摘要：慣性制動(dòng)器根據(jù)慣性制動(dòng)原理設(shè)計(jì)，它是融合制動(dòng)、聯(lián)軸節(jié)、離合器以及三者相互轉(zhuǎn)換功能于一體的新型裝置，慣性制動(dòng)技術(shù)是我公司申請(qǐng)我國(guó)以及許多國(guó)家的專利發(fā)明。通過(guò)型式試驗(yàn)方法，對(duì)慣性制動(dòng)器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩及其使用壽命進(jìn)行測(cè)試（試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)過(guò)“國(guó)家起重運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心”的認(rèn)可），從而為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用維護(hù)等要素提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而全面提升制動(dòng)器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)試驗(yàn)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：制動(dòng)力矩；使用壽命；
1 概述
1.1慣性制動(dòng)器簡(jiǎn)介
慣性制動(dòng)器突破了傳統(tǒng)的外力源（如電磁鐵、電力液壓推桿等）制動(dòng)模式，是一項(xiàng)原始發(fā)明，其基本原理：有主動(dòng)力（慣性力）克服制動(dòng)力作用解除制動(dòng)，與從動(dòng)力（負(fù)載）在運(yùn)動(dòng)體內(nèi)構(gòu)成一個(gè)內(nèi)力平衡系統(tǒng)；利用運(yùn)動(dòng)本身自身的慣性力，通過(guò)特定的裝置轉(zhuǎn)換為制動(dòng)該運(yùn)動(dòng)體的制動(dòng)力。圖1.1為慣性制動(dòng)器三維圖
圖1.1
1.2 慣性制動(dòng)器現(xiàn)狀及趨勢(shì)
在港口、冶金、鐵路、礦山、電力、建筑、起重運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中有主動(dòng)軸和從動(dòng)軸傳遞扭矩的各類機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)備中，對(duì)制動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的研究一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。其港口驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的制動(dòng)設(shè)備裝置，在機(jī)構(gòu)中承擔(dān)工作制動(dòng)以及安全制動(dòng)作用，在設(shè)計(jì)、制造以及使用維護(hù)時(shí)，當(dāng)改變其傳動(dòng)設(shè)備時(shí)，需要掌握該裝置的制動(dòng)性能和變化規(guī)律，采取針對(duì)性措施，以增強(qiáng)其安全性和可靠性。因此，對(duì)工作制動(dòng)器裝置的制動(dòng)性能及其影響因素進(jìn)行定性定量的型式試驗(yàn)，對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量意義重大。
港口設(shè)備行走系統(tǒng)制動(dòng)裝置有很多種形式，在8驅(qū)的門座式起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)輪采用慣性制動(dòng)器裝置進(jìn)行行走制動(dòng)，在使用中隨著行走電機(jī)運(yùn)行而打開(kāi)、停止而制動(dòng)，具有簡(jiǎn)單、快速、方便等特點(diǎn)，目前在港口設(shè)備使用方面有著廣泛的應(yīng)用，其在行走機(jī)構(gòu)中的位置如圖1.2
圖1.2
并且根據(jù)設(shè)備的使用需求在制動(dòng)器額定制動(dòng)力矩范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的大小，為慣性制動(dòng)器的選型和維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)備的使用要求是本次試驗(yàn)的重點(diǎn)。
1.2 慣性制動(dòng)器性能特點(diǎn)
1）、啟動(dòng)不帶摩擦負(fù)荷、無(wú)滯后現(xiàn)象；
2）、操作頻率不受限制，無(wú)能耗，不需電器和液壓元件；
3）、同時(shí)具備非工作制動(dòng)和防風(fēng)制動(dòng)功能；
