基于液壓杠桿法的制動器靜態(tài)制動力矩試驗臺設(shè)計*

王松雷，顧旭波

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院，江蘇無錫 214174)

1 引言

工業(yè)制動器指工業(yè)裝備當(dāng)中以動力驅(qū)動為特征的各種制動裝置，不包括汽車和農(nóng)用車輛、工程車輛、列車以及航天器等常用運輸工具的制動裝置。工業(yè)制動器是起重運輸、港口裝卸、冶金、礦山、建筑工程、水利工程、風(fēng)電及核電機(jī)組、船舶及海上重工、石油鉆采、煉化、輕工等機(jī)械中不可缺少的制動裝置，其性能好壞直接影響到設(shè)備運行的可靠性和安全性。我國國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局于2003年開始對工業(yè)制動器實施型式試驗許可證的許可生產(chǎn)制度［1-2］。隨著制動器技術(shù)的不斷進(jìn)步，制動器的制動力矩越來越大，傳統(tǒng)的測試方法和測試設(shè)備已經(jīng)不能滿足試驗的需求。

2 靜態(tài)制動力矩試驗基本原理

靜態(tài)試驗是對制動器結(jié)構(gòu)功能和靜態(tài)制動性能考核的試驗，可在專用的制動器靜態(tài)試驗臺架上進(jìn)行，其主要特征是試驗過程中，不需要用動力轉(zhuǎn)動制動輪。靜態(tài)試驗臺架可測試制動器的額定力矩值。靜態(tài)制動力矩試驗有砝碼法、液壓法和電流法三種，前兩種方法可在砝碼杠桿臺架上進(jìn)行，第三種方法須在試驗系統(tǒng)上進(jìn)行。

2.1 靜態(tài)制動力矩檢測砝碼法

如圖1所示，根據(jù)被試制動器制動力矩額定值，準(zhǔn)備好砝碼，砝碼應(yīng)分3種以上等級，其中最小一級的砝碼質(zhì)量不得超過所需砝碼總質(zhì)量2%;裝好砝碼杠桿，并由大到小將砝碼施加于砝碼鉤上，最后施加最小一級砝碼，安裝砝碼直至制動輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動一角度后停止(轉(zhuǎn)角應(yīng)不大于20°)，按下式計算靜態(tài)制動力矩:

式中:Mj為靜態(tài)制動力矩，N·m;G為砝碼質(zhì)量，kg;G1為砝碼鉤質(zhì)量，kg;G2為杠桿質(zhì)量，kg;L為砝碼重心至制動輪重心的距離，m;a為杠桿重心至制動輪中心的距離，m。

圖1 砝碼杠桿法原理

砝碼法試驗方法如下［3］:

(1)根據(jù)被試制動器制動力矩值，計算所需砝碼總質(zhì)量G;

(2)將被試制動器調(diào)整至額定制動彈簧力(常開式無此要求)和額定制動退距狀態(tài)，使被試制動器對制動偶件實施制動;

(3)由計算砝碼總質(zhì)量G，準(zhǔn)備三級不同等級的砝碼，逐級逐個增加，逐步觀查制動偶件動作情況。第一級達(dá)到90%G左右(可圓整)、第二級達(dá)到5%G左右(可圓整)，再加第三級(每次增加的單個砝碼質(zhì)量不應(yīng)大于2%G)，直至制動偶件動作時停止;

(4)取下最后施加的1個砝碼，余下的砝碼為實測時試驗砝碼總質(zhì)量;

(5)根據(jù)實測時試驗砝碼總質(zhì)量，計算被試制動器靜態(tài)制動力矩實測值。

試驗應(yīng)在相同條件下進(jìn)行3次，取平均值作為試驗結(jié)果。

2.2 靜態(tài)制動力矩檢測液壓杠桿法

鉗盤式制動器一般制動力比較大，試驗所需的砝碼質(zhì)量較多，給試驗帶來麻煩，除砝碼加載的精度外，砝碼搬運和放置也使砝碼法顯得現(xiàn)實。在后期的制動器標(biāo)準(zhǔn)中引入了靜態(tài)制動力矩液壓法的概念［4］。

(1)當(dāng)被試制動器制動力不大于2 000 N時試驗宜采用砝碼法，大于2 000 N時宜采用液壓法。

(2)根據(jù)被試制動器制動力值，計算所需液壓缸出力P。

(3)將被試制動器調(diào)整至額定制動彈簧力(常開式無此要求)和額定制動退距狀態(tài)，使被試制動器對制動偶件實施制動。

(4)分散劑調(diào)節(jié)液壓缸出力，逐級逐次增加，逐步觀查制動偶件動作情況。第一級達(dá)到90%P(可圓整)左右，第二級達(dá)到95%P(可圓整)左右，再加第三級(每次增加的力不應(yīng)大于2%P)，直至制動偶件產(chǎn)生動作時停止。

