薛志鋼 孫小偉 韓伍林 蘇文勝

1江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院 無錫 214174

2國家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 無錫 214174 3石家莊五龍制動(dòng)器股份有限公司 石家莊 050090

0 引言

制動(dòng)器在機(jī)電類的特種設(shè)備中具有廣泛的用途，是電梯、起重機(jī)重要的安全部件之一，是保衛(wèi)財(cái)產(chǎn)和人身安全的最后一道防線，每年都有因?yàn)橹苿?dòng)器制動(dòng)能力不足而導(dǎo)致的事故發(fā)生。如影響較大的鋼水包傾覆事故，原因之一就是制動(dòng)襯墊磨損嚴(yán)重，未及時(shí)調(diào)整制動(dòng)器，致使制動(dòng)力矩嚴(yán)重不足，未能有效制止鋼水包下墜[1]。對(duì)于電梯而言，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電梯事故中多數(shù)是因制動(dòng)器失效或制動(dòng)器不靈活造成的[2]。由此許多學(xué)者提出了針對(duì)于機(jī)電類制動(dòng)器制動(dòng)力矩監(jiān)控的研究，在電梯行業(yè)，已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)[3，4]要求利用空載制動(dòng)的方法對(duì)電梯的制動(dòng)力矩進(jìn)行監(jiān)測，然而該方法只能對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行單次檢測，無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，且空載運(yùn)行測試還會(huì)影響人員乘坐電梯。還有學(xué)者提出在制動(dòng)器閉合情況使曳引電動(dòng)機(jī)增加輸出，強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪檢測制動(dòng)器制動(dòng)力矩的大小[5]，該方法無論是對(duì)電動(dòng)機(jī)還是對(duì)制動(dòng)器都是一種損傷，且無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。對(duì)起重機(jī)而言，部分學(xué)者[6]提出基于監(jiān)測制動(dòng)器的制動(dòng)力，通過手動(dòng)輸入制動(dòng)閘瓦和制動(dòng)輪之間的摩擦系數(shù)，間接對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，但在制動(dòng)器使用過程中摩擦系數(shù)并不是一個(gè)恒定值，例如制動(dòng)閘瓦磨損、油污污染、制動(dòng)閘瓦有異物等都會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)的改變，進(jìn)而影響制動(dòng)力矩的大小。此外，部分監(jiān)測制動(dòng)力的傳感器放置在制動(dòng)閘瓦和制動(dòng)臂連接的地方，在制動(dòng)器制動(dòng)過程中，該傳感器不僅要承受水平方向的制動(dòng)力，且還承受因制動(dòng)摩擦產(chǎn)生的豎直方向上的力，如圖1所示。

圖1 制動(dòng)器受力示意圖

但是，制動(dòng)摩擦力和制動(dòng)力所占傳感器感知力的比重是未知的，進(jìn)而無法精確監(jiān)測到制動(dòng)力的大小。本文基于力學(xué)分析和制動(dòng)器的工作原理，提出一種新的監(jiān)測制動(dòng)器制動(dòng)力矩的方法，該方法監(jiān)測的制動(dòng)力矩隨著制動(dòng)輪和襯墊的摩擦系數(shù)和制動(dòng)力的變化而變化，能穩(wěn)定可靠地對(duì)制動(dòng)器工作狀態(tài)下的制動(dòng)力矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。

1 制動(dòng)力矩監(jiān)測方案

鼓式制動(dòng)器安裝在高速減速器的高速軸上，大多處在電動(dòng)機(jī)和減速器中間的位置。制動(dòng)器的工作狀態(tài)下受力圖如圖2所示，常閉型的鼓式制動(dòng)器在斷電情況下處于閉合狀態(tài)，推動(dòng)器停止工作，在彈簧恢復(fù)力的作用下，制動(dòng)閘瓦抱緊制動(dòng)輪，進(jìn)而起到剎車制動(dòng)的作用。此時(shí)制動(dòng)瓦對(duì)制動(dòng)輪施加垂直于表面的制動(dòng)力，該力的合力方向垂直于制動(dòng)臂，同時(shí)制動(dòng)襯墊和制動(dòng)輪接觸產(chǎn)生摩擦力。以制動(dòng)輪為研究對(duì)象，1對(duì)大小相等的制動(dòng)力作用在一條水平線上，水平方向上合力為0，1對(duì)大小相等、方向相反的摩擦力形成摩擦力偶，進(jìn)而起到制動(dòng)的作用，該力偶就是制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)輪的制動(dòng)力矩。根據(jù)作用力反作用力原理，制動(dòng)輪通過制動(dòng)襯墊對(duì)制動(dòng)臂作用1對(duì)大小相同、方向相反的力，通過力的傳遞，制動(dòng)輪對(duì)制動(dòng)臂的力通過制動(dòng)臂傳遞到制動(dòng)臂與底座的銷軸。以底板和銷軸為研究對(duì)象，受力示意圖如圖3所示，制動(dòng)過程中，連接制動(dòng)臂和底座的銷軸所受到豎直向上的力即是制動(dòng)閘瓦對(duì)制動(dòng)輪的摩擦力，通過監(jiān)測2個(gè)銷軸的力，然后乘以力臂就可得到制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)輪的制動(dòng)力矩。