4）、設(shè)有保開(kāi)（保持打開(kāi)）裝置，能快速地、安全地實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或點(diǎn)動(dòng)使制動(dòng)器有開(kāi)到閉合或閉合到開(kāi)的轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)防風(fēng)和限速安全制動(dòng)。也可設(shè)置延時(shí)裝置，能控制制動(dòng)器在主機(jī)斷電后降到設(shè)定值時(shí)才開(kāi)始制動(dòng)，使制動(dòng)更平穩(wěn)；
5）、手動(dòng)打開(kāi)裝置能滿足設(shè)備在停電狀態(tài)下解除制動(dòng)，便于滾動(dòng)挪移，以防止損壞行走機(jī)構(gòu)及軌道，方便檢修和調(diào)試；
6）、點(diǎn)動(dòng)打開(kāi)裝置能夠滿足在作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)拖動(dòng)電機(jī)瞬間時(shí)啟動(dòng)解除制動(dòng)。
1.3 型式試驗(yàn)介紹
型式試驗(yàn)有很多種實(shí)驗(yàn)，此次型式試驗(yàn)以性能檢測(cè)和使用壽命這兩方面為主。根據(jù)產(chǎn)品的使用方式進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，在同一個(gè)平面上通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)制動(dòng)器此時(shí)通過(guò)制動(dòng)器所模擬的對(duì)偶力參加相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力（磁粉制動(dòng)器）來(lái)打開(kāi)制動(dòng)器，其次來(lái)制動(dòng)模擬慣量，制動(dòng)中通過(guò)測(cè)量設(shè)備對(duì)制動(dòng)器性能檢測(cè)。在標(biāo)準(zhǔn)的頻率根據(jù)模擬慣量制動(dòng)力矩不變的要求下檢測(cè)制動(dòng)器的使用壽命。
2 試驗(yàn)準(zhǔn)備
本試驗(yàn)首先是從設(shè)計(jì)理論分析、立項(xiàng)、試驗(yàn)方案策劃等方面確立了慣性制動(dòng)器型式試驗(yàn)方案。
試驗(yàn)對(duì)象為QGZ-PD01-04產(chǎn)品兩臺(tái)（隨機(jī)抽樣），并且設(shè)計(jì)、制作了所有的試驗(yàn)物品，如電機(jī)、扭矩儀器、飛輪、磁粉制動(dòng)器等，并且測(cè)量設(shè)備通過(guò)相關(guān)部門的檢驗(yàn)。
3 試驗(yàn)原理、方法及慣性制動(dòng)器工作過(guò)程
3.1 試驗(yàn)原理
慣性制動(dòng)器動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩測(cè)試原理，是根據(jù)慣性制動(dòng)器原理及其現(xiàn)場(chǎng)的使用工況來(lái)設(shè)計(jì)模擬阻力慣量（飛輪），通過(guò)PLC程序控制啟動(dòng)與停止及其數(shù)據(jù)采集，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)傳遞給飛輪及其其他輔助設(shè)備同時(shí)工作，電機(jī)停止工作時(shí)，由飛輪產(chǎn)生慣量通過(guò)制動(dòng)器來(lái)制動(dòng)，這過(guò)程會(huì)通過(guò)扭矩儀器連接電腦顯示出慣性制動(dòng)器的制動(dòng)力矩、運(yùn)行力矩、啟動(dòng)力矩等所檢測(cè)的數(shù)據(jù)。
靜態(tài)制動(dòng)力矩試驗(yàn)是飛輪處于無(wú)扭矩傳遞且慣性制動(dòng)器閉合狀態(tài)下，通過(guò)傳輸軸上的扭力來(lái)檢測(cè)其靜態(tài)制動(dòng)力矩（本試驗(yàn)采用杠桿原理來(lái)測(cè)試）。
圖3.1為動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩型式實(shí)驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備布局
圖 3.1
靜態(tài)制動(dòng)力矩試驗(yàn)方法在慣性制動(dòng)器處于額定制動(dòng)力矩且閉合狀態(tài)下通過(guò)杠桿在傳輸軸上一支點(diǎn)來(lái)檢測(cè)，在杠桿的另一側(cè)掛上托盤，按砝碼從小到大的量程來(lái)增加，使之下滑為止記錄所加砝碼的重量（試驗(yàn)方式見(jiàn)圖3）。
圖 3.2
