起重機(jī)用塊式制動(dòng)器有限元分析及檢驗(yàn)研究

趙奇

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

起重機(jī)類(lèi)特種設(shè)備中，塊制動(dòng)器是一種利用摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能的元件，而塊制動(dòng)器在起重機(jī)設(shè)備的正常、安全運(yùn)行中起著舉足輕重的作用。但由于使用塊式制動(dòng)器的檢查重視程度低，工況復(fù)雜，動(dòng)作頻繁，很有可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此，要加強(qiáng)日常維護(hù)和檢驗(yàn)工作。為此，本文將對(duì)起重機(jī)塊制動(dòng)器進(jìn)行有限元分析與檢驗(yàn)。

1 起重機(jī)械及其安全裝置發(fā)展現(xiàn)狀

起重機(jī)是一種用于提升和搬運(yùn)物料的機(jī)器，被國(guó)家有關(guān)部門(mén)列為八大特殊設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中，起重機(jī)在橋梁、塔吊、物料搬運(yùn)等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。新中國(guó)成立后，起重設(shè)備技術(shù)得到了快速發(fā)展，并取得了很大的進(jìn)步。然而，與世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在此方面的研究起步較晚，發(fā)展時(shí)間較短，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面仍落后于一些發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)资?。?guó)外起重設(shè)備的技術(shù)特征是：起重機(jī)品種繁多，關(guān)鍵核心技術(shù)強(qiáng)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在起重設(shè)備的生產(chǎn)和使用上發(fā)展得非常快。目前，國(guó)內(nèi)已有數(shù)百家大型起重機(jī)械制造、銷(xiāo)售企業(yè)，其中一些產(chǎn)品已銷(xiāo)往國(guó)內(nèi)外。然而，從技術(shù)研發(fā)角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)大多數(shù)起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)實(shí)力都不強(qiáng)，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(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力。另外，我國(guó)起重設(shè)備的技術(shù)開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)之間的關(guān)系并不密切，很難將其應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)中，這就造成了我國(guó)起重設(shè)備技術(shù)的發(fā)展很難實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的起重設(shè)備技術(shù)水平相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)的自主研發(fā)產(chǎn)品缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)能力。起重機(jī)的大量使用，使人力勞動(dòng)量大大減少，工作時(shí)間縮短，在工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)際工作的效率得到了很大的提升。起重機(jī)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(jī)在日常起重過(guò)程中，出現(xiàn)了脫鉤砸人、鋼絲繩斷裂、重物墜落、提升設(shè)備過(guò)卷等安全問(wèn)題。起重機(jī)的種類(lèi)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(lèi)型。各種起重設(shè)備的作業(yè)范圍、作業(yè)效率等各不相同，但各種起重設(shè)備的工作功能均為起重。為確保起重機(jī)各部件在工作時(shí)能正常工作，需要在各工作機(jī)構(gòu)上增加制動(dòng)裝置，從而有效地防止起重機(jī)在作業(yè)時(shí)出現(xiàn)跌落等意外。起重機(jī)塊制動(dòng)器主要包括基座、瓦塊、制動(dòng)臂、推桿、主彈簧、液力器、托架。正常運(yùn)轉(zhuǎn)的起重機(jī)，其兩個(gè)瓦片將會(huì)受到彈力的作用，使制動(dòng)輪與瓦片襯里的摩擦產(chǎn)生摩擦，從而導(dǎo)致制動(dòng)。在啟動(dòng)電源后，推進(jìn)器會(huì)帶動(dòng)推桿，使制動(dòng)臂展開(kāi)，使制動(dòng)輪能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行均靠制動(dòng)器保證，其中的空隙與主簧控制著動(dòng)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(dòng)器的主體結(jié)構(gòu)包括底座、液壓推進(jìn)器、推桿、主彈簧、制動(dòng)臂、制動(dòng)塊等。在正常工作條件下，兩個(gè)瓦片與制動(dòng)輪在彈性力的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)器與瓦墊片之間的摩擦使起升、運(yùn)行等機(jī)構(gòu)發(fā)生制動(dòng)；在電動(dòng)推進(jìn)器上電后，它會(huì)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，使制動(dòng)器臂打開(kāi)，從而使制動(dòng)器輪處于自由旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。制動(dòng)器保證了起重機(jī)各個(gè)工作機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)與停止，主要的彈簧和空隙限制了制動(dòng)力的大小，而副彈簧的作用是保證了瓦輪之間的間隙。我國(guó)大多數(shù)制動(dòng)工具使用企業(yè)對(duì)制動(dòng)的日常維護(hù)采用預(yù)防性維護(hù)和大修。預(yù)防性維護(hù)方法是指根據(jù)時(shí)間表對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行定期維護(hù)。采用起重機(jī)制動(dòng)器預(yù)防性維護(hù)的缺點(diǎn)是，制動(dòng)器故障和定期維護(hù)的時(shí)間可能不同，通常不是維護(hù)時(shí)間，并且制動(dòng)器在運(yùn)行期間發(fā)生故障。為了防止制動(dòng)器的使用，制動(dòng)器的維護(hù)和維修中經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題。制動(dòng)起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且耗時(shí)，制動(dòng)過(guò)程中發(fā)生意外故障的可能性不可避免。因此，按照預(yù)定時(shí)間定期維修制動(dòng)器的維修方法不適合現(xiàn)代制動(dòng)器維修技術(shù)的發(fā)展。冶金起重機(jī)運(yùn)行中對(duì)制動(dòng)器可靠性的要求，不僅要根據(jù)制動(dòng)器本身的設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器的潛在故障，還要及早發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器的可能故障。因此，為了保證冶金起重機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中的安全運(yùn)行，除了滿(mǎn)足制動(dòng)可靠性的要求外，還應(yīng)重視制動(dòng)健康監(jiān)測(cè)方法的研究。監(jiān)測(cè)制動(dòng)器的健康狀況，在制動(dòng)器上安裝各種傳感器，實(shí)時(shí)獲取制動(dòng)狀態(tài)以反映制動(dòng)狀態(tài)和參數(shù)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)制動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的變化來(lái)實(shí)時(shí)判斷制動(dòng)狀態(tài)。在制動(dòng)狀態(tài)控制過(guò)程中，狀態(tài)參數(shù)的合理選擇和控制是一個(gè)尤為重要的環(huán)節(jié)。參數(shù)的選擇不能完全反映制動(dòng)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(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案時(shí)，有必要綜合考慮上述問(wèn)題，結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象的工作特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)方案的可行性以及所選監(jiān)測(cè)參數(shù)與對(duì)象狀態(tài)之間的因果關(guān)系，設(shè)計(jì)制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案。

