起升機(jī)構(gòu)多制動(dòng)工況下制動(dòng)性能分析與研究

卜旭陽(yáng)，王全偉，周 城，郭仝興，楊 恒，文 豪

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 前言

起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)方式主要包括電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)[1]。電氣制動(dòng)是通過電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生一個(gè)非接觸式的制動(dòng)力矩(電磁力矩)，從而使機(jī)構(gòu)(系統(tǒng))減速運(yùn)動(dòng)，常見的有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)等。機(jī)械制動(dòng)[1]是通過摩擦副接觸產(chǎn)生制動(dòng)力矩消耗系統(tǒng)能量，從而使機(jī)構(gòu)(系統(tǒng))減速、停止并維持(支持)不動(dòng)，常見的為機(jī)械摩擦制動(dòng)器。

電氣制動(dòng)技術(shù)主要電磁機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，產(chǎn)生一個(gè)與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)向相反的電磁力矩(制動(dòng)力矩)，常伴有明顯的電磁過渡過程和機(jī)械過渡過程。Moshkin V I等人[2]分析電流激勵(lì)和電磁牽引力對(duì)其機(jī)電特性的影響，建立機(jī)械-電機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)模型。陳蕾蕾等人[3]為提高電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，建立了基于FPGA的變頻調(diào)速策略。

機(jī)械制動(dòng)技術(shù)主要為摩擦副接觸的制動(dòng)技術(shù)，并伴有熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的能量熱轉(zhuǎn)換過程。Amol A. Apte等[4]使用順序耦合方法進(jìn)行了循環(huán)溫度場(chǎng)仿真得到了熱力相互的耦合制動(dòng)溫度場(chǎng)。劉瑩等人[5]對(duì)重型機(jī)械制動(dòng)盤壽命研究分析，建立了三維熱結(jié)構(gòu)耦合模型。

工業(yè)制動(dòng)技術(shù)多采用電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)組合的復(fù)合制動(dòng)。綜合利用電氣制動(dòng)的減速功能與機(jī)械制動(dòng)的減速停止并維持(支持)的優(yōu)勢(shì)，既發(fā)揮電氣非接觸制動(dòng)不產(chǎn)生額外的易損件消耗，又充分利用機(jī)械接觸制動(dòng)維持穩(wěn)定的功能，發(fā)揮最佳的制動(dòng)效果，有利于延長(zhǎng)工業(yè)制動(dòng)器易損件的壽命。

鑒于此，本文以橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，擬采用MATLAB Simulink+ADAMS和Ansys仿真工具，分別進(jìn)行電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的仿真分析，并進(jìn)行多制動(dòng)工況下的綜合制動(dòng)性能的分析和研究。

1 起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)技術(shù)

1.1 制動(dòng)技術(shù)

橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒等組成，如圖1所示。從制動(dòng)技術(shù)而言，驅(qū)動(dòng)裝置常采用三相異步電動(dòng)機(jī)，并通過接線形式的改變可形成能耗制動(dòng)或反接制動(dòng)的電氣減速制動(dòng)，工業(yè)制動(dòng)器為通過上閘(或松閘)形成制動(dòng)副摩擦的常閉式制動(dòng)器。

圖1 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 電氣制動(dòng)技術(shù)

電氣制動(dòng)[6]是指在電機(jī)切斷電源后，產(chǎn)生一個(gè)和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)向相反的電磁力矩(制動(dòng)力矩)，使電機(jī)迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)。能耗制動(dòng)是斷開三相對(duì)稱電源，通入直流電，串入限流電阻；反接制動(dòng)是改變?nèi)嘞嘈蛉我鈨上啵胂蘖麟娮?。電氣制?dòng)原理圖如圖2所示。

