的應力大得多，在這個狀態(tài)下，它是安全的；在檢查過程中，要重視制動間隙、制動溫升、人員實際操作、襯墊摩擦和總體工作狀態(tài)，從而有效地保證了制動器的使用安全。