张国臣

河南省特种设备安全检测研究院

0 引言

起重机械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备。在国内经济建设初期，起重机械多用在环境恶劣的施工现场，工况要求相对较低，无论是生产者或是使用者均把关注点放在使用寿命与价格上。这使得早期的起重设备以价格低廉和结实耐用为优，解决的是基础的有无问题。但随着工业的迅猛发展，使用环境的快速提升，仅结实耐用已经不能达标。

制动器是起重机械上必不可少的重要部件，其优劣直接影响整机的使用精度甚至寿命。起重机械上的制动器主要分为2大类，盘式制动器和鼓式制动器。前者多应用在平移机构的制动电机里，电磁驱动制动盘吸合与释放，一般用在驱动装置的高速端，支腿错位问题就和盘式制动器的性能有关。动态制动力矩不同，导致左右2个支腿刹车时的刹车距离和制动时间不同，最终表现为前后支腿错位。后者鼓式制动器造价便宜，符合传统设计、安装方便。由电磁或液压驱动开合，一般直接作用在起升机构的低速端，这就要求鼓式制动器具有比盘式制动器更大的制动力矩。起升机构的精度问题与鼓式制动器息息相关。吊运重物起升时位置需频繁调整，即为低速端鼓式制动器制动力矩没有调整好造成的。

制动器的主要技术参数是制动力矩，制动器的静态制动力矩大小保证了起重机械能否拉住重物，动态制动力矩则决定了该动作的时间与距离。但因动态制动力矩试验装置结构较为复杂、投资大、且试验过程繁琐，该重要参数很难获得，无法满足实际生产的需要。故亟需一种方法，能让企业快速、准确地获取动态制动力矩。本文通过试验设计、数据计算与整理，对制动器的动态制动力矩数据和静态制动力矩数据进行了对比分析，找出了动态制动力矩与静态制动力矩之间存在的关系，从而为企业在实际使用制动器过程中获得动态制动力矩参数提供了一种计算方法。

1 试验设计

目前，国内常用的动态制动力矩测量方法有直接测量法和间接测量法2种。本文采用间接测量法对动态制动力矩进行测量。测量原理为检测和记录制动器在制动过程中速度的变化(减速度)及制动时间，根据公式计算得到制动器动态制动力矩的大小，测量装置如图1所示。

图1 动态制动力矩测量装置

具体的测量过程为将被测制动器安装到动态制动力矩测试台上，根据制动器额定制动力矩计算出所需的单次制动功和模拟转动惯量的大小，配置好惯量盘；当转动装置转速到达设定的初速度时，系统自动切断制动器驱动电源，同时制动器失电制动，转动装置开始制动减速，一定制动时间后转动装置停止旋转。记录下整个过程中转动装置的速度变化-时间数据。

在得到速度-时间数据后，基于减速度法测量分段动态制动力矩。由动量矩定理可知

式中：Mds为实测动态力矩，ts为有效制动时间，J为测试模拟转动惯量，n0为电机额定转速。

盘式制动器的静态制动力矩测量，可以通过如图2所示装置实现。

图2 静态制动力矩测量装置

2 数据分析

通过以上2种方法分别获得了制动器的动态制动力矩与静态制动力矩数值。为了方便具体数据的分析，将试验数据进行分类整理，分为盘式制动器和鼓式制动器2种，并在此分类下尽量对全量程的试验数据进行分析比对。由于数据量过于庞大，本文列举了部分数据，如表1、表2所示。

表1 盘式制动器试验参数 N·m

表2 鼓式制动器试验参数 N·m

将试验获得的数据进行整理与比较，可分别得到盘式制动器和鼓式制动器动态制动力矩与静态制动力矩的关系曲线，如图3所示。

图3 动态制动力矩与静态制动力矩关系曲线

由动态制动力矩与静态制动力矩关系曲线可以看出，同一制动器的动态制动力矩与静态制动力矩是线性关系，即动态制动力矩为静态制动力矩乘以某一固定系数。

式中：T动为动态制动力矩，T静为静态制动力矩，K为线性系数。

为了确定系数K，对盘式制动器额定力矩20.46 N·m、184 N·m、225 N·m规格的制动器分别进行200次试验，将试验数据进行对比，并将数据的统计结果汇总为表3。

表3 盘式制动器K值数据分布

同样地，对鼓式制动器额定力矩500 N·m、1 000 N·m、2 000 N·m和5 000 N·m规格的制动器分别进行200次试验，将试验数据进行对比，并将数据的统计结果汇总为表4。

表4 鼓式制动器K值数据分布

通过上述试验数据分析可知，在试验收集到的数据中，制动器的动态制动力矩与静态制动力的比值K，大部分集中分布在0.8到1之间。盘式制动器中，不到20%的K值在0.7到0.8之间，鼓式制动器的这项数据占比更少，只有10%。还有不到5%的数据是大于1或是小于0.7。鼓式制动器的动态制动力矩与静态制动力矩比值大多集中在0.9以上，即两力较为接近。而盘式制动器的数据集中在0.8以上，且数据对比鼓式制动器，两力有偏移的趋势。

通过试验数据可以看出，制动器的动态制动力矩与静态制动力矩确实存在一定的线性关系，而两种不同形式的制动器，K值并不相同。一般情况，对于鼓式制动器，可取K值为0.9进行简易计算。盘式制动器可取K值为0.8进行简易计算。

3 数据比对与误差分析

为了验证结论的有效性，对盘式制动器和鼓式制动器的动态制动力矩按照前文所述方法进行计算，并与实测值进行对比，试验数据汇总如表5、表6所示。

表5 盘式制动器动态制动力矩计算值/实测值

表6 鼓式制动器动态制动力矩计算值/实测值

将所有的试验数据输入计算机，利用Matlab对所有数据进行统计与分析，得到了误差分布的具体情况，并由此绘制出了误差分布图，如图4所示。

图4 误差分布曲线

由图4可知，误差分布满足正态分布曲线。误差在±5%以内的数据占总数据96.7%。故认定理论模型成立。同一制动器的静态制动力矩与动态制动力矩之间存在线性关系，即二者满足T动=K·T静。对于盘式制动器K取0.8，对于鼓式制动器K取0.9。

4 结论

通过前文所述，可知动态制动力矩与静态制动力矩确实存在一定的线性关系，而两种不同形式的制动器，K值不相同。一般情况，对于鼓式制动器，可取K值为0.9进行简易计算。盘式制动器可以取K值为0.8进行简易计算。经过对不同形式、不同规格的同一台制动器动态制动力矩计算值与实测值的对比，可以确定动态制动力矩的计算值误差一般在±5%以内，可以被实际使用所接受。