起升機構采用多制動器技術

李銳鵬 高宏波 李會勤

大連華銳重工集團有限公司 大連 116052

0 引言

制動器是起重機的關鍵部件，國內外起重機設計規范及相關標準對起重機制動器的性能要求、設置要求、控制方法等有詳盡的敘述。合理設置和控制制動器不僅能保障起重機的正常工作和安全，還能延長制動器及制動輪（盤）的壽命，特別是起升機構采用多個制動器時，其設置要求和控制方法尤為重要。本文對各標準的不同描述進行分析比較，提出最優方案。

1 各國對起升機構設置多個制動器的要求

1.1 GB/T 3811—2008《起重機設計規范》

GB/T 3811—2008《起重機設計規范》對起升機構設置多個制動器的要求為第6.1.1.3.1.3條c），吊運液態金屬和易燃易爆的化學品及危險品的起升機構：每套驅動裝置應裝有2個支持制動器，每一個制動器的制動安全系數不低于1.25；對于2套彼此有剛性聯系的驅動裝置，每套裝置應裝有2個支持制動器，每一個制動器的制動安全系數應不低于1.10；對于采用行星差動減速器傳動，每套驅動裝置也應裝有2個支持制動器，每一個制動器的制動安全系數應不低于1.75。

1.2 FEM—1998《起重機設計規范》

FEM—1998《起重機設計規范》對起升機構設置多個制動器的要求為第7.5.3.2條，制動系統要按起升荷重的1.6倍進行設計。搬運融化物質起重裝置應有2個彼此獨立操作的機械式制動器，每一個都要滿足上述要求；第2個制動器相對于第1個制動器應滯后一段時間起作用。

1.3 CMAA NO.70—2004電動橋式起重機規范

美國起重機制造協會對起升機構設置多個制動器的要求為第4.9.1.5條，吊運熔融金屬起重機的每個獨立的起升裝置應安裝2個支持制動器（1個裝在減速器軸上）并應外加控制制動裝置。每個制動器所具有的最小扭矩額定值等于制動器所在位置上的額定載荷起升扭矩。第5.3.4條規定：起升機構上安裝有2個支持制動器時，可以包括1個延時抱閘的制動器。

1.4 ASME NOG-1：-2015橋門式起重機構造規范

美國機械工程師協會對起升機構設置多個制動器的要求為第5416.1條（a），帶緊急制動的典型起升機構包括1個齒輪減速器和1個驅動電動機、2個工作制動器和1個緊急制動器（見圖1）。其中一個工作制動器充當主制動器，另一個工作制動器充當延遲設置的備用制動器。第5416.1條（b）規定：帶有冗余齒輪減速器的典型起升機構包括1個驅動電動機，通過高速軸連接到2個單獨的齒輪減速器和2個制動器（見圖2）。其中一個工作制動器充當主制動器；另一個工作制動器充當延遲設置的備用制動器。在單個起升機構傳動鏈故障后，至少應有2個制動器用于止住緊急狀態的負荷下墜。

圖1 帶緊急制動的典型起升機構

圖2 帶有冗余齒輪減速器的典型起升機構

第6422.1條（a）規定：吊運危險物品的一類起重機的起升機構采用2個支持制動器時，每個制動器的制動力矩不小于起升機構額定載荷下力矩的125%。第6422.2條（c）規定：不吊運危險物品的一類起重機和二、三類起重機的起升機構采用2個支持制動器時，每個支持制動器的制動力矩為額定載荷起升力矩的100%。

1.5 AIST TR06-2005鋼廠電動橋式起重機技術規范

美國鋼鐵技術協會對起升機構設置多個制動器的要求為第4.1.1條，所有吊運熔融金屬的起升機構都應配備1個以上的制動器。在任何情況下，全部制動器額定值之和，按制動器作用點的滿載提升扭矩的百分比計算，吊運熔融金屬的不得小于175%；任何一個制動器失效都不應使總制動扭矩降低到125%以下。

