橋式起重機運行機構制動器的改進設計

楊樹國 國樹東 徐雯雯 文 豪 金萬席

1泰安市質量技術檢驗檢測研究院 泰安 271000 2太原科技大學 太原 030024 3沈陽中鐵安平制動技術開發有限公司 沈陽 110000

0 引言

由于具有作業范圍廣、工作效率高、起重量大等優點，被廣泛應用于冶金行業、機械制造行業、煤炭行業、電力行業、交通運輸行業以及建筑行業等重要領域中。隨著科學技術的快速發展，橋式起重機已經成為國民生產中不可或缺的起重物料搬運設備[1]。

大車運行機構（以下簡稱運行機構）是橋式起重機的重要組成部分，主要包括電動機、減速器、制動器、車輪（臺車）組、傳動軸、聯軸器等。其中，制動器既是運行機構重要的工作裝置，又是必不可少的安全部件，對于確保橋式起重機的安全運行至關重要[2-6]。目前，橋式起重機運行機構通常采用常閉式制動器，即當橋式起重機需要停車時，運行機構的電動機斷電，同時制動器斷電抱閘，從而實現定位停車的目的。然而，在實際操作過程中，很難實現橋式起重機的精確定位停車，特別是運行機構在沒有調速功能的情況下，對位過程往往需要反復點動才能完成，并且在對位的過程中常常會因制動過猛而導致吊運的物品產生劇烈擺動。為了盡可能避免這種情況的出現，某些橋式起重機司機往往會將運行機構的制動器松開，利用打反車來實現定位停車，這既不符合安全操作規程，也會對橋式起重機整體結構造成沖擊或變形，存在很大的安全隱患。如果橋式起重機發生失電，運行機構在失去制動器正常制動的同時，也失去了打反車制動的能力，會造成橋式起重機自由滑行，惡劣時會導致嚴重事故。

針對起重機精確定位停車的問題，國內很多專家學者做了大量研究工作。董煒[7]分析了起重機運行機構和回轉機構中所采用制動器存在的主要問題，并提出了一種可操縱的常開式制動器，該制動器是利用腳踏板、制動總泵和復位彈簧間的相互配合來實現制動和松閘功能的，但是存在油壓損失的問題，需要定期進行維護保養，并且施加在制動瓦上的制動力和釋放該制動力存在一定的滯后性；李傳松等[8]設計了一款主要由腳踏注油泵、補充油箱、管路系統、制動盤和分配器等部件構成的腳踏式液壓制動器，該制動器需要定期檢查油箱，并且需要經常補充液壓油，在蹬踏腳踏注油泵時；制動力矩容易對橋架結構和傳動系統產生沖擊和損壞；吳剛等[9]在分析了傳統制動系統構成和工作原理的基礎上，研制了一款適用于起重機運行機構上的腳踏制動系統，該制動系統主要包括腳踏開關、變頻器和接觸器等，在腳踏開關上設置電位器，腳踏開關位置發生改變，電位器的模擬值也會相應發生變化，從而控制變頻器以不同的速度運行，使驅動液壓推桿處于不同的位置，以此實現對工作制動器制動力矩的控制，但該制動器系統依賴于變頻器和接觸器等電子電路元件，可靠性差，且腳踏制動力難以實現平緩變化，容易對起重機整體結構造成傷害；王彥凱[10]對傳統起重機運行機構的制動系統進行了研究，設計了2種橋式起重機運行機構制動系統方案，即雙制動器控制方案和單制動器變頻控制方案，通過對比分析，采用了雙制動器形式。該設計與文獻[10]原理類似，通過控制腳踏開關的位置來改變滑動變阻器阻值，進而改變輸入變頻器的信號，從而達到控制制動器液壓推桿電動機轉速，實現控制制動力矩的目的。同樣，該設計依賴于電子電路元件，可靠性和操縱靈活性也有待進一步提高。為此，本文結合橋式起重機運行機構的特點，對常用制動器的結構進行了改進，設計了一款可靠性高、操縱靈活，可隨時改變制動力，且制動力變化平緩，同時能實現精確定位停車的純機械式制動器。