圖1 起重機(jī)用塊式制動(dòng)器

2 起重機(jī)用塊式制動(dòng)器的有限元分析

2.1 載荷施加和網(wǎng)格劃分

為了對(duì)起重機(jī)塊式制動(dòng)器在工作過(guò)程中的變形及受力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)定與分析，要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。在此基礎(chǔ)上，首先，要建立一個(gè)三維模型，然后，引入有限元分析軟件。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，可以采用六邊網(wǎng)格。對(duì)車(chē)輪制動(dòng)來(lái)說(shuō)，在受力、受力時(shí)，其底座應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。制動(dòng)瓦中有制動(dòng)力矩，設(shè)定為1000N·m，通過(guò)重力和力矩來(lái)檢驗(yàn)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)變和應(yīng)力，從而可以很好地分析故障的危險(xiǎn)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(jìn)行有限元分析，最后得出結(jié)論。通過(guò)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，可以對(duì)制動(dòng)的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行全面的觀察，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力都在減小。同時(shí)，制動(dòng)臂與閘瓦的關(guān)節(jié)部位也出現(xiàn)了最大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。這是由于鋼材的材質(zhì)比它的屈服強(qiáng)度要高，因此，可以看出制動(dòng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。在此基礎(chǔ)上，該制動(dòng)器的應(yīng)力在整體和制動(dòng)臂上都是最大的，而在塊體的位置上，應(yīng)力最大。至于液壓缸和底座的應(yīng)變和應(yīng)力，則是微乎其微。從分析的結(jié)果來(lái)看，制動(dòng)塊、主彈簧、推進(jìn)器等零件的應(yīng)力和位移分布，各零件的變形量都很小，但它們的屈服強(qiáng)度要比相應(yīng)的應(yīng)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(dòng)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(yīng)力分布也存在差異。

