起升機構多制動工況下制動性能分析與研究

卜旭陽，王全偉，周 城，郭仝興，楊 恒，文 豪

(太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024)

0 前言

起升機構制動方式主要包括電氣制動和機械制動[1]。電氣制動是通過電磁感應原理產生一個非接觸式的制動力矩(電磁力矩)，從而使機構(系統)減速運動，常見的有能耗制動、反接制動等。機械制動[1]是通過摩擦副接觸產生制動力矩消耗系統能量，從而使機構(系統)減速、停止并維持(支持)不動，常見的為機械摩擦制動器。

電氣制動技術主要電磁機電能量轉換原理，產生一個與電機實際轉向相反的電磁力矩(制動力矩)，常伴有明顯的電磁過渡過程和機械過渡過程。Moshkin V I等人[2]分析電流激勵和電磁牽引力對其機電特性的影響，建立機械-電機動力傳動模型。陳蕾蕾等人[3]為提高電機控制系統的可靠性，建立了基于FPGA的變頻調速策略。

機械制動技術主要為摩擦副接觸的制動技術，并伴有熱輻射、熱傳導、熱對流的能量熱轉換過程。Amol A. Apte等[4]使用順序耦合方法進行了循環溫度場仿真得到了熱力相互的耦合制動溫度場。劉瑩等人[5]對重型機械制動盤壽命研究分析，建立了三維熱結構耦合模型。

工業制動技術多采用電氣制動和機械制動組合的復合制動。綜合利用電氣制動的減速功能與機械制動的減速停止并維持(支持)的優勢，既發揮電氣非接觸制動不產生額外的易損件消耗，又充分利用機械接觸制動維持穩定的功能，發揮最佳的制動效果，有利于延長工業制動器易損件的壽命。

鑒于此，本文以橋式起重機起升機構為研究對象，擬采用MATLAB Simulink+ADAMS和Ansys仿真工具，分別進行電氣制動和機械制動的仿真分析，并進行多制動工況下的綜合制動性能的分析和研究。

1 起升機構制動技術

1.1 制動技術

橋式起重機起升機構主要有電動機、制動器、減速器、卷筒等組成，如圖1所示。從制動技術而言，驅動裝置常采用三相異步電動機，并通過接線形式的改變可形成能耗制動或反接制動的電氣減速制動，工業制動器為通過上閘(或松閘)形成制動副摩擦的常閉式制動器。

圖1 起重機起升機構示意圖

1.2 電氣制動技術

電氣制動[6]是指在電機切斷電源后，產生一個和電機實際轉向相反的電磁力矩(制動力矩)，使電機迅速停止轉動。能耗制動是斷開三相對稱電源，通入直流電，串入限流電阻；反接制動是改變三相相序任意兩相，串入限流電阻。電氣制動原理圖如圖2所示。

圖2 電氣制動原理圖

曲線1為三相異步電動機固有機械特性曲線，曲線2為能耗制動接線條件的人為機械特性曲線，曲線3為反接制動接線條件的人為機械特性曲線。當進入能耗制動過程時，A→B為電磁過渡過程，B→O為機械過程過程。當進入反接制動過程時，A→B為電磁過渡過程，B→O為機械過程過程。

1.3 機械制動技術

機械制動是上閘裝置，上閘使摩擦副和制動盤面接觸并壓緊，產生足夠大的制動力矩完成機械制動過程。以常用盤式制動器為例，是指通過摩擦副產生制動力矩，使得制動盤停止轉動，通常使用盤式制動器，如圖3所示。

圖3 盤式制動器示意圖

利用制動器間接熱機耦合分析方法[7]，把熱流轉化為熱流密度施加于盤上與襯塊接觸區域上來代替摩擦轉動，熱流密度是制動盤上單位面積通過的熱量總和與制動時間的比值。如圖4所示的部分制動盤模型中，通過研究盤表面半徑r處微小轉動弧度dr(對應為轉動角dθ)的接觸dA有：

圖4 機械制動示意圖

dA=r·dθ·dr

(1)

公式推導如下

dF=updA=uprdθdr

(2)

摩擦力做的功公式為

(3)

式中，u為摩擦因數；p為制動比壓；dr為半徑r制動盤處的微小轉動弧度，對應轉動角為dθ；vt為起吊物品速度；R為卷筒半徑；在Cartesian坐標系的瞬態非穩定熱傳導的微分方程為

