起重機用塊式制動器有限元分析及檢驗研究

陳 興，王雅民

（平涼市特種設備檢驗中心，甘肅平涼 744000）

0 引言

起重機類特種設備中，比較常用的制動設備是塊式制動器，它是通過制動摩擦將動能轉化成為的熱能的一種部件，并且用塊式制動器對于起重機設備的正常、安全運行具有重要作用。但是用塊式制動器在工作過程中存在著檢驗重視度低、工況復雜還有較高動作頻率等問題，容易造成安全事故的發展，所以一定要做好對其的日常維護和檢驗工作。因此，下面就對起重機用塊式制動器有限元分析及檢驗進行研究、分析。

1 用塊式制動器的工作原理以及組成

起重機用塊式制動器主要由基座、瓦塊、制動臂、推力桿、主彈簧、液力器以及支架等7 個部分組成。正常運行的起重機，其兩個瓦塊會在彈簧力的作用下閉合制動輪，而瓦塊襯墊還有制動輪之間所產生的摩擦力會讓運行還有起升的構件進行制動[1]。在通電之后，液力推動器就會帶動推力桿，進行制動臂張開，從而讓制動輪處于自由旋轉的狀態。起重機各種工作機構的運轉正常都是由制動器來保障的，間隙和主彈簧制約動力矩的大小，副彈簧使瓦輪保持合適的間隙。

2 起重機用塊式制動器的有限元分析

2.1 載荷施加和網格劃分

為了確定和分析起重機用塊式制動器在運行時的變形情況和整體受力，就需要進行有限元分析。在這個過程中首先應建立三維模型，再將其導入到有限元軟件中，進行網格劃分時可以運用六面網格[2]。對于輪式制動器而言，在對其進行約束和施加載荷的時候，其基座應該位于一種固定狀態。就制動器的制動瓦塊而言，在其中存在著制動力矩，將其設置成為1000 N·m，在重力和力矩的作用下對整體的應變及應力情況進行驗證，這樣非常有利于對其中失效發生的危險位置進行分析。

2.2 有限元分析的結果

對模型進行約束施加、網格劃分還有載荷施加之后，再求解計算有限元，最終求算出結果。通過得出來的結果來整體地觀察制動器的應變和應力，經過觀察之后可以發現一應變和應力值變小了。同時，在制動臂和制動瓦塊的鉸接處存在了最大的結構應力。這是因為鋼材料大于其屈服強度，所以也可以根據這個來判斷出制動器正在安全靜態的情況下。對于這個建立的制動器結構來說，其應變的最高值位于整個支架還有制動臂上，而處于瓦塊位置的應變則比較小[3]。而對于液力缸還有基座部位的應變還有應力值來說都比較小，甚至可以忽略不計。通過分析結果來看，制動瓦塊、主彈簧還有推力桿等零部件的應力和結構位移的分布，各個零件的變形值較小，其屈服強度都大于各個應力值，正位于彈性變形的情況下，并且還具備著一定程度的安全裕度。而對于制動瓦塊、主彈簧和推力桿這3 個部件來說，其最大變形處都發生在每個零部件的端部，并且這3 個零部件分布的應力有不同的分布規律。

3 起重機用塊式制動器檢驗及失效分析

制動力矩Mz的計算公式如下：

其中，FN是主彈簧張力，n 是瓦塊的總數量，ηs表示制動瓦間和主彈簧之間的力傳遞杠桿比，μf是制動輪和瓦塊之間的摩擦因數，D 為制動輪的直徑。因此，按照上述的公式和有限元的分析，可以按照從以下4 個方面對制動失效進行分析。

3.1 升溫制動

進行制動時，用塊式制動器會產生很多的摩擦熱，這會使瓦塊和制動輪之間的摩擦因數下降，進而降低制動力矩，甚至在比較嚴重的狀況下來會出現制動失效的情況[4]。為了避免失效問題的發生，在這個過程中一定要注意制動器的頻繁和長期運行。

3.2 襯墊摩擦

經過長時間的摩擦之后，制動襯墊的表面會出現磨損，制動輪和制動瓦塊之間的間隙不斷擴大，同時還會減小制動力矩。所以，應實時監測襯墊磨損量，如果超過了其允許值就一定要及時進行更換，從而使制動的安全性得到有效保障。

3.3 結構件出現故障

起重機用塊式制動器中包括的零件比較多，所以任何一個環節發生了故障都會造成制動器的失效[5]。依據故障來進行深入的理論和分析，就可以了解到各個環節當中出現的故障。例如液力器的馬達繞組，當其發生故障后，制動輪盤就會因為失效而出現發熱裂紋，制動臂、推力桿等也會出現疲勞破壞。

3.4 其他因素

起重機作業時，如果因為作業人員的操作出現錯誤，如維護人員不小心將潤滑油或潤滑脂滴入摩擦副，摩擦因數就會出現急劇下降的情況，繼而造成起重機用塊式制動器因為制動失效而發生故障。所以，在對起重機制動器進行日常檢驗時，應重視制動襯墊的磨損情況，并測量制動間隙及液力器的順暢度。同時還應該要測試結構件的受力區域，并且對于特種設備的人員操作質量、工作級別還有工作的環境等進行綜合考慮、評估還有檢驗。

4 起重機用塊式制動器的日常維護方式

4.1 更換制動襯墊

制動襯墊屬于容易損壞的零件，在對其進行更換時，如果之前所運用的制動襯墊可以滿運行要求，那么在更換時還要選擇同廠家所生產的制動襯墊[6]。如果需要換用其他廠家的襯墊，那么應選擇標準相同的產品，產品厚度和寬度應與之前的制動襯墊相符，且產品性能不低于原來的襯墊。

4.2 注意制動器安裝的連接尺寸

更換起重機用塊式制動器時，應選擇原廠家生產的同一型號產品，同時還應重視安裝連接的尺寸，避免安裝后影響制動性能或根本無法安裝。另外還要注意，即便產品的型號一樣，安裝連接的尺寸也可能會所不同。雖然制動器型號和尺寸可能會存在不同，但是因為連接尺寸與各項標準相符合，所以按照安裝連接尺寸標準來選擇制動器類型是比較簡單的方式。

4.3 制動器的功能及性能

在維護或更換起重機制動器的時候，新換制動器的性能不可以低于原來的制動器，且其摩擦材料和制動力矩的功能不能低于原來的[7]。

4.4 電源的選用

起重機用塊式制動器應盡量使用原型號的制動器電源，或使用相同指標參數的電源。如果要改變原來起重機中的控制線路，則原來的制動程序就很有可能發生改變，出現不必要的故障。

5 結束語

綜上所述，通過對起重機用塊式制動器有限元分析及檢驗研究，明確了制動受載情況下起重機用塊式制動器的最大應變、最大應力應處于制動臂的位置：屈服強度遠大于制動器各零件的應力，而這這種狀態下就證明其處于安全靜態下；對其進行檢驗時，應重視制動間隙、制動溫升、人員實際操作、襯墊摩擦以及整體的工作情況等工作，使起重機制動器的運行安全得到有效保障。