圖2 電氣制動(dòng)原理圖

曲線1為三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性曲線，曲線2為能耗制動(dòng)接線條件的人為機(jī)械特性曲線，曲線3為反接制動(dòng)接線條件的人為機(jī)械特性曲線。當(dāng)進(jìn)入能耗制動(dòng)過程時(shí)，A→B為電磁過渡過程，B→O為機(jī)械過程過程。當(dāng)進(jìn)入反接制動(dòng)過程時(shí)，A→B為電磁過渡過程，B→O為機(jī)械過程過程。

1.3 機(jī)械制動(dòng)技術(shù)

機(jī)械制動(dòng)是上閘裝置，上閘使摩擦副和制動(dòng)盤面接觸并壓緊，產(chǎn)生足夠大的制動(dòng)力矩完成機(jī)械制動(dòng)過程。以常用盤式制動(dòng)器為例，是指通過摩擦副產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使得制動(dòng)盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，通常使用盤式制動(dòng)器，如圖3所示。

圖3 盤式制動(dòng)器示意圖

利用制動(dòng)器間接熱機(jī)耦合分析方法[7]，把熱流轉(zhuǎn)化為熱流密度施加于盤上與襯塊接觸區(qū)域上來代替摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，熱流密度是制動(dòng)盤上單位面積通過的熱量總和與制動(dòng)時(shí)間的比值。如圖4所示的部分制動(dòng)盤模型中，通過研究盤表面半徑r處微小轉(zhuǎn)動(dòng)弧度dr(對(duì)應(yīng)為轉(zhuǎn)動(dòng)角dθ)的接觸dA有：

圖4 機(jī)械制動(dòng)示意圖

dA=r·dθ·dr

(1)

公式推導(dǎo)如下

dF=updA=uprdθdr

(2)

摩擦力做的功公式為

(3)

式中，u為摩擦因數(shù)；p為制動(dòng)比壓；dr為半徑r制動(dòng)盤處的微小轉(zhuǎn)動(dòng)弧度，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角為dθ；vt為起吊物品速度；R為卷筒半徑；在Cartesian坐標(biāo)系的瞬態(tài)非穩(wěn)定熱傳導(dǎo)的微分方程為

(4)

摩擦副最高溫度為

(5)

式中，Q為熱源強(qiáng)度；c為比熱容大小，J/(kg·℃)；λ為制動(dòng)盤的導(dǎo)熱系數(shù)值大小，J/(m·℃·s)；ρ為密度值，kg/m。

2 工業(yè)制動(dòng)仿真

2.1 電氣制動(dòng)仿真

研究起升機(jī)構(gòu)的多工況電氣制動(dòng)，提出聯(lián)合仿真的思路，并運(yùn)用了一種包含轉(zhuǎn)速控制器ASR、磁鏈控制器AΨR、轉(zhuǎn)矩控制器ATR的三個(gè)閉環(huán)控制策略進(jìn)行控制[8]。具體流程圖如下5所示。

圖5 電氣制動(dòng)流程圖

當(dāng)采用三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入能耗制動(dòng)或反接制動(dòng)的電氣制動(dòng)過程時(shí)，可采用Simulink工具包進(jìn)行仿真。為便于數(shù)值分析和求解，將數(shù)據(jù)傳入到ADAMS進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析。如圖6為Simulink仿真設(shè)置。

圖6 Simulation仿真工具設(shè)置

2.2 機(jī)械制動(dòng)仿真

在ADAMS中可建立機(jī)械制動(dòng)模型，通過對(duì)模型施加制動(dòng)力矩，實(shí)時(shí)顯示制動(dòng)盤速度和角位移。模型圖如圖7所示。為了反映實(shí)際制動(dòng)過程中溫度效應(yīng)的影響，采用Workbench進(jìn)行熱力學(xué)分析，如圖8所示。

圖7 機(jī)械制動(dòng)模型

圖8 制動(dòng)盤溫升結(jié)果

2.3 多制動(dòng)工況聯(lián)合仿真

起升機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中常常采用能夠?qū)崿F(xiàn)特定控制策略的減速及停車制動(dòng)方式，多為電氣制動(dòng)或機(jī)械制動(dòng)的一種或多種組合制動(dòng)。根據(jù)實(shí)際制動(dòng)工況，可將制動(dòng)過程分為三種工況進(jìn)行研究。