3 起重機(jī)用塊式制動(dòng)器檢驗(yàn)及失效分析

3.1 升溫制動(dòng)

在制動(dòng)過(guò)程中，由于制動(dòng)器的存在，會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦力，從而導(dǎo)致制動(dòng)的阻力系數(shù)下降，從而導(dǎo)致制動(dòng)力矩的減少。在此過(guò)程中，應(yīng)特別注意制動(dòng)裝置是否經(jīng)常、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，以防止故障。

3.2 襯墊摩擦

在長(zhǎng)期的摩擦下，制動(dòng)盤(pán)的表面會(huì)產(chǎn)生磨損，制動(dòng)片與制動(dòng)片間的空隙會(huì)越來(lái)越大，制動(dòng)扭矩也會(huì)隨之降低。因此，要對(duì)襯墊的磨損進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦超過(guò)容許值，要立即進(jìn)行更換，這樣才能有效地保證制動(dòng)器的安全。

3.3 結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)故障

由于起重機(jī)的部件很多，因此，一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)的故障。通過(guò)對(duì)故障進(jìn)行深入的理論分析，就能知道每個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題。比如，液壓系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈，一旦發(fā)生故障，制動(dòng)輪就會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，制動(dòng)臂、推桿等部件也會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。

3.4 其他因素

在起重機(jī)運(yùn)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(rùn)滑油或油脂滴在了摩擦副上，那么摩擦系數(shù)就會(huì)迅速降低，從而導(dǎo)致起重機(jī)塊制動(dòng)器的制動(dòng)力失效。因此，在對(duì)起重機(jī)制動(dòng)器例行檢查時(shí)，必須注意制動(dòng)墊的磨損，同時(shí)，要對(duì)制動(dòng)間隙和液壓缸的平穩(wěn)性進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，還要對(duì)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，還要考慮人員的操作質(zhì)量、工作級(jí)別和工作環(huán)境。

4 起重機(jī)用塊式制動(dòng)器的日常維護(hù)方式

4.1 更換制動(dòng)襯墊

制動(dòng)襯墊是一種很容易損壞的部件，在更換時(shí)，假如以前使用的制動(dòng)襯里能夠達(dá)到使用的條件，在更換時(shí)也要選用同一廠(chǎng)家的制動(dòng)襯里。若需更換其他廠(chǎng)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(dòng)器墊片一致，并不比原有的墊片差。

4.2 注意制動(dòng)器安裝的連接尺寸

在更換起重機(jī)用塊式制動(dòng)器時(shí)，必須選用同一種原廠(chǎng)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(dòng)性能或不能裝配。此外，即使是相同型號(hào)的產(chǎn)品，安裝接頭的大小也會(huì)有差異。盡管制動(dòng)的型號(hào)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(zhǔn)則來(lái)選擇制動(dòng)是一種更容易的方法。

4.3 對(duì)制動(dòng)器故障的自監(jiān)測(cè)

自檢：對(duì)制動(dòng)指針進(jìn)行自檢。每次正確插入或釋放機(jī)械裝置時(shí)，有3種方法：自檢和制動(dòng)-推進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)控制；自動(dòng)檢查制動(dòng)器和制動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。對(duì)于自動(dòng)制動(dòng)動(dòng)作，可通過(guò)主機(jī)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)動(dòng)作開(kāi)關(guān)將微型斷路器安裝在制動(dòng)器上；可以通過(guò)檢測(cè)流過(guò)制動(dòng)線(xiàn)圈的電流的變化來(lái)確定制動(dòng)扭矩的自動(dòng)調(diào)節(jié)。制動(dòng)故障可以通過(guò)制動(dòng)力和制動(dòng)片的作用進(jìn)行診斷在維修和更換起重機(jī)制動(dòng)器時(shí)，新?lián)Q制動(dòng)器的工作性能不得比原制動(dòng)差，并且其摩擦材料、制動(dòng)扭矩的作用不得比原制動(dòng)差。