(4)

摩擦副最高溫度為

(5)

式中，Q為熱源強度；c為比熱容大小，J/(kg·℃)；λ為制動盤的導熱系數值大小，J/(m·℃·s)；ρ為密度值，kg/m。

2 工業制動仿真

2.1 電氣制動仿真

研究起升機構的多工況電氣制動，提出聯合仿真的思路，并運用了一種包含轉速控制器ASR、磁鏈控制器AΨR、轉矩控制器ATR的三個閉環控制策略進行控制[8]。具體流程圖如下5所示。

圖5 電氣制動流程圖

當采用三相異步電動機進入能耗制動或反接制動的電氣制動過程時，可采用Simulink工具包進行仿真。為便于數值分析和求解，將數據傳入到ADAMS進行運行數據的分析。如圖6為Simulink仿真設置。

圖6 Simulation仿真工具設置

2.2 機械制動仿真

在ADAMS中可建立機械制動模型，通過對模型施加制動力矩，實時顯示制動盤速度和角位移。模型圖如圖7所示。為了反映實際制動過程中溫度效應的影響，采用Workbench進行熱力學分析，如圖8所示。

圖7 機械制動模型

圖8 制動盤溫升結果

2.3 多制動工況聯合仿真

起升機構在實際工作中常常采用能夠實現特定控制策略的減速及停車制動方式，多為電氣制動或機械制動的一種或多種組合制動。根據實際制動工況，可將制動過程分為三種工況進行研究。

工況1—電氣制動+機械維持制動：在滿載滿速的情況下使用電氣制動將重物速度降低到0速。

工況2—機械減速維持制動：在滿載滿速的情況下使用機械制動將重物速度降低到0速。

工況3—電氣+機械復合制動：在滿載滿速的情況下先使用電氣制動將重物速度降低到滿速的1/3，再進行機械制動。

為了能夠實現工況1、工況2、工況3，需要建立聯合仿真模型，模型圖如圖9所示[10-13]。

圖9 SIMULINK和ADAMS聯合模型圖

3 制動工況分析

3.1 實例仿真設置

本文采用的研究對象為通用型橋式起重機，額定起重量為10 t、起升速度為7.5 m/min、起升高度10 m，經過計算負載折算到電機軸的負載轉矩為445 N·m，選用型號為YZR-180L-15W的三相異步電動機，工作制為S3-40%[14]，并且相應的制動器參數如表1所示，材料特性參數如表2所示[15]。

表1 制動器參數

表2 材料特性參數

3.2 多工況制動結果

在滿載滿速的情況下對起升系統到達穩定運行的結果示意圖，如圖10所示。

圖10 穩態運行結果圖

工況1—電氣制動+機械維持制動，如圖11所示。

圖11 電氣制動結果圖

圖11結果顯示，在90 s時電氣制動開始工作，在95.03 s時重物達到0速，之后加入機械制動使得重物停止。

工況2—機械減速維持制動如圖12所示。

圖12 機械制動

圖12結果顯示，在90 s時機械制動開始工作，在91.4 s時重物達到0速并維持重物靜止狀態。

工況3—電氣+機械復合制動，如圖13所示。

圖13 復合制動

圖13結果顯示，在滿載滿速的情況下電氣制動將重物速度降低到滿速的1/3需要1.7 s，機械制動需要0.7 s將速度減小為0速。

4 結果與分析

表3為工況1、工況2、工況3的制動時間、溫升參數。

表3 制動工況參數

工況1電氣制動減速到0速后加入機械制動，依靠襯片和制動盤之間的靜摩擦力來維持重物靜止狀態，制動盤溫升很小，幾乎為0。

通過對比工況1、2，說明機械制動需要的時間更短，但是機械制動引起制動盤的溫升遠大于電氣制動。

通過對比工況2、3，說明復合制動所需時間為2.696 s，機械制動所需時間為1.4 s，相差1.296 s，但是復合制動后制動盤溫升為4 ℃，機械制動后制動盤溫升為19.3 ℃，相差15.3 ℃。

綜上所述，復合制動所需時間遠小于電氣制動，略大于機械制動，但是制動的溫升遠小于機械制動。相比較而言，復合制動的效果最佳。