制動器靜態(tài)制動力矩與動態(tài)制動力矩的對比

張國臣

河南省特種設(shè)備安全檢測研究院

0 引言

起重機(jī)械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移動重物的機(jī)電設(shè)備。在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)初期，起重機(jī)械多用在環(huán)境惡劣的施工現(xiàn)場，工況要求相對較低，無論是生產(chǎn)者或是使用者均把關(guān)注點(diǎn)放在使用壽命與價(jià)格上。這使得早期的起重設(shè)備以價(jià)格低廉和結(jié)實(shí)耐用為優(yōu)，解決的是基礎(chǔ)的有無問題。但隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，使用環(huán)境的快速提升，僅結(jié)實(shí)耐用已經(jīng)不能達(dá)標(biāo)。

制動器是起重機(jī)械上必不可少的重要部件，其優(yōu)劣直接影響整機(jī)的使用精度甚至壽命。起重機(jī)械上的制動器主要分為2大類，盤式制動器和鼓式制動器。前者多應(yīng)用在平移機(jī)構(gòu)的制動電機(jī)里，電磁驅(qū)動制動盤吸合與釋放，一般用在驅(qū)動裝置的高速端，支腿錯(cuò)位問題就和盤式制動器的性能有關(guān)。動態(tài)制動力矩不同，導(dǎo)致左右2個(gè)支腿剎車時(shí)的剎車距離和制動時(shí)間不同，最終表現(xiàn)為前后支腿錯(cuò)位。后者鼓式制動器造價(jià)便宜，符合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝方便。由電磁或液壓驅(qū)動開合，一般直接作用在起升機(jī)構(gòu)的低速端，這就要求鼓式制動器具有比盤式制動器更大的制動力矩。起升機(jī)構(gòu)的精度問題與鼓式制動器息息相關(guān)。吊運(yùn)重物起升時(shí)位置需頻繁調(diào)整，即為低速端鼓式制動器制動力矩沒有調(diào)整好造成的。

制動器的主要技術(shù)參數(shù)是制動力矩，制動器的靜態(tài)制動力矩大小保證了起重機(jī)械能否拉住重物，動態(tài)制動力矩則決定了該動作的時(shí)間與距離。但因動態(tài)制動力矩試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、投資大、且試驗(yàn)過程繁瑣，該重要參數(shù)很難獲得，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。故亟需一種方法，能讓企業(yè)快速、準(zhǔn)確地獲取動態(tài)制動力矩。本文通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)計(jì)算與整理，對制動器的動態(tài)制動力矩?cái)?shù)據(jù)和靜態(tài)制動力矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，找出了動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩之間存在的關(guān)系，從而為企業(yè)在實(shí)際使用制動器過程中獲得動態(tài)制動力矩參數(shù)提供了一種計(jì)算方法。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)常用的動態(tài)制動力矩測量方法有直接測量法和間接測量法2種。本文采用間接測量法對動態(tài)制動力矩進(jìn)行測量。測量原理為檢測和記錄制動器在制動過程中速度的變化(減速度)及制動時(shí)間，根據(jù)公式計(jì)算得到制動器動態(tài)制動力矩的大小，測量裝置如圖1所示。

圖1 動態(tài)制動力矩測量裝置

具體的測量過程為將被測制動器安裝到動態(tài)制動力矩測試臺上，根據(jù)制動器額定制動力矩計(jì)算出所需的單次制動功和模擬轉(zhuǎn)動慣量的大小，配置好慣量盤；當(dāng)轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定的初速度時(shí)，系統(tǒng)自動切斷制動器驅(qū)動電源，同時(shí)制動器失電制動，轉(zhuǎn)動裝置開始制動減速，一定制動時(shí)間后轉(zhuǎn)動裝置停止旋轉(zhuǎn)。記錄下整個(gè)過程中轉(zhuǎn)動裝置的速度變化-時(shí)間數(shù)據(jù)。

在得到速度-時(shí)間數(shù)據(jù)后，基于減速度法測量分段動態(tài)制動力矩。由動量矩定理可知

式中：Mds為實(shí)測動態(tài)力矩，ts為有效制動時(shí)間，J為測試模擬轉(zhuǎn)動慣量，n0為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