2 起升機構采用多制動器問題分析及建議

2.1 制動器的設置

制動系統的失效主要有3個方面：制動器本身失效，制動控制系統失效，制動輪（盤）及其所安裝的軸損壞。上述各國對制動系統主要關注4方面：制動器的設置、制動器的控制、制動器的安全系數、對制動器本身的性能要求。關于制動器的設置問題各國共同的特點是只關注了制動器數量，沒有關注制動器設置的具體位置要求。如圖1所示，將2個制動器設置在減速器的同一側，減速器高速軸外伸部分與制動輪配合的根部直徑最小，且有過度圓角是疲勞損壞最危險部位，當靠近減速器位置制動器的軸損壞，整個制動系統將失效，起升載荷失控。雖然設置了2個制動器，但沒有起到2個制動器的作用，在實際應用中曾出現過多起制動輪處減速器軸斷裂造成載荷墜落的現象。建議起升機構采用多制動器時盡可能將制動器設置在靠近減速器的兩側（見圖3），那么如果一個制動器所在位置的軸損壞，另一個制動器可以保證載荷不失控，真正起到2個制動器的作用。

圖3 制動器設置在減速器兩側

2.2 制動器的控制

起升載荷停止過程包括減速、停止、支持3個過程。減速可通過機械式或電氣式來實現，機械式一般由機械式制動器來實現，機械式制動器具有減速、停止和支持功能。美國和歐洲搬運協會標準對起升機構采用2個支持制動器時，其中一個制動器延時制動。而中國起重機相關標準雖然對起升機構制動器的設置及安全系數有詳細的描述，但對采用多制動器的控制沒有具體要求。在實際應用中無論采用多少個制動器，所有制動器都設置為同時工作，這種設置存在問題包括：1）在起升機構沒有采用較好的調速系統時，由于制動總力矩較大，制動過猛，對機構傳動件及起重機產生較大的沖擊，制動輪、制動器摩擦片磨損較快。2）有的使用者為了減小沖擊，將制動器制動力矩調小，即采用2個制動器，但2個制動器總力矩可滿足起升機構所需的制動力矩。當一個制動器失效后，另一個制動器就不能滿足起升機構所需的制動力矩，造成載荷失控，發生事故。建議參照國外標準對1套起升機構采用2個制動器時，第2個制動器延時制動。其優點為：1）可改善起升機構的運行性能；2）可大大提高制動系統的安全可靠性，真正起到2個制動器應有的作用；3）可提升易維護性。采用多制動器的起升機構一般多用于工作頻繁、對安全可靠性要求較高的場所，如煉鋼企業，對設備的快速維護要求較高，第1個制動器作為經常工作的制動器，制動輪（盤）、制動襯墊易磨損，將其安裝在易更換的部位（見圖4），便于快速維修更換，且該部位軸不傳遞來自電動機的扭矩，只在制動時承受制動扭矩，受力單一，軸壽命較高；第2制動器作為備用或安全制動器延時制動，制動襯墊和相應的制動輪磨損較小，一般不需要更換，可安裝在不易更換的位置，該處軸只傳遞來自電動機的扭矩，不承受制動扭矩，簡化了該處軸的受力狀態，延長了軸的壽命，可謂一舉多得。若2套機構剛性相連，則2套機構的第1制動器先制動，第2制動器延時制動（見圖4）。

圖4 起升機構中第1、2制動器位置

2.3 制動器的安全系數

制動器的安全系數是起重機設計的重要計算依據，各國起重機設計規范對制動器的安全系數都有明確的要求。通過以上對各國標準的對比可以看出：吊運熔融金屬的起升機構采用雙制動器時，中國標準的制動器安全系數與美國標準一致（為1.25），采用2個以上制動器時，中國標準的制動器安全系數大于美國標準。歐洲搬運協會標準沒有細分起升機構的不同構造形式，起升機構采用2個制動器時，每個制動器安全系數統一取較高值（為1.6），結合多年來的實際應用，綜合來看中國起重機標準中制動器的安全系數較為合理。

3 結論

起升機構采用多制動器時，一直采用將制動器設置在靠近減速器兩側，第2制動器延時制動技術，實踐證明效果很好，同時也證明了中國標準制定的制動器安全系數比較合理。采用將制動器設置在靠近減速器兩側，第2制動器延時制動并設置在易檢修一側，可以大大提高起升機構的使用性能、安全可靠性和易維護性，可進一步全面推廣。