鼓式制動器制動力矩監測方法研究

薛志鋼 孫小偉 韓伍林 蘇文勝

1江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院 無錫 214174

2國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心 無錫 214174 3石家莊五龍制動器股份有限公司 石家莊 050090

0 引言

制動器在機電類的特種設備中具有廣泛的用途，是電梯、起重機重要的安全部件之一，是保衛財產和人身安全的最后一道防線，每年都有因為制動器制動能力不足而導致的事故發生。如影響較大的鋼水包傾覆事故，原因之一就是制動襯墊磨損嚴重，未及時調整制動器，致使制動力矩嚴重不足，未能有效制止鋼水包下墜[1]。對于電梯而言，據統計，電梯事故中多數是因制動器失效或制動器不靈活造成的[2]。由此許多學者提出了針對于機電類制動器制動力矩監控的研究，在電梯行業，已經有標準[3，4]要求利用空載制動的方法對電梯的制動力矩進行監測，然而該方法只能對制動器進行單次檢測，無法做到實時監測，且空載運行測試還會影響人員乘坐電梯。還有學者提出在制動器閉合情況使曳引電動機增加輸出，強制驅動轉動輪檢測制動器制動力矩的大小[5]，該方法無論是對電動機還是對制動器都是一種損傷，且無法做到實時監測的目的。對起重機而言，部分學者[6]提出基于監測制動器的制動力，通過手動輸入制動閘瓦和制動輪之間的摩擦系數，間接對制動力矩進行實時監測，但在制動器使用過程中摩擦系數并不是一個恒定值，例如制動閘瓦磨損、油污污染、制動閘瓦有異物等都會導致摩擦系數的改變，進而影響制動力矩的大小。此外，部分監測制動力的傳感器放置在制動閘瓦和制動臂連接的地方，在制動器制動過程中，該傳感器不僅要承受水平方向的制動力，且還承受因制動摩擦產生的豎直方向上的力，如圖1所示。

圖1 制動器受力示意圖

但是，制動摩擦力和制動力所占傳感器感知力的比重是未知的，進而無法精確監測到制動力的大小。本文基于力學分析和制動器的工作原理，提出一種新的監測制動器制動力矩的方法，該方法監測的制動力矩隨著制動輪和襯墊的摩擦系數和制動力的變化而變化，能穩定可靠地對制動器工作狀態下的制動力矩進行實時的監測。

1 制動力矩監測方案

鼓式制動器安裝在高速減速器的高速軸上，大多處在電動機和減速器中間的位置。制動器的工作狀態下受力圖如圖2所示，常閉型的鼓式制動器在斷電情況下處于閉合狀態，推動器停止工作，在彈簧恢復力的作用下，制動閘瓦抱緊制動輪，進而起到剎車制動的作用。此時制動瓦對制動輪施加垂直于表面的制動力，該力的合力方向垂直于制動臂，同時制動襯墊和制動輪接觸產生摩擦力。以制動輪為研究對象，1對大小相等的制動力作用在一條水平線上，水平方向上合力為0，1對大小相等、方向相反的摩擦力形成摩擦力偶，進而起到制動的作用，該力偶就是制動器對制動輪的制動力矩。根據作用力反作用力原理，制動輪通過制動襯墊對制動臂作用1對大小相同、方向相反的力，通過力的傳遞，制動輪對制動臂的力通過制動臂傳遞到制動臂與底座的銷軸。以底板和銷軸為研究對象，受力示意圖如圖3所示，制動過程中，連接制動臂和底座的銷軸所受到豎直向上的力即是制動閘瓦對制動輪的摩擦力，通過監測2個銷軸的力，然后乘以力臂就可得到制動器對制動輪的制動力矩。

圖2 制動器受力示意圖

圖3 以底板和銷軸作為研究對象的受力示意圖

通過監測銷軸傳感器的豎直方向上的2個力，可得制動器對制動輪的制動力矩為

式中：M為制動器對制動輪的制動力矩，F為制動輪與制動閘瓦之間摩擦力的合力，l為2個銷軸之間的距離。

由式（1）可知，通過該方法檢測制動器的制動力矩不依賴摩擦系數，且能實時、精確地監測制動器的制動力矩。

3 制動力矩監測方案的實施

最為理想的方式是將原有的銷軸換成銷軸傳感器，但通過上述的分析可知，在制動臂和底座連接的銷軸處，不僅因制動摩擦產生豎直方向上的力，且還受到因制動力產生的水平方向上的力，而銷軸傳感器只能單向受力。在此選擇懸臂式傳感器，如圖4所示，傳感器的一端為銷軸孔，一端將該傳感器固定在地板上，同時為消除水平方向上力，此銷軸孔采用橢圓設計，允許銷軸有小范圍的水平方向的移動。同時為了使制動器產生水平方向上的制動力，在銷軸的兩側安裝約束銷軸水平方向位移的裝置，該裝置允許銷軸在豎直方向產生一定位移的同時約束銷軸水平方向的位移，也是對制動器能夠安全可靠使用提供保障，最終傳感器的組裝如圖4所示。

圖4 懸臂式傳感器

圖5 傳感器示意圖

圖6 制動器標定

標定試驗臺的結構如圖7所示，在減速器高速端連接驅動裝置，低速端通過力矩傳感器和制動輪連接。在標定時，首先將裝有力矩傳感器的制動器安裝在試驗臺上，通過調節制動彈簧使制動器抱緊制動輪，保證制動器的制動力矩達到額定值，將2個傳感器和采集儀連接并調試好，確保采集儀能采集到傳感器的電壓信號，取2個傳感器絕對值的平均值作為輸出。手動轉動驅動裝置至力矩傳感器有數據，依次保證力矩傳感器的數值達到5 N/m、10 N/m、15 N/m、20 N/m，并依次記錄傳感器數據的電壓值，用線性擬合得到力矩-電壓關系圖，如圖8所示。通過傳感器的標定發現，該傳感器具有較好的線性度，滿足工程測試的需求。

圖7 標定系統原理圖

圖8 傳感器標定

4 結論

本文提出了一種不受摩擦系數和制動力改變，且不需要空載及強制電動機轉動的實時監測鼓式制動器制動力矩的方法，并根據此方法研制了能夠對制動器制動力矩進行監測傳感器，完成了傳感器的標定工作。

1）根據制動器的工作原理，對制動器制動過程中的受力進行了分析；

2）基于對力學分析提出了一種能夠對制動器的制動力矩進行實時監測的方案，并對該方案進行了實施；

3）設計研發了一套能夠監測制動器制動力矩的傳感器，并完成了標定和測試工作，證明了該傳感器的可行性。