慣性制動(dòng)器的壽命型式試驗(yàn)根據(jù)使用次數(shù)而設(shè)計(jì)制動(dòng)器各零件的壽命設(shè)計(jì)。因此通過(guò)國(guó)家起重運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)壽命試驗(yàn)的嚴(yán)格要求，及其整個(gè)過(guò)程進(jìn)行視頻跟蹤，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)打開(kāi)與閉合試驗(yàn)。
3.2 試驗(yàn)方法
1）通過(guò)改變慣性制動(dòng)器的制動(dòng)力矩來(lái)改變對(duì)飛輪的制動(dòng)時(shí)間，從而來(lái)檢測(cè)制動(dòng)力矩對(duì)慣量不變的影響。
2）其次通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，制動(dòng)力矩不變的情況下，來(lái)檢測(cè)對(duì)飛輪的制動(dòng)時(shí)間。
3)當(dāng)改變其失去慣性制動(dòng)器打開(kāi)對(duì)偶力，即消除磁粉制動(dòng)器，在其運(yùn)行中飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能否維持制動(dòng)器一直處于打開(kāi)狀態(tài)，從而檢測(cè)所需打開(kāi)阻力。
4）為驗(yàn)證設(shè)備在工作中制動(dòng)器未正常打開(kāi)情況下，對(duì)設(shè)備是否有影響。所以對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行失去對(duì)偶力試驗(yàn)，測(cè)試力矩的變化來(lái)判斷是否對(duì)使用設(shè)備有影響。
3.3 慣性制動(dòng)器工作過(guò)程
慣性制動(dòng)器作為常閉制動(dòng)器，其工作過(guò)程如3.3圖
圖 3.3
從圖3.3可以分析出，制動(dòng)器的工作過(guò)程可以分為三個(gè)階段：一是啟動(dòng)階段，其時(shí)間的長(zhǎng)短由制動(dòng)器的反應(yīng)時(shí)間和放松時(shí)間的決定；二是機(jī)械負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)階段，這段時(shí)間就是主工作時(shí)間，三是制動(dòng)階段，這段時(shí)間包括制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)力矩增長(zhǎng)時(shí)間
4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算及分析
依據(jù)試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)理論分析及其所需模擬量的計(jì)算；
制動(dòng)器基本參數(shù)
|
規(guī)格 |
額定制動(dòng)力矩 N.m |
打開(kāi)間隙 ㎜ |
初始空程 ㎜ |
制動(dòng)模量 N.m/㎜ |
|
QGZ-PD01-04 |
450 |
5 |
3 |
28.6 |
制動(dòng)器許用單次制動(dòng)功計(jì)算公式如下
W= 
式中：
W：許用單次制動(dòng)功，單位 J
：制動(dòng)初轉(zhuǎn)速，單位 r/min
：額定制動(dòng)力矩，單位 N.m
根據(jù)制動(dòng)器單次制動(dòng)功計(jì)算被測(cè)試制動(dòng)器對(duì)應(yīng)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算公式如下：
= 182
式中：
：制動(dòng)軸上模擬總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位㎏.㎡
:制動(dòng)初轉(zhuǎn)速，單位r/min
根據(jù)常用電機(jī)的使用規(guī)格采用功率11 KW、轉(zhuǎn)速1000 r/min以及慣性制動(dòng)器額定制動(dòng)力矩得出：
= 
Md =450 N.m 則
=4.28 ㎏.㎡
得出
|
規(guī)格 |
額定力矩（N.m） |
制動(dòng)初轉(zhuǎn)速(r/min) |
慣量(㎏.㎡) |
|
QGZ-PD01-04 |
450 |
1000 |
4.28 |
根據(jù)相應(yīng)的慣量設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的飛輪。
通過(guò)試驗(yàn)儀器記錄出QGZ-PD01-04制動(dòng)器對(duì)飛輪制動(dòng)過(guò)程并繪制成曲線如圖4.1
圖 4.1
通過(guò)上圖的分析動(dòng)態(tài)制動(dòng)力最大值為464 N.m 平均制動(dòng)力矩410 N.m,根據(jù)《企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定制動(dòng)過(guò)程中平均動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩值應(yīng)不小于90%的額定制動(dòng)力矩值即：