(5)制動偶件產(chǎn)生動作前一次液壓缸出力，即為被試制動器靜態(tài)制動力實測值。

(6)由力臂長度計算出制動力矩大小。

試驗應(yīng)在相同條件下進(jìn)行3次，取平均值作為試驗結(jié)果。

2.3 靜態(tài)制動力矩檢測的電流法

試驗臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，按規(guī)定條件將制動器閉合(抱閘);僅給試驗臺驅(qū)動電機(jī)通電并逐漸增加驅(qū)動電機(jī)電流直至電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動時停止電流增加，試驗電流通過電流傳感器轉(zhuǎn)換成信號并由計算機(jī)自動進(jìn)行采集，通過運算在計算機(jī)上生成試驗曲線和試驗報告。

2.4 三種檢測方法的比較

砝碼法要求砝碼質(zhì)量較重、數(shù)量較多，且砝碼的質(zhì)量差和砝碼組合要巧妙設(shè)計，還存在試驗精度低、砝碼加載費時費力、力矩較大時砝碼放置困難等弊端，而砝碼法試驗臺架結(jié)構(gòu)簡單，不需控制系統(tǒng)，造價便宜。

液壓杠桿法自動加載、自動控制、自動回位、適用制動力范圍廣、試驗效率高、試驗精度高，已逐步取代砝碼法，而液壓杠桿法需要液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，成本較高。

砝碼法和液壓法的試驗臺架基本相同，只在加載方法上有所區(qū)別，兩者既能測定制動器靜態(tài)額定制動力矩值，又能模擬起重機(jī)制動器支持制動工況，方法簡單易行、精度較高，是比較理想的支持制動模擬方法，但都需要專門的試驗臺架，無法直接安裝在動態(tài)制動試驗系統(tǒng)中。

電流法在動態(tài)制動試驗系統(tǒng)中通過設(shè)置電流傳感器進(jìn)行系統(tǒng)啟動電流的測定，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與制動力矩平衡，此種測試方法中電動機(jī)實際處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須特別注意控制電樞電流值的大小和變化作用時間，同時也要盡可能控制測試的次數(shù)和時間，否則電機(jī)發(fā)熱將影響電動機(jī)的工作壽命和正常使用，另外，電流法不能夠模擬起重機(jī)制動器支持制動工況［5，6-10］。

3 靜態(tài)制動力矩試驗的液壓杠桿法原理［11］

試驗臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，按規(guī)定條件將制動器閉合(抱閘);將液壓測力裝置與試驗臺連接，給測力液壓缸逐漸增壓直至試驗臺轉(zhuǎn)動時停止增壓，試驗壓力由壓力傳感器轉(zhuǎn)換成信號并由計算機(jī)自動進(jìn)行采集，通過運算在計算機(jī)上生成試驗曲線和試驗報告;計算機(jī)用下列公式計算靜態(tài)制動力矩:

式中:Mbs為靜態(tài)制動力矩，N·m;p為油缸壓力，N/mm2;A為油缸活塞面積，mm2;G2為杠桿質(zhì)量，kg;L為油缸中心至制動中心的距離，m;a為杠桿重心至制動中心的距離，m。

4 靜態(tài)制動力矩試驗的液壓杠桿法結(jié)構(gòu)設(shè)計

靜態(tài)力矩試驗機(jī)構(gòu)主要是由杠桿4、杠桿支點7、組合油缸8、稱重機(jī)構(gòu)9、滑動座10、接近開關(guān)11等零部件組成，如圖2所示。

慣性飛輪1的一側(cè)機(jī)架上設(shè)置有液壓裝置9，液壓裝置9采用組合液壓缸，通過雙液壓缸并聯(lián)，測量范圍廣、測量更精確;液壓裝置9通過滑動座10安裝于機(jī)架上，液壓裝置9的活塞桿8端部通過螺栓6緊固液壓推桿4一端，液壓推桿4的另一端固定有齒形塊3，慣性飛輪1上通過緊固件固定有齒形結(jié)構(gòu)2，齒形結(jié)構(gòu)2與齒形塊3形成嚙合傳動;位于滑動座10上，還安裝有支撐支架7，支撐支架7的端部通過銷軸與液壓推桿4中部連接，形成支點5。位于滑動座10的一側(cè)安裝有傳感器11，傳感器11用于感應(yīng)齒式離合器是否嚙合與分離到位。

圖2 靜態(tài)力矩試驗液壓杠桿法原理

該機(jī)構(gòu)工作原理為:

(1)當(dāng)a口供油壓時(此時為小力矩)，活塞桿8向上升起，從而帶動液壓推桿4繞著支點5逆時針旋轉(zhuǎn)，使與液壓推桿4端部嚙合傳動的慣性飛輪1順時針旋轉(zhuǎn)，此時，通過操作與計算可以得出相對應(yīng)的靜態(tài)力矩。

