制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器研究與設計

摘 要：制動器又叫抱閘，是具有使運動部件（或運動機械）減速、停止或保持停止狀態等功能的裝置，其是通過非旋轉元件（與車身或車架相連的部件）及旋轉元件（與車輪或轉動軸相連的部件）之間的相互摩擦來阻礙其轉動或轉動的趨勢，以此來控制電機的運轉以及慣性運轉。制動器中磨損最大的機械零件是瓦塊摩擦片。制動器在使用期間絕對不允許制動器出現制動故障、失靈的情況，否則極容易造成事故發生。但目前制動器瓦塊摩擦片磨損程度全部依靠人員的經驗觀察，沒有自動化報警系統。所以關于制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器的研究意義重大。

關鍵詞：制動器;制動器瓦塊摩擦片;制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器

Absrtact： Brake， also known as holding brake， is a device with the function of decelerating， stopping or maintaining the stopping state of moving parts （or moving machinery）. Brake pad friction plate is the most worn mechanical part in the brake. The function of the brake is to prevent the rotation or rotation trend of the non rotating components （parts connected with the body or frame） and the rotating components （parts connected with the wheel or the rotating shaft） through mutual friction， so as to control the motor operation and inertia operation. Because of the particularity of the brake， it is absolutely not allowed to have brake failure or failure during the use of the brake， otherwise it is very easy to cause accidents. At present， the wear degree of brake pad friction plate depends on the experience observation of personnel， and there is no automatic alarm system. Therefore， the research， design and application of automatic monitoring alarm for brake pad friction plate are of great significance.

Key words： Brake; Brake pad friction plate; Automatic monitoring alarm for brake pad friction plate

前言

制動器俗稱閘、剎車，是具有使運動部件或機械減速、停止運動或保持其停止狀態等作用的機械零件。制動器起到制動的原理為通過非旋轉元件（與車身或車架相連的部件）及旋轉元件（與車輪或轉動軸相連的部件）之間的相互摩擦來阻礙車輪轉動或車輪轉動的趨勢。制動器的主要結構有制架、制動件和操縱裝置等。一般來說，制動器通常安裝于設備的高速軸上，但對于礦井提升機、電梯等對安全性要求較高的大型設備則安裝于靠近設備工作部分的低速軸上。而無論安裝于何處，制動器瓦塊摩擦片都是制動器中磨損最大的機械零件[1-4]、[7]、[8] 。

由于制動器功能的特殊性——用以控制電機的運轉及慣性運轉，在使用期間制動器不允許出現制動失靈的現象發生，因此無論哪一部分出現問題都極易造成事故的發生，制動器瓦塊摩擦片作為最易磨損的部件[20]、[23]，對其磨損方面的防控十分重要[9]、[10]、[12]，以便進行后續的替換更新，保證機器的正常運行[5]、[6]。

然而，目前制動器瓦塊摩擦片磨損程度基本都靠人工的經驗觀察，而無機械或自動化的報警系統[17]、[20]。人工成本較大，且無較為固定的標準，實際操作方面擴大性和可操作性不大，大規模數量的制動器則會出現監測不便、較難實現的情況，或者需要更多的人力資源投入，成本過高。

若制動器瓦塊摩擦片的自動監測報警器的研究與設計推廣成功，對于設備安全性能提升、設備使用壽命、成本降低等方面意義重大。

1 試驗條件和試驗方法

1.1 試驗原料

以摩擦傳感器、聲光報警器、16A空開、2A保險為主要原料。此外還需要AC 36V電源、電線等配件。

摩擦傳感器起監測傳感制動器瓦塊摩擦片的磨損程度的作用，根據本設計的設計理念需求，可選擇磨損檢測傳感器以用作監測制動片摩擦片的磨損情況，其原理為當制動器摩擦片超過磨損允許的限度時，再對其進行磨損就會使其接觸磨損監測傳感器。在設計過程中，需要著重考慮的是如何放置摩擦傳感器可以使制動器的每次工作都對摩擦傳感器也起磨損作用。

聲光報警器又名聲光警號，在達到預定條件后可以同時發出聲、光兩種信號。在制動器瓦塊摩擦片自動檢測報警器中起摩擦片受損至一定限度后提醒的作用。實際選材的過程中，需要結合車間實際情況，選擇合適分貝及光照強度、光照顏色的聲光報警器，以達到切實的提醒效果。

