電鏟制動(dòng)器力矩的測(cè)定

吉孟蘭，劉煥江

(礦山采掘裝備及智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

制動(dòng)器是礦山設(shè)備、起重運(yùn)輸機(jī)械等設(shè)備中使用最多的器件之一，其制動(dòng)效果與工人的人身安全、設(shè)備安全都有著直接的關(guān)系。在機(jī)械設(shè)備的使用過程中，時(shí)常發(fā)生因制動(dòng)器力矩不足而引起的溜鉤事故。為防止和避免此類事故的發(fā)生，本文詳細(xì)介紹了使用西門子公司S120系列和ABB公司ACS880系列變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，其制動(dòng)器的實(shí)用力矩測(cè)定方法和參數(shù)設(shè)置，以供調(diào)試或維保人員參照。

1 制動(dòng)器的功能與型式

制動(dòng)器是保證機(jī)械設(shè)備安全的一種重要設(shè)備，其主要功能就是用來減速、停車和安全制動(dòng)。為滿足不同行業(yè)、不同工況、不同設(shè)備、不同原理等方面的安全和工作需求，制動(dòng)器可劃分出很多類別或型式，如輪式制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、帶式制動(dòng)器、電磁式制動(dòng)器、液壓式制動(dòng)器、氣動(dòng)式制動(dòng)器、工作制動(dòng)器、安全制動(dòng)器、常開式制動(dòng)器和常閉式制動(dòng)器等等。

為保證挖掘機(jī)械、起重機(jī)械等運(yùn)行時(shí)在停電狀態(tài)下也能安全可靠地停車，其制動(dòng)器通常要求選用常閉式制動(dòng)器，即斷電抱閘式制動(dòng)器。圖1為電鏟上常用的制動(dòng)器示意圖，其工作原理為：進(jìn)氣電磁閥斷電后，失去電磁力的撞針阻斷進(jìn)氣孔的氣體，同時(shí)，將制動(dòng)器充氣腔內(nèi)的排氣孔打開，排掉腔內(nèi)空氣，制動(dòng)器摩擦片在壓縮彈簧的彈性力作用下在被制動(dòng)物體(如制動(dòng)盤、制動(dòng)輪等)上產(chǎn)生制動(dòng)摩擦力，在摩擦力的作用下將做旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備的動(dòng)能(含慣性能量)轉(zhuǎn)化為熱能、聲能等形式，從而達(dá)到將相應(yīng)機(jī)構(gòu)部件減速、制動(dòng)的目的。

圖1 電鏟上常見的制動(dòng)器示意圖

2 制動(dòng)力矩測(cè)定的需求

礦山設(shè)備中的電鏟基本均使用氣動(dòng)式制動(dòng)器，設(shè)備運(yùn)行時(shí)處于開閘狀態(tài)，只有在停機(jī)、檢修、更換司機(jī)等工況時(shí)才會(huì)有關(guān)閉抱閘的要求。因此抱閘時(shí)制動(dòng)力矩是否足夠關(guān)系到能否安全停車，需要引起重視。為此，在調(diào)試階段或者電鏟使用一段時(shí)間后，特別當(dāng)設(shè)備因供電故障使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)失去電源而發(fā)生緊急制動(dòng)后，制動(dòng)器摩擦片會(huì)受到強(qiáng)烈磨損、發(fā)熱，此時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整、測(cè)試制動(dòng)器的力矩是否足夠，以備在下次制動(dòng)時(shí)能輸出足夠的制動(dòng)力矩，保證設(shè)備的安全使用。

對(duì)于制動(dòng)器力矩的調(diào)整，各制動(dòng)器生產(chǎn)廠家都有配套的說明書，只要按照其調(diào)整步驟一步一步完成，一般都能達(dá)到其整定的基本要求，也能滿足設(shè)備有限的要求；但上述調(diào)整都是以間隙為最終的目的，如果調(diào)試維保人員的水平不高、調(diào)整墊片不合理、彈簧的疲勞，則可能出現(xiàn)間隙在合理范圍但實(shí)際制動(dòng)力矩不足、鏟斗下滑的問題。