1 常用制動器形式和特點

在起重機起升、回轉、運行和變幅等工作機構中，均裝設有不同形式的制動器。按照結構特征的不同，可以將制動器分為鼓式制動器、盤式制動器、帶式制動器等；根據動力源的不同，可將制動器分為液壓式、氣壓式、電磁式、機械式以及手動式等；根據工作狀態的不同，可將制動器分為常閉式制動器和常開式制動器。其中，常閉式制動器即經常處于閉合狀態，當工作需要時，通過借助人力、電磁力、氣動或液壓等方式使制動器處于開閘狀態。常開式制動器則是經常處于開閘狀態，當工作需要時，通過施加一定外力使制動器達到閉合狀態。下面結合起重機起升、回轉、運行和變幅等機構的工作特性，簡要分析常用制動器的形式和特點。

1.1 鼓式制動器

鼓式制動器又稱為塊式制動器，主要由制動輪、制動瓦塊、制動臂、制動彈簧、電力液壓推動器（或電磁鐵）、底座等部件構成。該制動器是通過制動彈簧的彈簧力對制動輪產生壓緊力，從而使機構停止下來或保持不動，松閘力是依靠電力液壓推動器或電磁鐵來實現的，圖1a為電力液壓鼓式制動器。

鼓式制動器的2個制動瓦塊對稱布置，作用在制動輪上的壓緊力基本相互平衡，傳遞到制動器軸上的徑向載荷很小。另外，鼓式制動器結構簡單，安裝、維修方便，工作可靠，故鼓式制動器在橋（門）式起重機運行機構和起升機構中應用最為廣泛。

1.2 盤式制動器

圖1b所示為盤式制動器，其工作表面為圓盤兩側的平面，摩擦副由制動盤和制動瓦塊構成，制動瓦塊垂直于制動盤施加正壓力。常見的盤式制動器有鉗盤式制動器、臂盤式制動器、單盤制動器和錐盤制動器等。

盤式制動器的制動盤軸不承受彎曲載荷，制動性能可靠、穩定，但由于制動襯塊摩擦面積比較小，壓強比較大，故對制動襯墊的材質要求較高。盤式制動器常用于岸邊集裝箱起重機和輪胎式起重機起升機構中。

1.3 帶式制動器

圖1c所示為帶式制動器，其工作原理是依靠張緊的帶有摩擦襯墊的撓性鋼帶作用在制動輪上的壓力，產生摩擦力矩來實現制動。

圖1 常用制動器形式

帶式制動器包角較大，通常為250°～270°，最大甚至可達到650°，在相同的上閘力和制動輪直徑時，其制動力矩比鼓式制動器大。當帶式制動器制動時，制動帶兩端張力的合力會對制動輪軸產生較大的徑向力，制動帶的壓力分布不均勻，使摩擦襯墊磨損不均勻。帶式制動器常用于結構尺寸受限制，要求制動力矩大或能實現自由落鉤的場合，例如流動式起重機起升機構。

2 改進后的結構和工作原理

2.1 基本結構

本文以橋式起重機運行機構上常用的電力液壓鼓式制動器為例進行說明，該制動器屬于常閉式制動器，制動力是由制動彈簧施加給制動輪的。由于制動彈簧的彈簧力是一定的，在制動過程中無法隨時改變制動力，也就無法保證定位停車的準確性。另外，制動彈簧的彈簧力是瞬間施加的，快速制動勢必會對橋式起重機整體結構造成很大的沖擊。為此，在現有電力液壓鼓式制動器的基礎上做了改進設計，基本結構如圖2所示。

