起重机用块式制动器有限元分析及检验研究

赵奇

（江苏省特种设备安全监督检验研究院张家港分院，江苏 张家港 215600）

起重机类特种设备中，块制动器是一种利用摩擦将动能转换为热能的元件，而块制动器在起重机设备的正常、安全运行中起着举足轻重的作用。但由于使用块式制动器的检查重视程度低，工况复杂，动作频繁，很有可能导致安全事故的发生，因此，要加强日常维护和检验工作。为此，本文将对起重机块制动器进行有限元分析与检验。

1 起重机械及其安全装置发展现状

起重机是一种用于提升和搬运物料的机器，被国家有关部门列为八大特殊设备。在工业生产中，起重机在桥梁、塔吊、物料搬运等工程中得到了广泛的应用。新中国成立后，起重设备技术得到了快速发展，并取得了很大的进步。然而，与世界上一些发达国家相比，我国在此方面的研究起步较晚，发展时间较短，在一些关键技术方面仍落后于一些发达国家几十年。国外起重设备的技术特征是：起重机品种繁多，关键核心技术强。与发达国家相比，我国在起重设备的生产和使用上发展得非常快。目前，国内已有数百家大型起重机械制造、销售企业，其中一些产品已销往国内外。然而，从技术研发角度来看，国内大多数起重机生产企业的技术实力都不强，在此领域的自主研发和创新能力较弱，生产的产品与国外同类产品相比缺乏核心竞争力。另外，我国起重设备的技术开发与生产之间的关系并不密切，很难将其应用到产品生产中，这就造成了我国起重设备技术的发展很难实现可持续发展；与国外相比，国内的起重设备技术水平相对较低，国内的自主研发产品缺乏核心竞争能力。起重机的大量使用，使人力劳动量大大减少，工作时间缩短，在工业生产中，实际工作的效率得到了很大的提升。起重机为工业生产提供了巨大的方便，但其使用的安全性也受到了影响。起重机在日常起重过程中，出现了脱钩砸人、钢丝绳断裂、重物坠落、提升设备过卷等安全问题。起重机的种类很多，根据其结构和工作性质，可以将其划分为各种类型。各种起重设备的作业范围、作业效率等各不相同，但各种起重设备的工作功能均为起重。为确保起重机各部件在工作时能正常工作，需要在各工作机构上增加制动装置，从而有效地防止起重机在作业时出现跌落等意外。起重机块制动器主要包括基座、瓦块、制动臂、推杆、主弹簧、液力器、托架。正常运转的起重机，其两个瓦片将会受到弹力的作用，使制动轮与瓦片衬里的摩擦产生摩擦，从而导致制动。在启动电源后，推进器会带动推杆，使制动臂展开，使制动轮能够自由转动。起重机各工作机构的正常运行均靠制动器保证，其中的空隙与主簧控制着动力矩，而辅助弹簧则能保证瓦轮之间的空隙。

从图1可以看出，制动器的主体结构包括底座、液压推进器、推杆、主弹簧、制动臂、制动块等。在正常工作条件下，两个瓦片与制动轮在弹性力的作用下处于关闭状态，制动器与瓦垫片之间的摩擦使起升、运行等机构发生制动；在电动推进器上电后，它会驱动推进器，使制动器臂打开，从而使制动器轮处于自由旋转的状态。制动器保证了起重机各个工作机构的启动与停止，主要的弹簧和空隙限制了制动力的大小，而副弹簧的作用是保证了瓦轮之间的间隙。我国大多数制动工具使用企业对制动的日常维护采用预防性维护和大修。预防性维护方法是指根据时间表对制动器进行定期维护。采用起重机制动器预防性维护的缺点是，制动器故障和定期维护的时间可能不同，通常不是维护时间，并且制动器在运行期间发生故障。为了防止制动器的使用，制动器的维护和维修中经常出现问题。制动起重机的机械结构复杂且耗时，制动过程中发生意外故障的可能性不可避免。因此，按照预定时间定期维修制动器的维修方法不适合现代制动器维修技术的发展。冶金起重机运行中对制动器可靠性的要求，不仅要根据制动器本身的设计或设计要求，及时发现制动器的潜在故障，还要及早发现制动器的可能故障。因此，为了保证冶金起重机在制动过程中的安全运行，除了满足制动可靠性的要求外，还应重视制动健康监测方法的研究。监测制动器的健康状况，在制动器上安装各种传感器，实时获取制动状态以反映制动状态和参数，并通过监测制动状态参数的变化来实时判断制动状态。在制动状态控制过程中，状态参数的合理选择和控制是一个尤为重要的环节。参数的选择不能完全反映制动系统的状态。选择太多的参数将增加监控成本，太多的监控参数将增加数据处理的冗余度。因此，在选择制动状态监测方案时，有必要综合考虑上述问题，结合监测对象的工作特点、监测方案的可行性以及所选监测参数与对象状态之间的因果关系，设计制动状态监测方案。