16A空開全名16A空氣開關，又名空氣斷路器，若電路中的電流超過額定電流就會自動斷開的開關;2A保險指2A保險絲盒，起過載保護作用。總體而言，二者都起對制動器瓦塊摩擦片的自動監測報警器電路系統的保護作用，對于制動器瓦塊摩擦片的自動監測報警器電路系統來說是必不可少的一部分。

AC 36V電源、電線等配件是用于構成制動器瓦塊摩擦片自動檢測報警器完整回路的必需電器元件。

1.2 試驗設備

以制動器瓦塊摩擦片開設通孔為所需的試驗設備。

根據自動檢測報警器的設計要求，需要將制動器瓦塊摩擦片的自動監測報警器的摩擦傳感器探頭裝置安裝于制動摩擦片及制動瓦塊開設的通孔內，以此達到制動器的每次工作都對摩擦傳感器也起磨損作用的目的。基于此種情況，在實際安裝制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器時需要制動器瓦塊摩擦片開設通孔，方可進行后續設備的安裝，使摩擦傳感器切實的起到傳感制動器瓦塊摩擦片磨損情況的作用（具體情況見圖1、2、3）。

2 試驗結果

生產制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器樣品，將其全部投入使用，后全數檢驗（對每一件產品都進行逐一監測）。根據制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器報警產生聲響、光亮閃爍的時間節點與有豐富判定經驗的工作人員認定的需更替摩擦片的時間節點二者之間的時間差值，計算在實際實踐過程中制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器的誤差范圍。計算結果顯示，制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器監測報警的情況與人工經驗評判制動器瓦塊摩擦片的情況極為相近（時間差較小，在可控、可接受的范圍之內）。

這說明制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器的功能較為完備，對制動器瓦塊摩擦片的磨損程度監測靈敏、準確，實際使用的效果較好。

3 試驗結果分析

3.1 機械安裝原理分析

摩擦傳感器的探頭部分需要安裝在摩擦片及制動瓦塊開設的通孔內，以此保證制動器在每次工作時都對摩擦傳感器也起磨損作用，這種情況下所監測到的制動器瓦塊摩擦片磨損情況較為準確。為進一步加強對摩擦傳感器探頭的固定，需要再使用螺栓將其固定鎖緊在制動瓦塊上。隨后根據摩擦片的磨損極限來調整摩擦傳感器探頭位置（見圖4）。

摩擦傳感器連接聲光報警器，再連接至電源形成回路（具體電路連接順序見圖5）。

3.2制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器工作原理分析

根據摩擦傳感器的工作原理，當摩擦片經過一定時間磨損后，磨掉至摩擦片所設置的極限時接觸摩擦傳感器探頭，探頭受到接觸，進而使摩擦傳感器控制聲光報警器產生聲音及光亮閃爍。制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器響起、亮起，目的在于提醒作業人員及時檢查并更換制動器瓦塊摩擦片。

4 結論

制動器瓦塊摩擦片作為制動器工作的重要部件之一，決定了制動器是否能夠正常使用、機械再在使用過程中存在安全隱患以及制動器的工作年限甚至整體機械設備的使用年限。

制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器的設計目的在于減輕人工判斷、監測制動器瓦片摩擦片磨損程度的難度及工作負擔，且能進一步減少人力資源使用、降低運作成本，使判斷、監測制動器瓦片摩擦片磨損程度的工作逐步規范化。

根據試驗結果，將制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器應用于實際實踐情況，計算制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器報警產生聲響、光亮閃爍的時間節點與有豐富判定經驗的工作人員認定的需更替摩擦片的時間節點二者之間的時間差值的差值范圍，計算結果顯示，制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器對磨損程度的認定與人工觀察監測的結果非常接近，說明了制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器工作的準確度高。

與人工評測認定相比，制動器瓦塊摩擦片的自動監測報警器對制動器瓦塊摩擦片監測系統的規范化有著一定的貢獻，其材料費低廉、成本較低，能大量地節省人力資源。除此之外，從對于設備安全性能提升、設備使用壽命延長方面來說，相較于人工的判斷認定，制動器瓦塊摩擦片的自動監測報警器只要回路正常、電源能供其正常工作，就能二十四小時不間斷工作，對制動器瓦塊摩擦片磨損程度的監測更為全面、細致，更能及時地對設備的零件進行檢修更新，進而對設備安全性能、使用性能方面也有著重大意義。

綜上所述，制動器瓦塊摩擦片自動監測報警器的生產、擴大、投入使用對于監測制動器瓦塊摩擦片的磨損程度有著重大意義。一旦落實，帶來的結果不僅是經濟上的效益，更是對制動器瓦塊摩擦片方面的研究的促進。

參考文獻：

[1]樊晟，沙印.起重機用塊式制動器有限元分析及檢驗[J].大眾標準化，2021（10）：255-257.