圖2 改進后制動器基本結構

改進后的制動器底座兩側軸上分別設置有帶瓦軸的左制動臂和右制動臂，瓦軸的制動瓦塊之間為制動輪，凸輪桿座的一端固定于右制動臂上，另一端同具有凸輪的凸輪桿相連。凸輪桿通過銷軸設置于底座上的支桿上，左制動臂頂端設置有滾輪，滾輪同凸輪桿一端的凸輪接觸，滾輪與凸輪桿座之間設置有松閘彈簧。凸輪桿的另一端為腳踩力的輸入軸，支桿與凸輪桿之間為復位彈簧。

改進后的制動器右制動臂上設置有螺栓，螺栓同凸輪桿座相連，螺栓上安有螺母。通過調整螺母在螺桿上的位置，便可調節制動輪和制動瓦塊之間的間隙，以此達到調整制動器松閘程度的目的。腳踩力輸入軸通過繩索同腳踏拉桿軸相連，腳踏拉桿力可將腳踩力傳遞給制動瓦塊，實現控制制動輪的制動力。

2.2 工作原理

改進后的制動器相比改進前的突出特征是上閘力由橋式起重機司機控制，操縱性更加靈活，可隨時改變制動力大小，確保了精確定位停車，且制動力變化平緩，避免了瞬間制動對整機造成沖擊和損壞。凸輪桿與滾輪接觸的一端設計為凸輪形式，從結構上保證了施加到制動輪上的制動力變化平緩。

改進后的制動器在制動時，通過設置在不同位置的定滑輪將腳踩力傳遞給腳踩力輸入軸，然后帶動凸輪桿繞銷軸轉動，凸輪也隨著凸輪桿逆時針轉動，迫使滾輪同左制動臂向內運動，即制動瓦塊愈抱緊制動輪，從而起到較好的制動作用。在制動器需要松閘時，腳收起，腳踏拉桿同時抬起，在復位彈簧和松閘彈簧的共同作用下立刻松閘，松閘非常徹底且均勻。當橋式起重機司機工作完畢離開工作崗位時，用腳踩住腳踏拉桿，把楔塊插入斜鐵架孔，使制動器保持在制動狀態即可。

3 制動器布置形式

在傳統的橋式起重機運行機構中，通常采用1臺電動機對應1臺制動器的布置形式。一般情況下，為了提高減速器的使用壽命，會將制動器布置在高速軸上。制動器在高速軸上的布置位置較靈活，可布置在電動機的尾部，也可布置在電動機與減速器之間靠近減速器一側，還可布置在減速器背離電動機一側的高速軸上。

考慮到傳統制動器在橋式起重機運行過程中存在的問題，改進后的制動器可完全代替傳統的制動器單獨使用，也可以采用改進后的制動器與傳統制動器相結合的布置形式，其中傳統制動器作為安全制動器，改進后的制動器作為工作制動器。如圖3所示，這2種制動器可以布置于圖中1、3、6、8任意2個位置，為了方便改進后制動器的維護和保養，一般將傳統制動器布置于傳動系統內側，改進后的制動器布置于外側。通過2種制動器的配合使用，在保證精確定位停車的同時，可進一步提高橋式起重機運行的安全性。

圖3 制動器布置形式

4 小結

本文結合橋式起重機的工作特點，對常用制動器的結構進行了改進，設計了一款適用于橋式起重機運行機構的機械式制動器，該制動器具有以下優勢：

1）采用純機械結構，既不依賴于電子電路元件，也不依賴于液壓元件，不易損壞、可靠性高、操縱靈活，并且結構簡單，安裝和維修方便。

2）制動力大小可以隨時進行調整，并且制動力變化平緩，能有效減少對橋式起重機整體結構的沖擊，同時，能實現精確定位停車。

3）布置形式靈活，既可代替傳統的制動器單獨使用，也可與傳統的制動器配合使用。

改進后的制動器能有效解決橋式起重機運行機構制動力不可調和定位停車準確性差的問題，具有較高的實用性和安全性。對門式起重機、塔式起重機等其他類型起重機中制動器的設計有一定的參考價值。