图1 起重机用块式制动器

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

为了对起重机块式制动器在工作过程中的变形及受力进行准确的测定与分析，要对其进行有限元分析。在此基础上，首先，要建立一个三维模型，然后，引入有限元分析软件。在进行网格划分时，可以采用六边网格。对车轮制动来说，在受力、受力时，其底座应处于静止状态。制动瓦中有制动力矩，设定为1000N·m，通过重力和力矩来检验整个制动系统的应变和应力，从而可以很好地分析故障的危险部位。

2.2 有限元分析的结果

在约束、网格划分、荷载作用下，再进行有限元分析，最后得出结论。通过测量得到的数据，可以对制动的应力和应变进行全面的观察，发现应变和应力都在减小。同时，制动臂与闸瓦的关节部位也出现了最大的结构应力。这是由于钢材的材质比它的屈服强度要高，因此，可以看出制动处于静止状态。在此基础上，该制动器的应力在整体和制动臂上都是最大的，而在块体的位置上，应力最大。至于液压缸和底座的应变和应力，则是微乎其微。从分析的结果来看，制动块、主弹簧、推进器等零件的应力和位移分布，各零件的变形量都很小，但它们的屈服强度要比相应的应力值高得多，处于弹性变形状态，而且具有一定的安全余量。而制动块、主弹簧、止推杆三种构件，其变形最多出现在各构件末端，而且各构件的应力分布也存在差异。

3 起重机用块式制动器检验及失效分析

3.1 升温制动

在制动过程中，由于制动器的存在，会产生大量的摩擦力，从而导致制动的阻力系数下降，从而导致制动力矩的减少。在此过程中，应特别注意制动装置是否经常、长时间运转，以防止故障。

3.2 衬垫摩擦

在长期的摩擦下，制动盘的表面会产生磨损，制动片与制动片间的空隙会越来越大，制动扭矩也会随之降低。因此，要对衬垫的磨损进行实时监控，一旦超过容许值，要立即进行更换，这样才能有效地保证制动器的安全。

3.3 结构件出现故障

由于起重机的部件很多，因此，一旦出现故障，就会导致制动系统的故障。通过对故障进行深入的理论分析，就能知道每个环节的问题。比如，液压系统的电动机线圈，一旦发生故障，制动轮就会产生热裂纹，制动臂、推杆等部件也会产生疲劳断裂。

3.4 其他因素

在起重机运行中，由于工作人员的操作失误，比如，维修工人在工作中不小心将润滑油或油脂滴在了摩擦副上，那么摩擦系数就会迅速降低，从而导致起重机块制动器的制动力失效。因此，在对起重机制动器例行检查时，必须注意制动垫的磨损，同时，要对制动间隙和液压缸的平稳性进行检测。同时，还要对节点的应力进行检测，还要考虑人员的操作质量、工作级别和工作环境。

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

制动衬垫是一种很容易损坏的部件，在更换时，假如以前使用的制动衬里能够达到使用的条件，在更换时也要选用同一厂家的制动衬里。若需更换其他厂商的垫片，则选用同一规格的产品，其厚度、宽度均与先前的制动器垫片一致，并不比原有的垫片差。

