起重机用块式制动器有限元分析及检验研究

陈 兴，王雅民

（平凉市特种设备检验中心，甘肃平凉 744000）

0 引言

起重机类特种设备中，比较常用的制动设备是块式制动器，它是通过制动摩擦将动能转化成为的热能的一种部件，并且用块式制动器对于起重机设备的正常、安全运行具有重要作用。但是用块式制动器在工作过程中存在着检验重视度低、工况复杂还有较高动作频率等问题，容易造成安全事故的发展，所以一定要做好对其的日常维护和检验工作。因此，下面就对起重机用块式制动器有限元分析及检验进行研究、分析。

1 用块式制动器的工作原理以及组成

起重机用块式制动器主要由基座、瓦块、制动臂、推力杆、主弹簧、液力器以及支架等7 个部分组成。正常运行的起重机，其两个瓦块会在弹簧力的作用下闭合制动轮，而瓦块衬垫还有制动轮之间所产生的摩擦力会让运行还有起升的构件进行制动[1]。在通电之后，液力推动器就会带动推力杆，进行制动臂张开，从而让制动轮处于自由旋转的状态。起重机各种工作机构的运转正常都是由制动器来保障的，间隙和主弹簧制约动力矩的大小，副弹簧使瓦轮保持合适的间隙。

2 起重机用块式制动器的有限元分析

2.1 载荷施加和网格划分

为了确定和分析起重机用块式制动器在运行时的变形情况和整体受力，就需要进行有限元分析。在这个过程中首先应建立三维模型，再将其导入到有限元软件中，进行网格划分时可以运用六面网格[2]。对于轮式制动器而言，在对其进行约束和施加载荷的时候，其基座应该位于一种固定状态。就制动器的制动瓦块而言，在其中存在着制动力矩，将其设置成为1000 N·m，在重力和力矩的作用下对整体的应变及应力情况进行验证，这样非常有利于对其中失效发生的危险位置进行分析。

2.2 有限元分析的结果

对模型进行约束施加、网格划分还有载荷施加之后，再求解计算有限元，最终求算出结果。通过得出来的结果来整体地观察制动器的应变和应力，经过观察之后可以发现一应变和应力值变小了。同时，在制动臂和制动瓦块的铰接处存在了最大的结构应力。这是因为钢材料大于其屈服强度，所以也可以根据这个来判断出制动器正在安全静态的情况下。对于这个建立的制动器结构来说，其应变的最高值位于整个支架还有制动臂上，而处于瓦块位置的应变则比较小[3]。而对于液力缸还有基座部位的应变还有应力值来说都比较小，甚至可以忽略不计。通过分析结果来看，制动瓦块、主弹簧还有推力杆等零部件的应力和结构位移的分布，各个零件的变形值较小，其屈服强度都大于各个应力值，正位于弹性变形的情况下，并且还具备着一定程度的安全裕度。而对于制动瓦块、主弹簧和推力杆这3 个部件来说，其最大变形处都发生在每个零部件的端部，并且这3 个零部件分布的应力有不同的分布规律。

3 起重机用块式制动器检验及失效分析

制动力矩Mz的计算公式如下：

其中，FN是主弹簧张力，n 是瓦块的总数量，ηs表示制动瓦间和主弹簧之间的力传递杠杆比，μf是制动轮和瓦块之间的摩擦因数，D 为制动轮的直径。因此，按照上述的公式和有限元的分析，可以按照从以下4 个方面对制动失效进行分析。

3.1 升温制动

进行制动时，用块式制动器会产生很多的摩擦热，这会使瓦块和制动轮之间的摩擦因数下降，进而降低制动力矩，甚至在比较严重的状况下来会出现制动失效的情况[4]。为了避免失效问题的发生，在这个过程中一定要注意制动器的频繁和长期运行。

3.2 衬垫摩擦

经过长时间的摩擦之后，制动衬垫的表面会出现磨损，制动轮和制动瓦块之间的间隙不断扩大，同时还会减小制动力矩。所以，应实时监测衬垫磨损量，如果超过了其允许值就一定要及时进行更换，从而使制动的安全性得到有效保障。

3.3 结构件出现故障

起重机用块式制动器中包括的零件比较多，所以任何一个环节发生了故障都会造成制动器的失效[5]。依据故障来进行深入的理论和分析，就可以了解到各个环节当中出现的故障。例如液力器的马达绕组，当其发生故障后，制动轮盘就会因为失效而出现发热裂纹，制动臂、推力杆等也会出现疲劳破坏。

3.4 其他因素

起重机作业时，如果因为作业人员的操作出现错误，如维护人员不小心将润滑油或润滑脂滴入摩擦副，摩擦因数就会出现急剧下降的情况，继而造成起重机用块式制动器因为制动失效而发生故障。所以，在对起重机制动器进行日常检验时，应重视制动衬垫的磨损情况，并测量制动间隙及液力器的顺畅度。同时还应该要测试结构件的受力区域，并且对于特种设备的人员操作质量、工作级别还有工作的环境等进行综合考虑、评估还有检验。

4 起重机用块式制动器的日常维护方式

4.1 更换制动衬垫

制动衬垫属于容易损坏的零件，在对其进行更换时，如果之前所运用的制动衬垫可以满运行要求，那么在更换时还要选择同厂家所生产的制动衬垫[6]。如果需要换用其他厂家的衬垫，那么应选择标准相同的产品，产品厚度和宽度应与之前的制动衬垫相符，且产品性能不低于原来的衬垫。

4.2 注意制动器安装的连接尺寸

更换起重机用块式制动器时，应选择原厂家生产的同一型号产品，同时还应重视安装连接的尺寸，避免安装后影响制动性能或根本无法安装。另外还要注意，即便产品的型号一样，安装连接的尺寸也可能会所不同。虽然制动器型号和尺寸可能会存在不同，但是因为连接尺寸与各项标准相符合，所以按照安装连接尺寸标准来选择制动器类型是比较简单的方式。

4.3 制动器的功能及性能

在维护或更换起重机制动器的时候，新换制动器的性能不可以低于原来的制动器，且其摩擦材料和制动力矩的功能不能低于原来的[7]。

4.4 电源的选用

起重机用块式制动器应尽量使用原型号的制动器电源，或使用相同指标参数的电源。如果要改变原来起重机中的控制线路，则原来的制动程序就很有可能发生改变，出现不必要的故障。

5 结束语

综上所述，通过对起重机用块式制动器有限元分析及检验研究，明确了制动受载情况下起重机用块式制动器的最大应变、最大应力应处于制动臂的位置：屈服强度远大于制动器各零件的应力，而这这种状态下就证明其处于安全静态下；对其进行检验时，应重视制动间隙、制动温升、人员实际操作、衬垫摩擦以及整体的工作情况等工作，使起重机制动器的运行安全得到有效保障。