3 制動(dòng)力矩測(cè)定的實(shí)現(xiàn)

在以往的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于測(cè)量、控制、顯示等因素的限制，無法對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)定，只能依靠維護(hù)保養(yǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行調(diào)整，極易因個(gè)人經(jīng)驗(yàn)不足而出現(xiàn)較大差異。隨著電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字式變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電鏟上，這也使得變頻系統(tǒng)中許多先進(jìn)的功能被開發(fā)、應(yīng)用，制動(dòng)器力矩測(cè)試就是其中的功能之一。

3.1 西門子變頻器中制動(dòng)力矩測(cè)定的實(shí)現(xiàn)

在西門子S120系列變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器有多種控制方式，如V/F控制、轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制、電流控制和伺服控制等。為了測(cè)定制動(dòng)器力矩整定值的大小，需將變頻器設(shè)置成轉(zhuǎn)矩控制方式，即在設(shè)置了 p1300=20(無編碼器轉(zhuǎn)速控制)或p1300=21(帶有編碼器的轉(zhuǎn)速控制)時(shí)，可通過BICO參數(shù)p1501=1來實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速控制時(shí)切換到轉(zhuǎn)矩控制，亦可通過BICO參數(shù)p1501=0來實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩控制時(shí)切換到轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值可通過BICO參數(shù)p1503來設(shè)置，或采用轉(zhuǎn)矩附加設(shè)定值p1511來設(shè)置。需特別注意的是，如果設(shè)置了附加轉(zhuǎn)矩(p1511)值，則無論是采用轉(zhuǎn)速控制還是轉(zhuǎn)矩控制方式，所設(shè)定的附加轉(zhuǎn)矩都會(huì)起作用。

為防止電機(jī)在轉(zhuǎn)矩控制時(shí)運(yùn)行速度過高，需在變頻器中設(shè)定幾個(gè)參數(shù)，以便將電機(jī)的最大運(yùn)行速度加以限制。如果只是為了達(dá)到測(cè)試轉(zhuǎn)矩的目的，通常此最大速度值可以設(shè)定在30 r/min～50 r/min之間。注意，此最大速度值應(yīng)在BICO參數(shù)p1051(正向限幅值)和p1052(反向限幅值)設(shè)定的區(qū)間范圍內(nèi)。

在實(shí)際進(jìn)行力矩測(cè)試時(shí)，應(yīng)當(dāng)在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試完畢且機(jī)械制動(dòng)器也調(diào)整后再開始。首先應(yīng)確定所需測(cè)試的制動(dòng)器處于正常關(guān)閉狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)制動(dòng)器上的彈簧壓力，使制動(dòng)器在視覺觀察時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的制動(dòng)力矩值，再將上述各BICO參數(shù)設(shè)置完畢。完成上面幾個(gè)步驟后，即可在變頻器面板或筆記本電腦上啟動(dòng)變頻器，同時(shí)注意觀察電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)情況和/或電腦中變頻器的速度曲線。如發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)或筆記本電腦中速度曲線上的速度不能保持為零，則表明該制動(dòng)器調(diào)整的制動(dòng)力矩不足，需要重新進(jìn)行調(diào)整后再次測(cè)試，直到電機(jī)軸不再旋轉(zhuǎn)，或電腦中變頻器的速度曲線始終保持為零。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)至少滿足這兩個(gè)條件中的任意一個(gè)后，表明該制動(dòng)器的力矩整定值已達(dá)到設(shè)計(jì)所需的數(shù)值。

3.2 ABB變頻器中制動(dòng)力矩測(cè)定的實(shí)現(xiàn)

在ABB公司的ACS880系列變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器的基本控制方式采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，但其也具有速度控制、頻率控制和點(diǎn)動(dòng)控制等特點(diǎn)。為了測(cè)定制動(dòng)器力矩整定值的大小，需將變頻器的第19組參數(shù)(端子控制方式)或第26組參數(shù)(通訊控制方式)進(jìn)行設(shè)置。其中，第19組參數(shù)是用來確定外部位置1或外部位置2作為輸入的控制源；第26組參數(shù)用來確定通訊方式作為輸入的控制源。