4.2 注意制动器安装的连接尺寸

在更换起重机用块式制动器时，必须选用同一种原厂的产品，并注意安装接头的大小，以防止在安装后影响制动性能或不能装配。此外，即使是相同型号的产品，安装接头的大小也会有差异。尽管制动的型号和大小可能有差异，但由于其连接的大小与所有的规范一致，因此，根据安装连接大小的准则来选择制动是一种更容易的方法。

4.3 对制动器故障的自监测

自检：对制动指针进行自检。每次正确插入或释放机械装置时，有3种方法：自检和制动-推进系统自动控制；自动检查制动器和制动器运动。对于自动制动动作，可通过主机驱动制动动作开关将微型断路器安装在制动器上；可以通过检测流过制动线圈的电流的变化来确定制动扭矩的自动调节。制动故障可以通过制动力和制动片的作用进行诊断在维修和更换起重机制动器时，新换制动器的工作性能不得比原制动差，并且其摩擦材料、制动扭矩的作用不得比原制动差。

4.4 电源的选用

起重机的块式制动器应该尽可能地采用型号的制动功率，或者采用同样的参数。如果对原有的控制线进行更改，很有可能会使原有的制动器发生变化，从而造成不必要的失效。

5 块式制动器健康状态在线监测技术

5.1 制动器状态监测参数选择

就制动系统而言，制动力矩不足，工作响应时间延迟，起吊物质量过大，闸瓦材料质量劣化，制动闸瓦退间距达不到预期目标，闸瓦厚度过薄等。要了解制动系统的运行状况，就要对制动系统的运行状况进行监测。上面已经提到，除了一些不需要考虑的因素，如油路失效，其他影响制动器运行和健康状况的因素，都能真实地反映制动器的运行和健康状况。其中，制动力矩是由检测并计算得到的；而制动片的厚度是由其出厂时的厚度和制动退间距来计算的，因此无须参加监控；为确保起重机不超载，还应掌握与电动机连接的高速轴负荷扭矩，并对其进行实时监控，以确定其是否能够安全地进行制动。

5.2 制动正压力监测

5.2.1 制动正压力监测方案

在制动器制动器的正压测试中，采用最简便、最直接的方式是在制动器的滑块和圆盘之间设置压力传感器。在制动闸瓦与制动轮直接接触的情况下，制动闸瓦向制动车轮施加的压力随力的传递而传递到制动闸瓦后面的压力传感器，该压力传感器将该压力信号转化为电信号，并经由线缆传送至信号接收系统。

5.2.2 穿轴式压力传感器工作原理及选型

（1）机械传感器的工作原理机械传感器的种类很多，根据其工作原理可以将其分类为各种类型。本文所选择的压轴压力传感器为机械传感器中的压阻传感器。这种传感器是利用单晶硅的压阻作用来实现的，而在受到外力作用时，其电阻的变化就会在传感器上得到反映。该压力传感器能把电阻的改变转化为压力信号的改变，并将其输出。（2）选择穿轴式压力传感器时，应在保证不超出传感器范围的前提下，尽量提高测量精度。

5.3 摩擦副温度监测

5.3.1 摩擦副温度监测方案

制动器在运行时，由于制动瓦闸和制动轮之间的强烈摩擦，导致摩擦副的温度上升。所以，对制动摩擦副的温度变化进行监控是制动温度监控的关键。为监控摩擦副的温度，本文选取了一种利用螺栓将红外测温器安装于制动臂内部，使其激光探测器与制动轮的上部处于同一水平面上。

5.3.2 红外激光测温仪工作原理及选型

红外激光测温仪由光学系统、光电传感器、信号处理器、输出元件等部分构成。根据光学原理，不同的物体，其表面的红外辐射会因温度的变化而发生变化，从而产生不同的红外辐射。

6 结语

综上所述，对起重机块制动器进行了有限元分析和试验，得出了在制动器载荷作用下，最大应变和最大应力应该位于制动器的最大应力位置，屈服强度要比制动器部件的应力大得多，在这个状态下，它是安全的；在检查过程中，要重视制动间隙、制动温升、人员实际操作、衬垫摩擦和总体工作状态，从而有效地保证了制动器的使用安全。