盤式制動器的靜態(tài)制動力矩測量，可以通過如圖2所示裝置實(shí)現(xiàn)。

圖2 靜態(tài)制動力矩測量裝置

2 數(shù)據(jù)分析

通過以上2種方法分別獲得了制動器的動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩?cái)?shù)值。為了方便具體數(shù)據(jù)的分析，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，分為盤式制動器和鼓式制動器2種，并在此分類下盡量對全量程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對。由于數(shù)據(jù)量過于龐大，本文列舉了部分?jǐn)?shù)據(jù)，如表1、表2所示。

表1 盤式制動器試驗(yàn)參數(shù) N·m

表2 鼓式制動器試驗(yàn)參數(shù) N·m

將試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與比較，可分別得到盤式制動器和鼓式制動器動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩關(guān)系曲線

由動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩關(guān)系曲線可以看出，同一制動器的動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩是線性關(guān)系，即動態(tài)制動力矩為靜態(tài)制動力矩乘以某一固定系數(shù)。

式中：T動為動態(tài)制動力矩，T靜為靜態(tài)制動力矩，K為線性系數(shù)。

為了確定系數(shù)K，對盤式制動器額定力矩20.46 N·m、184 N·m、225 N·m規(guī)格的制動器分別進(jìn)行200次試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并將數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總為表3。

表3 盤式制動器K值數(shù)據(jù)分布

同樣地，對鼓式制動器額定力矩500 N·m、1 000 N·m、2 000 N·m和5 000 N·m規(guī)格的制動器分別進(jìn)行200次試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并將數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總為表4。

表4 鼓式制動器K值數(shù)據(jù)分布

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在試驗(yàn)收集到的數(shù)據(jù)中，制動器的動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力的比值K，大部分集中分布在0.8到1之間。盤式制動器中，不到20%的K值在0.7到0.8之間，鼓式制動器的這項(xiàng)數(shù)據(jù)占比更少，只有10%。還有不到5%的數(shù)據(jù)是大于1或是小于0.7。鼓式制動器的動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩比值大多集中在0.9以上，即兩力較為接近。而盤式制動器的數(shù)據(jù)集中在0.8以上，且數(shù)據(jù)對比鼓式制動器，兩力有偏移的趨勢。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，制動器的動態(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩確實(shí)存在一定的線性關(guān)系，而兩種不同形式的制動器，K值并不相同。一般情況，對于鼓式制動器，可取K值為0.9進(jìn)行簡易計(jì)算。盤式制動器可取K值為0.8進(jìn)行簡易計(jì)算。

3 數(shù)據(jù)比對與誤差分析

為了驗(yàn)證結(jié)論的有效性，對盤式制動器和鼓式制動器的動態(tài)制動力矩按照前文所述方法進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測值進(jìn)行對比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?、表6所示。

表5 盤式制動器動態(tài)制動力矩計(jì)算值/實(shí)測值

表6 鼓式制動器動態(tài)制動力矩計(jì)算值/實(shí)測值

將所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，利用Matlab對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，得到了誤差分布的具體情況，并由此繪制出了誤差分布圖，如圖4所示。

圖4 誤差分布曲線

由圖4可知，誤差分布滿足正態(tài)分布曲線。誤差在±5%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)96.7%。故認(rèn)定理論模型成立。同一制動器的靜態(tài)制動力矩與動態(tài)制動力矩之間存在線性關(guān)系，即二者滿足T動=K·T靜。對于盤式制動器K取0.8，對于鼓式制動器K取0.9。

4 結(jié)論

通過前文所述，可知?jiǎng)討B(tài)制動力矩與靜態(tài)制動力矩確實(shí)存在一定的線性關(guān)系，而兩種不同形式的制動器，K值不相同。一般情況，對于鼓式制動器，可取K值為0.9進(jìn)行簡易計(jì)算。盤式制動器可以取K值為0.8進(jìn)行簡易計(jì)算。經(jīng)過對不同形式、不同規(guī)格的同一臺制動器動態(tài)制動力矩計(jì)算值與實(shí)測值的對比，可以確定動態(tài)制動力矩的計(jì)算值誤差一般在±5%以內(nèi)，可以被實(shí)際使用所接受。