當(dāng)使用第19組參數(shù)作為控制源時(shí)，通過將參數(shù)19.11=0或參數(shù)19.11=1來實(shí)現(xiàn)外部位置1控制向外部位置2控制的切換。

當(dāng)使用第19組參數(shù)的外部位置1作為控制源時(shí)，可通過將參數(shù)19.12=2變?yōu)閰?shù)19.12=3來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制向轉(zhuǎn)矩控制的切換；相反，可通過將參數(shù)19.12=3變?yōu)閰?shù)19.12=2來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制向轉(zhuǎn)速控制的切換。

當(dāng)使用第19組參數(shù)的外部位置2作為控制源時(shí)，可通過將參數(shù)19.14=2變?yōu)閰?shù)19.14=3來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制向轉(zhuǎn)矩控制的切換；相反，可通過將參數(shù)19.14=3變?yōu)閰?shù)19.14=2來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制向轉(zhuǎn)速控制的切換。

需說明的是，第19組參數(shù)必須與第20組參數(shù)配合使用才能組成完整的轉(zhuǎn)矩控制模式。

當(dāng)使用第26組參數(shù)時(shí)，可將參數(shù)26.14設(shè)置為0或1，對(duì)應(yīng)選擇轉(zhuǎn)矩給定源的1或2，也就是確定選擇由參數(shù)26.11(26.70)還是參數(shù)26.12(26.71)送入的轉(zhuǎn)矩值起作用，該轉(zhuǎn)矩給定值的大小也是由參數(shù)26.11 或參數(shù)26.12中送來的數(shù)值確定。另外，轉(zhuǎn)矩附加設(shè)定值可通過參數(shù)26.16或參數(shù)26.25來設(shè)置。

為防止電機(jī)在轉(zhuǎn)矩控制時(shí)運(yùn)行速度過高，需在變頻器中設(shè)定幾個(gè)參數(shù)，以便將電機(jī)的最大運(yùn)行速度加以限制。該功能可通過參數(shù)30.11和30.12來設(shè)置。如果只是為了達(dá)到測(cè)試轉(zhuǎn)矩的目的，通常該最大速度值可以設(shè)定在30 r/min～ 50 r/min之間。

3.3 制動(dòng)力矩測(cè)定的實(shí)例

當(dāng)針對(duì)不同廠家的變頻器選用了對(duì)應(yīng)的參數(shù)組并設(shè)定后，即可簡單、快速地對(duì)制動(dòng)器的整定力矩進(jìn)行測(cè)定，圖2為某電鏟的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)器實(shí)際測(cè)試曲線。由此曲線可見，在制動(dòng)器關(guān)閉的條件下，變頻器在給定轉(zhuǎn)矩下進(jìn)行了啟動(dòng)，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速實(shí)際值未發(fā)生變化，因此，可以認(rèn)為該制動(dòng)器調(diào)整值符合安全制動(dòng)的要求。

圖2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩測(cè)試曲線

4 結(jié)語

按照上面的參數(shù)，在多臺(tái)套電鏟上進(jìn)行了試用，其中既有配套采用西門子公司S120系列變頻器的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，也有配套采用ABB公司ACS880系列變頻器的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。在對(duì)電鏟各機(jī)構(gòu)配套制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)試、調(diào)整后，確認(rèn)了該方法的可靠性和安全性。

當(dāng)需要采用其他變頻器廠商的產(chǎn)品時(shí)，只要找出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)變頻器的轉(zhuǎn)矩給定運(yùn)行和制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩的測(cè)試。此方法不但適用于礦山設(shè)備的電鏟，也同樣適用于采用變頻器傳動(dòng)控制的其他機(jī)械設(shè)備，如起重機(jī)械、軋鋼設(shè)備等。