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

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

工況3—電氣+機(jī)械復(fù)合制動(dòng)：在滿載滿速的情況下先使用電氣制動(dòng)將重物速度降低到滿速的1/3，再進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)工況1、工況2、工況3，需要建立聯(lián)合仿真模型，模型圖如圖9所示[10-13]。

圖9 SIMULINK和ADAMS聯(lián)合模型圖

3 制動(dòng)工況分析

3.1 實(shí)例仿真設(shè)置

本文采用的研究對(duì)象為通用型橋式起重機(jī)，額定起重量為10 t、起升速度為7.5 m/min、起升高度10 m，經(jīng)過計(jì)算負(fù)載折算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為445 N·m，選用型號(hào)為YZR-180L-15W的三相異步電動(dòng)機(jī)，工作制為S3-40%[14]，并且相應(yīng)的制動(dòng)器參數(shù)如表1所示，材料特性參數(shù)如表2所示[15]。

表1 制動(dòng)器參數(shù)

表2 材料特性參數(shù)

3.2 多工況制動(dòng)結(jié)果

在滿載滿速的情況下對(duì)起升系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行的結(jié)果示意圖，如圖10所示。

圖10 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果圖

工況1—電氣制動(dòng)+機(jī)械維持制動(dòng)，如圖11所示。

圖11 電氣制動(dòng)結(jié)果圖

圖11結(jié)果顯示，在90 s時(shí)電氣制動(dòng)開始工作，在95.03 s時(shí)重物達(dá)到0速，之后加入機(jī)械制動(dòng)使得重物停止。

工況2—機(jī)械減速維持制動(dòng)如圖12所示。

圖12 機(jī)械制動(dòng)

圖12結(jié)果顯示，在90 s時(shí)機(jī)械制動(dòng)開始工作，在91.4 s時(shí)重物達(dá)到0速并維持重物靜止?fàn)顟B(tài)。

工況3—電氣+機(jī)械復(fù)合制動(dòng)，如圖13所示。

圖13 復(fù)合制動(dòng)

圖13結(jié)果顯示，在滿載滿速的情況下電氣制動(dòng)將重物速度降低到滿速的1/3需要1.7 s，機(jī)械制動(dòng)需要0.7 s將速度減小為0速。

4 結(jié)果與分析

表3為工況1、工況2、工況3的制動(dòng)時(shí)間、溫升參數(shù)。

表3 制動(dòng)工況參數(shù)

工況1電氣制動(dòng)減速到0速后加入機(jī)械制動(dòng)，依靠襯片和制動(dòng)盤之間的靜摩擦力來維持重物靜止?fàn)顟B(tài)，制動(dòng)盤溫升很小，幾乎為0。

通過對(duì)比工況1、2，說明機(jī)械制動(dòng)需要的時(shí)間更短，但是機(jī)械制動(dòng)引起制動(dòng)盤的溫升遠(yuǎn)大于電氣制動(dòng)。

通過對(duì)比工況2、3，說明復(fù)合制動(dòng)所需時(shí)間為2.696 s，機(jī)械制動(dòng)所需時(shí)間為1.4 s，相差1.296 s，但是復(fù)合制動(dòng)后制動(dòng)盤溫升為4 ℃，機(jī)械制動(dòng)后制動(dòng)盤溫升為19.3 ℃，相差15.3 ℃。

綜上所述，復(fù)合制動(dòng)所需時(shí)間遠(yuǎn)小于電氣制動(dòng)，略大于機(jī)械制動(dòng)，但是制動(dòng)的溫升遠(yuǎn)小于機(jī)械制動(dòng)。相比較而言，復(fù)合制動(dòng)的效果最佳。