電鏟制動器力矩的測定

吉孟蘭，劉煥江

(礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室 太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

0 引言

制動器是礦山設備、起重運輸機械等設備中使用最多的器件之一，其制動效果與工人的人身安全、設備安全都有著直接的關系。在機械設備的使用過程中，時常發生因制動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生，本文詳細介紹了使用西門子公司S120系列和ABB公司ACS880系列變頻調速系統時，其制動器的實用力矩測定方法和參數設置，以供調試或維保人員參照。

1 制動器的功能與型式

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

為保證挖掘機械、起重機械等運行時在停電狀態下也能安全可靠地停車，其制動器通常要求選用常閉式制動器，即斷電抱閘式制動器。圖1為電鏟上常用的制動器示意圖，其工作原理為：進氣電磁閥斷電后，失去電磁力的撞針阻斷進氣孔的氣體，同時，將制動器充氣腔內的排氣孔打開，排掉腔內空氣，制動器摩擦片在壓縮彈簧的彈性力作用下在被制動物體(如制動盤、制動輪等)上產生制動摩擦力，在摩擦力的作用下將做旋轉或直線運動機構設備的動能(含慣性能量)轉化為熱能、聲能等形式，從而達到將相應機構部件減速、制動的目的。

圖1 電鏟上常見的制動器示意圖

2 制動力矩測定的需求

礦山設備中的電鏟基本均使用氣動式制動器，設備運行時處于開閘狀態，只有在停機、檢修、更換司機等工況時才會有關閉抱閘的要求。因此抱閘時制動力矩是否足夠關系到能否安全停車，需要引起重視。為此，在調試階段或者電鏟使用一段時間后，特別當設備因供電故障使得驅動電機失去電源而發生緊急制動后，制動器摩擦片會受到強烈磨損、發熱，此時應及時調整、測試制動器的力矩是否足夠，以備在下次制動時能輸出足夠的制動力矩，保證設備的安全使用。

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

3 制動力矩測定的實現

在以往的電氣傳動系統中，由于測量、控制、顯示等因素的限制，無法對制動器的制動力矩進行準確的測定，只能依靠維護保養人員的經驗來進行調整，極易因個人經驗不足而出現較大差異。隨著電氣傳動系統的發展，數字式變頻調速系統廣泛應用于電鏟上，這也使得變頻系統中許多先進的功能被開發、應用，制動器力矩測試就是其中的功能之一。

3.1 西門子變頻器中制動力矩測定的實現

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

為防止電機在轉矩控制時運行速度過高，需在變頻器中設定幾個參數，以便將電機的最大運行速度加以限制。如果只是為了達到測試轉矩的目的，通常此最大速度值可以設定在30 r/min～50 r/min之間。注意，此最大速度值應在BICO參數p1051(正向限幅值)和p1052(反向限幅值)設定的區間范圍內。

在實際進行力矩測試時，應當在電氣傳動系統調試完畢且機械制動器也調整后再開始。首先應確定所需測試的制動器處于正常關閉狀態，然后調節制動器上的彈簧壓力，使制動器在視覺觀察時達到設計所要求的制動力矩值，再將上述各BICO參數設置完畢。完成上面幾個步驟后，即可在變頻器面板或筆記本電腦上啟動變頻器，同時注意觀察電動機的旋轉情況和/或電腦中變頻器的速度曲線。如發現電機軸轉動或筆記本電腦中速度曲線上的速度不能保持為零，則表明該制動器調整的制動力矩不足，需要重新進行調整后再次測試，直到電機軸不再旋轉，或電腦中變頻器的速度曲線始終保持為零。當傳動系統至少滿足這兩個條件中的任意一個后，表明該制動器的力矩整定值已達到設計所需的數值。

3.2 ABB變頻器中制動力矩測定的實現

在ABB公司的ACS880系列變頻調速系統中，變頻器的基本控制方式采用直接轉矩控制(DTC)，但其也具有速度控制、頻率控制和點動控制等特點。為了測定制動器力矩整定值的大小，需將變頻器的第19組參數(端子控制方式)或第26組參數(通訊控制方式)進行設置。其中，第19組參數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組參數用來確定通訊方式作為輸入的控制源。

當使用第19組參數作為控制源時，通過將參數19.11=0或參數19.11=1來實現外部位置1控制向外部位置2控制的切換。

當使用第19組參數的外部位置1作為控制源時，可通過將參數19.12=2變為參數19.12=3來實現轉速控制向轉矩控制的切換；相反，可通過將參數19.12=3變為參數19.12=2來實現轉矩控制向轉速控制的切換。

當使用第19組參數的外部位置2作為控制源時，可通過將參數19.14=2變為參數19.14=3來實現轉速控制向轉矩控制的切換；相反，可通過將參數19.14=3變為參數19.14=2來實現轉矩控制向轉速控制的切換。

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

當使用第26組參數時，可將參數26.14設置為0或1，對應選擇轉矩給定源的1或2，也就是確定選擇由參數26.11(26.70)還是參數26.12(26.71)送入的轉矩值起作用，該轉矩給定值的大小也是由參數26.11 或參數26.12中送來的數值確定。另外，轉矩附加設定值可通過參數26.16或參數26.25來設置。

為防止電機在轉矩控制時運行速度過高，需在變頻器中設定幾個參數，以便將電機的最大運行速度加以限制。該功能可通過參數30.11和30.12來設置。如果只是為了達到測試轉矩的目的，通常該最大速度值可以設定在30 r/min～ 50 r/min之間。

3.3 制動力矩測定的實例

當針對不同廠家的變頻器選用了對應的參數組并設定后，即可簡單、快速地對制動器的整定力矩進行測定，圖2為某電鏟的回轉機構制動器實際測試曲線。由此曲線可見，在制動器關閉的條件下，變頻器在給定轉矩下進行了啟動，在測試時間內，轉速實際值未發生變化，因此，可以認為該制動器調整值符合安全制動的要求。

圖2 回轉機構制動器制動轉矩測試曲線

4 結語

按照上面的參數，在多臺套電鏟上進行了試用，其中既有配套采用西門子公司S120系列變頻器的電氣傳動系統，也有配套采用ABB公司ACS880系列變頻器的電氣傳動系統。在對電鏟各機構配套制動器的轉矩進行測試、調整后，確認了該方法的可靠性和安全性。

當需要采用其他變頻器廠商的產品時，只要找出對應的轉矩控制參數，即可實現變頻器的轉矩給定運行和制動器轉矩的測試。此方法不但適用于礦山設備的電鏟，也同樣適用于采用變頻器傳動控制的其他機械設備，如起重機械、軋鋼設備等。