鼓式制动器制动力矩监测方法研究

薛志钢 孙小伟 韩伍林 苏文胜

1江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院 无锡 214174

2国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心 无锡 214174 3石家庄五龙制动器股份有限公司 石家庄 050090

0 引言

制动器在机电类的特种设备中具有广泛的用途，是电梯、起重机重要的安全部件之一，是保卫财产和人身安全的最后一道防线，每年都有因为制动器制动能力不足而导致的事故发生。如影响较大的钢水包倾覆事故，原因之一就是制动衬垫磨损严重，未及时调整制动器，致使制动力矩严重不足，未能有效制止钢水包下坠[1]。对于电梯而言，据统计，电梯事故中多数是因制动器失效或制动器不灵活造成的[2]。由此许多学者提出了针对于机电类制动器制动力矩监控的研究，在电梯行业，已经有标准[3，4]要求利用空载制动的方法对电梯的制动力矩进行监测，然而该方法只能对制动器进行单次检测，无法做到实时监测，且空载运行测试还会影响人员乘坐电梯。还有学者提出在制动器闭合情况使曳引电动机增加输出，强制驱动转动轮检测制动器制动力矩的大小[5]，该方法无论是对电动机还是对制动器都是一种损伤，且无法做到实时监测的目的。对起重机而言，部分学者[6]提出基于监测制动器的制动力，通过手动输入制动闸瓦和制动轮之间的摩擦系数，间接对制动力矩进行实时监测，但在制动器使用过程中摩擦系数并不是一个恒定值，例如制动闸瓦磨损、油污污染、制动闸瓦有异物等都会导致摩擦系数的改变，进而影响制动力矩的大小。此外，部分监测制动力的传感器放置在制动闸瓦和制动臂连接的地方，在制动器制动过程中，该传感器不仅要承受水平方向的制动力，且还承受因制动摩擦产生的竖直方向上的力，如图1所示。

图1 制动器受力示意图

但是，制动摩擦力和制动力所占传感器感知力的比重是未知的，进而无法精确监测到制动力的大小。本文基于力学分析和制动器的工作原理，提出一种新的监测制动器制动力矩的方法，该方法监测的制动力矩随着制动轮和衬垫的摩擦系数和制动力的变化而变化，能稳定可靠地对制动器工作状态下的制动力矩进行实时的监测。

1 制动力矩监测方案

鼓式制动器安装在高速减速器的高速轴上，大多处在电动机和减速器中间的位置。制动器的工作状态下受力图如图2所示，常闭型的鼓式制动器在断电情况下处于闭合状态，推动器停止工作，在弹簧恢复力的作用下，制动闸瓦抱紧制动轮，进而起到刹车制动的作用。此时制动瓦对制动轮施加垂直于表面的制动力，该力的合力方向垂直于制动臂，同时制动衬垫和制动轮接触产生摩擦力。以制动轮为研究对象，1对大小相等的制动力作用在一条水平线上，水平方向上合力为0，1对大小相等、方向相反的摩擦力形成摩擦力偶，进而起到制动的作用，该力偶就是制动器对制动轮的制动力矩。根据作用力反作用力原理，制动轮通过制动衬垫对制动臂作用1对大小相同、方向相反的力，通过力的传递，制动轮对制动臂的力通过制动臂传递到制动臂与底座的销轴。以底板和销轴为研究对象，受力示意图如图3所示，制动过程中，连接制动臂和底座的销轴所受到竖直向上的力即是制动闸瓦对制动轮的摩擦力，通过监测2个销轴的力，然后乘以力臂就可得到制动器对制动轮的制动力矩。

图2 制动器受力示意图

图3 以底板和销轴作为研究对象的受力示意图

通过监测销轴传感器的竖直方向上的2个力，可得制动器对制动轮的制动力矩为

式中：M为制动器对制动轮的制动力矩，F为制动轮与制动闸瓦之间摩擦力的合力，l为2个销轴之间的距离。

由式（1）可知，通过该方法检测制动器的制动力矩不依赖摩擦系数，且能实时、精确地监测制动器的制动力矩。

3 制动力矩监测方案的实施

最为理想的方式是将原有的销轴换成销轴传感器，但通过上述的分析可知，在制动臂和底座连接的销轴处，不仅因制动摩擦产生竖直方向上的力，且还受到因制动力产生的水平方向上的力，而销轴传感器只能单向受力。在此选择悬臂式传感器，如图4所示，传感器的一端为销轴孔，一端将该传感器固定在地板上，同时为消除水平方向上力，此销轴孔采用椭圆设计，允许销轴有小范围的水平方向的移动。同时为了使制动器产生水平方向上的制动力，在销轴的两侧安装约束销轴水平方向位移的装置，该装置允许销轴在竖直方向产生一定位移的同时约束销轴水平方向的位移，也是对制动器能够安全可靠使用提供保障，最终传感器的组装如图4所示。

图4 悬臂式传感器

图5 传感器示意图

图6 制动器标定

标定试验台的结构如图7所示，在减速器高速端连接驱动装置，低速端通过力矩传感器和制动轮连接。在标定时，首先将装有力矩传感器的制动器安装在试验台上，通过调节制动弹簧使制动器抱紧制动轮，保证制动器的制动力矩达到额定值，将2个传感器和采集仪连接并调试好，确保采集仪能采集到传感器的电压信号，取2个传感器绝对值的平均值作为输出。手动转动驱动装置至力矩传感器有数据，依次保证力矩传感器的数值达到5 N/m、10 N/m、15 N/m、20 N/m，并依次记录传感器数据的电压值，用线性拟合得到力矩-电压关系图，如图8所示。通过传感器的标定发现，该传感器具有较好的线性度，满足工程测试的需求。

图7 标定系统原理图

图8 传感器标定

4 结论

本文提出了一种不受摩擦系数和制动力改变，且不需要空载及强制电动机转动的实时监测鼓式制动器制动力矩的方法，并根据此方法研制了能够对制动器制动力矩进行监测传感器，完成了传感器的标定工作。

1）根据制动器的工作原理，对制动器制动过程中的受力进行了分析；

2）基于对力学分析提出了一种能够对制动器的制动力矩进行实时监测的方案，并对该方案进行了实施；

3）设计研发了一套能够监测制动器制动力矩的传感器，并完成了标定和测试工作，证明了该传感器的可行性。