M=450×90%
M=405 N.m
靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)如下表：
|
規(guī)格 |
額定力矩N.m |
砝碼重量Kg |
力矩N.m |
|
QGZ-PD01-04 |
450 |
19.5 |
495 |
具體計(jì)算公式：
T=(M+m)gl+m1gl1
其中杠桿和砝碼盤自重產(chǎn)生的力矩為111 N.m 即總制動(dòng)力矩為：
△ T=T+111
主要制動(dòng)力零件彈簧試驗(yàn)如圖4.2
圖 4.2
5 結(jié)論
1） 通過(guò)上述試驗(yàn)方法測(cè)得曲線圖分析，動(dòng)態(tài)平均制動(dòng)力矩410 N.m大于405 N.m，滿足傳輸設(shè)備中工作制動(dòng)的要求，并且符合設(shè)計(jì)理論值。
2） 通過(guò)速度曲線的反應(yīng)，得出制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為0.2s,并且制動(dòng)慣量所需時(shí)間為2s,能夠快速的進(jìn)行制動(dòng)從而達(dá)到有效的防突發(fā)加速度狀況。
3） 從靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出，靜態(tài)力矩為495N.m，為所選設(shè)備裝置制動(dòng)器可以提供足夠的制動(dòng)力矩，有效的能夠維持設(shè)備非工作狀態(tài)的安全。
4） 試驗(yàn)開(kāi)始曲線段分析，在其速度運(yùn)行到一定的時(shí)候時(shí)，慣性制動(dòng)器的運(yùn)行力矩一直處于不變狀態(tài)，說(shuō)明慣性制動(dòng)器可以起到限速作用，能夠防止行走時(shí)加速度過(guò)大對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞。
5） 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)，并且對(duì)壽命試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程附有視頻記錄，產(chǎn)品在規(guī)定設(shè)計(jì)使用次數(shù)30萬(wàn)。從試驗(yàn)中得出（有視頻為依據(jù)），摩擦副稍有一點(diǎn)磨損，制動(dòng)器各鉸鏈處沒(méi)有出現(xiàn)卡死現(xiàn)象并且能夠維護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果使其充分驗(yàn)證了產(chǎn)品零件能夠滿足使用設(shè)備的要求。
6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
圖6.1 是慣性制動(dòng)器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)事物
圖 6.1
本次試驗(yàn)經(jīng)過(guò)“國(guó)家起重運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心”試驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督試驗(yàn)，并且通過(guò)嚴(yán)格的型式試驗(yàn)考核，取得QGZ-PD01-04慣性制動(dòng)器型式試驗(yàn)證書及其型式試驗(yàn)報(bào)告。其它慣性制動(dòng)器系列產(chǎn)品都相應(yīng)做了同樣的型式試驗(yàn)，同時(shí)取得國(guó)家起重運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心型式試驗(yàn)相應(yīng)證書。
7 實(shí)際使用情況
該試驗(yàn)為港口設(shè)備行走機(jī)構(gòu)及其傳輸軸制動(dòng)的機(jī)構(gòu)裝置的選型、評(píng)估和驗(yàn)證提供了切實(shí)可行的手段，并為安裝、維護(hù)提供了有效的試驗(yàn)依據(jù)，具有指導(dǎo)意義、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
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2） 張質(zhì)文，王金渃 《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》北京：中國(guó)鐵道部出版社 1998
作者： 長(zhǎng)沙三占技術(shù)部型式試驗(yàn)小組
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