(2)當(dāng)b口供油壓時(此時為大力矩)，活塞桿8向上升起，通過上述同樣的操作方式，可在操作軟件上顯示出相對應(yīng)的靜態(tài)力矩。

(3)當(dāng)c口供油壓時，活塞桿8向下移動(收回)，液壓推桿4繞著支點5順時針旋轉(zhuǎn)，從而使與液壓推桿4端部嚙合傳動的慣性飛輪1逆時針旋轉(zhuǎn)，此時，靜態(tài)制動力矩試驗復(fù)位，達(dá)到下一次靜態(tài)制動力矩試驗的裝備狀態(tài)。

5 靜態(tài)制動力矩試驗臺液壓杠桿法設(shè)計實例

用于配合工業(yè)制動試驗臺檢測制動器靜態(tài)摩擦力矩大小的裝置;以此試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過相關(guān)計算，得到靜態(tài)時的制動力、摩擦系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。適用于各種高低速、盤式或塊式制動器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 靜態(tài)力矩試驗裝置

5.1 主要技術(shù)參數(shù)

IBT110-500工業(yè)制動器綜合性能試驗臺的靜態(tài)力矩試驗臺架參數(shù)如下:①液壓缸工作行程:0～150 mm;②測試力矩范圍:300～30 000 N·m;③液壓缸工作油壓:1.2～16 MPa;④外形尺寸(長×寬×高):772 mm×382 mm×1 100 mm;⑤配用液壓系統(tǒng)流量:4 L/m，壓力:1.2 ～17 MPa。⑥總重:366 kg

5.2 技術(shù)特點

(1)組合油缸雙缸結(jié)構(gòu)，測量范圍廣、測量更精確。靜態(tài)制動力矩小于3 000 N·m時使用小缸，大于3 000 N·m時使用大缸。

(2)設(shè)置有高精度推、拉力傳感器，可以將準(zhǔn)確的信號反饋電腦，讀取力矩。

(3)滑動式結(jié)構(gòu)，當(dāng)不需要靜態(tài)力矩測試時，可調(diào)整滑動座，非常簡潔的脫離慣性臺，操作方便。

(4)設(shè)置有接近開關(guān)與滑動座感應(yīng)保護(hù)，當(dāng)靜態(tài)力矩機(jī)構(gòu)未脫離時，接近開關(guān)將慣性臺電機(jī)處于鎖定狀態(tài)，保證電機(jī)無法啟動，從而達(dá)到安全可靠性能。

5.3 液壓系統(tǒng)工作原理

如圖4所示，系統(tǒng)通過液壓站供壓，當(dāng)為A口供油壓時為可測試力矩為300～3 000 N·m，活塞桿以7.5 mm/s的速度向上升起，同時KM02H1型重量變送器采集推力;當(dāng)為B口供油壓時可測試力矩為3 000～30 000 N·m，活塞桿以7.5 mm/s的速度向上升起;油缸8的活塞桿推動杠桿運動，從而使慣性盤1轉(zhuǎn)動，當(dāng)慣性盤轉(zhuǎn)過設(shè)定的角度后，計算機(jī)采集系統(tǒng)收到監(jiān)測慣性輪轉(zhuǎn)動的接近開關(guān)傳來的停止信號，使液壓站停止工作，系統(tǒng)停止工作，通過計算可在軟件上顯示出相對應(yīng)的靜態(tài)力矩。當(dāng)為C口供油壓時，可將活塞桿收回，慣性輪回到初始狀態(tài)。

圖4 液壓站和液壓缸

［1］ 路建湖，趙夢臨.工業(yè)制動器慣性試驗臺［J］.起重運輸機(jī)械，2008(6):89-91.

［2］ 王松雷.工業(yè)制動器動態(tài)試驗系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.中國特種設(shè)備安全，2013(8):10-12.

［3］ JB/T6406-2006.18335-2006.電力液壓鼓式制動器［S］.

［4］ JB/T10917-2008.24704-2008.鉗盤式制動器［S］.

［5］ 劉志偉，彭 濱.新型制動器的設(shè)計理念及性能特點［J］.起重運輸機(jī)械，2006(9):73-75.

［6］ 林榮會.制動器試驗臺的雙分流加載法［J］.青島建筑工程學(xué)院學(xué)報，1996，18(3):50-54.

［7］ 李洪山，孫英達(dá)，慶振華.電慣量模擬機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量方法的研究［J］.制造業(yè)自動化，2009，31(6):20-22.

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［9］ 林榮會.雙分流加載式制動器試驗臺［J］.青島建筑工程學(xué)院學(xué)報，1991，12(1):66-70.

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［11］ 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院.制動器靜態(tài)制動力矩試驗裝置［P］.G01L5/28，ZL201220294737.5.2013.