[2]嚴倫達，張明金.自動扶梯塊式制動器檢查與調整方法[J].西部特種設備，2021，4（01）：41-45.

[3]曾祥躍，王全先.電力液壓塊式制動器力能設計方法研究[J].機械研究與應用，2020，33（04）：47-49+53.

[4]胡暢，王志強，黃曉亮.一種用于自動扶梯的塊式制動器的制動閘瓦磨損的監控方法[J].中國電梯，2020，31（13）：67-69.

[5]. Mining - Mining Science; New Findings from Technical University Cluj Napoca in the Area of Mining Science Described （Thermal Analysis of the Industrial Shoe Brakes To Reduce the Risk of Failure During Braking）[J]. Mining & Minerals，2020.

[6]Adrian Cernaianu，Corina Cernaianu，Eugenia St?ncu?，Leonard Marius Ciurezu-Gherghe. Studies on the Variation of the Process Parameters when Braking DC Motors with Shoe Brakes[J]. Applied Mechanics and Materials，2020，5957.

[7]朱雪青.電子機械式制動器的控制方法研究[J].客車技術，2019（03）：3-7.

[8]何躍龍.自動扶梯驅動機構的制動裝置專利技術發展路線簡析[J].中國電梯，2019，30（11）：53-55.

[9]張鵬. 塊式制動器失效機理及閘瓦磨損分析[D].浙江理工大學，2019.

[10]C. Bala Manikandan，P. Balamurugan，S. Lionel Beneston，S. Balamurugan. Braking Force & Braking Time Reduction by using Four Shoe Brake System[J]. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering （IJITEE），2019，8（6）.

[11]朱雪青. 汽車電子機械式制動器的控制方法研究[D].合肥工業大學，2019.

[12]王文斌. 乘客電梯塊式制動器故障模式及其熱疲勞壽命研究[D].浙江理工大學，2019.

[13]C Cruceanu，C Cr?ciun. Aspects regarding braking process of passenger trains with different braking systems in composition[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，400（4）.

[14]S Darmo，L D Setyana，T Tarmono，N Santoso. The Effects of Silicon on The Hardness and Wear of Ferritic Grey Cast Iron on Shoe Brake of Train[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，384（1）.

[15]朱建新，徐強，江葉峰.起重機械技術分析[J].特種設備安全技術，2018（02）：31-33.

[16]劉志強.淺談自動扶梯防逆轉系統的應用[J].河南建材，2018（01）：230-231.

[17]蘇輝.制動器制動摩擦性能機理及其影響因素分析[J].摩托車技術，2021（03）：45-48.

[18]宋秦中，周成磊.一種新型鼓式制動器的設計與分析[J].機械工程與自動化，2020（06）：40-42.

[19]張望，邵振榮，朱霖.淺議多種監控系統在智能壓力機上的應用[J].鍛壓裝備與制造技術，2020，55（05）：82-85.

[20]劉娜，張斌，宋娟，朱青青，馬秋環.礦井提升機盤式制動器的摩擦磨損特性研究[J].煤礦機械，2020，41（03）：60-63.

[21]侯碩，賀韶，鄧璽，奚琛，路廣遙，陳帥.橢圓形織構摩擦片在核電站安全制動器中作用機理的數值研究（英文）[J].摩擦學學報，2020，40（03）：299-304.

[22]朱曉峰.干式制動條件下帶式輸送機摩擦片摩擦行為學的研究[J].機械管理開發，2020，35（02）：87-89.

[23]孫文文.盤式制動器實時報警裝置研究[J].現代制造技術與裝備，2019（11）：31-32.

[24]萬鑫. 盤式制動器制動抖動試驗分析與控制[D].重慶大學，2019.

[25]張節，劉有章.橫切線飛剪離合器摩擦片磨損分析與優化[J].裝備制造技術，2017（04）：104-105.

[26]陰妍. 盤式制動器摩擦故障融合診斷與智能預報方法研究[D].中國礦業大學，2019.

作者簡介：

李洋（1990-05-04），男，漢，黑龍江省齊齊哈爾市人，助理工程師，2018年畢業于蘭州理工大學機電一體化技術專業，現在酒鋼集團宏晟電熱公司主要從事起重專業工作。