4.4 電源的選用

起重機(jī)的塊式制動(dòng)器應(yīng)該盡可能地采用型號(hào)的制動(dòng)功率，或者采用同樣的參數(shù)。如果對(duì)原有的控制線(xiàn)進(jìn)行更改，很有可能會(huì)使原有的制動(dòng)器發(fā)生變化，從而造成不必要的失效。

5 塊式制動(dòng)器健康狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

5.1 制動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇

就制動(dòng)系統(tǒng)而言，制動(dòng)力矩不足，工作響應(yīng)時(shí)間延遲，起吊物質(zhì)量過(guò)大，閘瓦材料質(zhì)量劣化，制動(dòng)閘瓦退間距達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，閘瓦厚度過(guò)薄等。要了解制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，就要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(dòng)器運(yùn)行和健康狀況的因素，都能真實(shí)地反映制動(dòng)器的運(yùn)行和健康狀況。其中，制動(dòng)力矩是由檢測(cè)并計(jì)算得到的；而制動(dòng)片的厚度是由其出廠(chǎng)時(shí)的厚度和制動(dòng)退間距來(lái)計(jì)算的，因此無(wú)須參加監(jiān)控；為確保起重機(jī)不超載，還應(yīng)掌握與電動(dòng)機(jī)連接的高速軸負(fù)荷扭矩，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確定其是否能夠安全地進(jìn)行制動(dòng)。

5.2 制動(dòng)正壓力監(jiān)測(cè)

5.2.1 制動(dòng)正壓力監(jiān)測(cè)方案

在制動(dòng)器制動(dòng)器的正壓測(cè)試中，采用最簡(jiǎn)便、最直接的方式是在制動(dòng)器的滑塊和圓盤(pán)之間設(shè)置壓力傳感器。在制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)輪直接接觸的情況下，制動(dòng)閘瓦向制動(dòng)車(chē)輪施加的壓力隨力的傳遞而傳遞到制動(dòng)閘瓦后面的壓力傳感器，該壓力傳感器將該壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并經(jīng)由線(xiàn)纜傳送至信號(hào)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(jī)械傳感器的工作原理機(jī)械傳感器的種類(lèi)很多，根據(jù)其工作原理可以將其分類(lèi)為各種類(lèi)型。本文所選擇的壓軸壓力傳感器為機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，而在受到外力作用時(shí)，其電阻的變化就會(huì)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(hào)的改變，并將其輸出。（2）選擇穿軸式壓力傳感器時(shí)，應(yīng)在保證不超出傳感器范圍的前提下，盡量提高測(cè)量精度。

5.3 摩擦副溫度監(jiān)測(cè)

5.3.1 摩擦副溫度監(jiān)測(cè)方案

制動(dòng)器在運(yùn)行時(shí)，由于制動(dòng)瓦閘和制動(dòng)輪之間的強(qiáng)烈摩擦，導(dǎo)致摩擦副的溫度上升。所以，對(duì)制動(dòng)摩擦副的溫度變化進(jìn)行監(jiān)控是制動(dòng)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(cè)溫器安裝于制動(dòng)臂內(nèi)部，使其激光探測(cè)器與制動(dòng)輪的上部處于同一水平面上。

5.3.2 紅外激光測(cè)溫儀工作原理及選型

紅外激光測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、信號(hào)處理器、輸出元件等部分構(gòu)成。根據(jù)光學(xué)原理，不同的物體，其表面的紅外輻射會(huì)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(yǔ)

綜上所述，對(duì)起重機(jī)塊制動(dòng)器進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)，得出了在制動(dòng)器載荷作用下，最大應(yīng)變和最大應(yīng)力應(yīng)該位于制動(dòng)器的最大應(yīng)力位置，屈服強(qiáng)度要比制動(dòng)器部件的應(yīng)力大得多，在這個(gè)狀態(tài)下，它是安全的；在檢查過(guò)程中，要重視制動(dòng)間隙、制動(dòng)溫升、人員實(shí)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(dòng)器的使用安全。