圖2 制動(dòng)器受力示意圖

圖3 以底板和銷軸作為研究對(duì)象的受力示意圖

通過監(jiān)測銷軸傳感器的豎直方向上的2個(gè)力，可得制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)輪的制動(dòng)力矩為

式中：M為制動(dòng)器對(duì)制動(dòng)輪的制動(dòng)力矩，F(xiàn)為制動(dòng)輪與制動(dòng)閘瓦之間摩擦力的合力，l為2個(gè)銷軸之間的距離。

由式（1）可知，通過該方法檢測制動(dòng)器的制動(dòng)力矩不依賴摩擦系數(shù)，且能實(shí)時(shí)、精確地監(jiān)測制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。

3 制動(dòng)力矩監(jiān)測方案的實(shí)施

最為理想的方式是將原有的銷軸換成銷軸傳感器，但通過上述的分析可知，在制動(dòng)臂和底座連接的銷軸處，不僅因制動(dòng)摩擦產(chǎn)生豎直方向上的力，且還受到因制動(dòng)力產(chǎn)生的水平方向上的力，而銷軸傳感器只能單向受力。在此選擇懸臂式傳感器，如圖4所示，傳感器的一端為銷軸孔，一端將該傳感器固定在地板上，同時(shí)為消除水平方向上力，此銷軸孔采用橢圓設(shè)計(jì)，允許銷軸有小范圍的水平方向的移動(dòng)。同時(shí)為了使制動(dòng)器產(chǎn)生水平方向上的制動(dòng)力，在銷軸的兩側(cè)安裝約束銷軸水平方向位移的裝置，該裝置允許銷軸在豎直方向產(chǎn)生一定位移的同時(shí)約束銷軸水平方向的位移，也是對(duì)制動(dòng)器能夠安全可靠使用提供保障，最終傳感器的組裝如圖4所示。

圖4 懸臂式傳感器

圖5 傳感器示意圖

圖6 制動(dòng)器標(biāo)定

標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，在減速器高速端連接驅(qū)動(dòng)裝置，低速端通過力矩傳感器和制動(dòng)輪連接。在標(biāo)定時(shí)，首先將裝有力矩傳感器的制動(dòng)器安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)制動(dòng)彈簧使制動(dòng)器抱緊制動(dòng)輪，保證制動(dòng)器的制動(dòng)力矩達(dá)到額定值，將2個(gè)傳感器和采集儀連接并調(diào)試好，確保采集儀能采集到傳感器的電壓信號(hào)，取2個(gè)傳感器絕對(duì)值的平均值作為輸出。手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置至力矩傳感器有數(shù)據(jù)，依次保證力矩傳感器的數(shù)值達(dá)到5 N/m、10 N/m、15 N/m、20 N/m，并依次記錄傳感器數(shù)據(jù)的電壓值，用線性擬合得到力矩-電壓關(guān)系圖，如圖8所示。通過傳感器的標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，該傳感器具有較好的線性度，滿足工程測試的需求。

圖7 標(biāo)定系統(tǒng)原理圖

圖8 傳感器標(biāo)定

4 結(jié)論

本文提出了一種不受摩擦系數(shù)和制動(dòng)力改變，且不需要空載及強(qiáng)制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測鼓式制動(dòng)器制動(dòng)力矩的方法，并根據(jù)此方法研制了能夠?qū)χ苿?dòng)器制動(dòng)力矩進(jìn)行監(jiān)測傳感器，完成了傳感器的標(biāo)定工作。

1）根據(jù)制動(dòng)器的工作原理，對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)過程中的受力進(jìn)行了分析；

2）基于對(duì)力學(xué)分析提出了一種能夠?qū)χ苿?dòng)器的制動(dòng)力矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)施；

3）設(shè)計(jì)研發(fā)了一套能夠監(jiān)測制動(dòng)器制動(dòng)力矩的傳感器，并完成了標(biāo)定和測試工作，證明了該傳感器的可行性。