基于液压杠杆法的制动器静态制动力矩试验台设计*

2014-04-02王松雷顾旭波

机械研究与应用 2014年1期

王松雷，顾旭波

(江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏无锡 214174)

1 引言

工业制动器指工业装备当中以动力驱动为特征的各种制动装置，不包括汽车和农用车辆、工程车辆、列车以及航天器等常用运输工具的制动装置。工业制动器是起重运输、港口装卸、冶金、矿山、建筑工程、水利工程、风电及核电机组、船舶及海上重工、石油钻采、炼化、轻工等机械中不可缺少的制动装置，其性能好坏直接影响到设备运行的可靠性和安全性。我国国家质检总局特种设备安全监察局于2003年开始对工业制动器实施型式试验许可证的许可生产制度［1-2］。随着制动器技术的不断进步，制动器的制动力矩越来越大，传统的测试方法和测试设备已经不能满足试验的需求。

2 静态制动力矩试验基本原理

静态试验是对制动器结构功能和静态制动性能考核的试验，可在专用的制动器静态试验台架上进行，其主要特征是试验过程中，不需要用动力转动制动轮。静态试验台架可测试制动器的额定力矩值。静态制动力矩试验有砝码法、液压法和电流法三种，前两种方法可在砝码杠杆台架上进行，第三种方法须在试验系统上进行。

2.1 静态制动力矩检测砝码法

如图1所示，根据被试制动器制动力矩额定值，准备好砝码，砝码应分3种以上等级，其中最小一级的砝码质量不得超过所需砝码总质量2%;装好砝码杠杆，并由大到小将砝码施加于砝码钩上，最后施加最小一级砝码，安装砝码直至制动轮产生转动，且转动一角度后停止(转角应不大于20°)，按下式计算静态制动力矩:

式中:Mj为静态制动力矩，N·m;G为砝码质量，kg;G1为砝码钩质量，kg;G2为杠杆质量，kg;L为砝码重心至制动轮重心的距离，m;a为杠杆重心至制动轮中心的距离，m。

图1 砝码杠杆法原理

砝码法试验方法如下［3］:

(1)根据被试制动器制动力矩值，计算所需砝码总质量G;

(2)将被试制动器调整至额定制动弹簧力(常开式无此要求)和额定制动退距状态，使被试制动器对制动偶件实施制动;

(3)由计算砝码总质量G，准备三级不同等级的砝码，逐级逐个增加，逐步观查制动偶件动作情况。第一级达到90%G左右(可圆整)、第二级达到5%G左右(可圆整)，再加第三级(每次增加的单个砝码质量不应大于2%G)，直至制动偶件动作时停止;

(4)取下最后施加的1个砝码，余下的砝码为实测时试验砝码总质量;

(5)根据实测时试验砝码总质量，计算被试制动器静态制动力矩实测值。

试验应在相同条件下进行3次，取平均值作为试验结果。

2.2 静态制动力矩检测液压杠杆法

钳盘式制动器一般制动力比较大，试验所需的砝码质量较多，给试验带来麻烦，除砝码加载的精度外，砝码搬运和放置也使砝码法显得现实。在后期的制动器标准中引入了静态制动力矩液压法的概念［4］。

(1)当被试制动器制动力不大于2 000 N时试验宜采用砝码法，大于2 000 N时宜采用液压法。

(2)根据被试制动器制动力值，计算所需液压缸出力P。

(3)将被试制动器调整至额定制动弹簧力(常开式无此要求)和额定制动退距状态，使被试制动器对制动偶件实施制动。

(4)分散剂调节液压缸出力，逐级逐次增加，逐步观查制动偶件动作情况。第一级达到90%P(可圆整)左右，第二级达到95%P(可圆整)左右，再加第三级(每次增加的力不应大于2%P)，直至制动偶件产生动作时停止。

(5)制动偶件产生动作前一次液压缸出力，即为被试制动器静态制动力实测值。

(6)由力臂长度计算出制动力矩大小。

试验应在相同条件下进行3次，取平均值作为试验结果。

2.3 静态制动力矩检测的电流法

试验台处于静止状态，按规定条件将制动器闭合(抱闸);仅给试验台驱动电机通电并逐渐增加驱动电机电流直至电机产生转动时停止电流增加，试验电流通过电流传感器转换成信号并由计算机自动进行采集，通过运算在计算机上生成试验曲线和试验报告。

2.4 三种检测方法的比较

砝码法要求砝码质量较重、数量较多，且砝码的质量差和砝码组合要巧妙设计，还存在试验精度低、砝码加载费时费力、力矩较大时砝码放置困难等弊端，而砝码法试验台架结构简单，不需控制系统，造价便宜。

液压杠杆法自动加载、自动控制、自动回位、适用制动力范围广、试验效率高、试验精度高，已逐步取代砝码法，而液压杠杆法需要液压系统和控制系统，成本较高。

砝码法和液压法的试验台架基本相同，只在加载方法上有所区别，两者既能测定制动器静态额定制动力矩值，又能模拟起重机制动器支持制动工况，方法简单易行、精度较高，是比较理想的支持制动模拟方法，但都需要专门的试验台架，无法直接安装在动态制动试验系统中。

电流法在动态制动试验系统中通过设置电流传感器进行系统启动电流的测定，进而转化成电动机的电磁转矩与制动力矩平衡，此种测试方法中电动机实际处于堵转状态，必须特别注意控制电枢电流值的大小和变化作用时间，同时也要尽可能控制测试的次数和时间，否则电机发热将影响电动机的工作寿命和正常使用，另外，电流法不能够模拟起重机制动器支持制动工况［5，6-10］。

3 静态制动力矩试验的液压杠杆法原理［11］

试验台处于静止状态，按规定条件将制动器闭合(抱闸);将液压测力装置与试验台连接，给测力液压缸逐渐增压直至试验台转动时停止增压，试验压力由压力传感器转换成信号并由计算机自动进行采集，通过运算在计算机上生成试验曲线和试验报告;计算机用下列公式计算静态制动力矩:

式中:Mbs为静态制动力矩，N·m;p为油缸压力，N/mm2;A为油缸活塞面积，mm2;G2为杠杆质量，kg;L为油缸中心至制动中心的距离，m;a为杠杆重心至制动中心的距离，m。

4 静态制动力矩试验的液压杠杆法结构设计

静态力矩试验机构主要是由杠杆4、杠杆支点7、组合油缸8、称重机构9、滑动座10、接近开关11等零部件组成，如图2所示。

惯性飞轮1的一侧机架上设置有液压装置9，液压装置9采用组合液压缸，通过双液压缸并联，测量范围广、测量更精确;液压装置9通过滑动座10安装于机架上，液压装置9的活塞杆8端部通过螺栓6紧固液压推杆4一端，液压推杆4的另一端固定有齿形块3，惯性飞轮1上通过紧固件固定有齿形结构2，齿形结构2与齿形块3形成啮合传动;位于滑动座10上，还安装有支撑支架7，支撑支架7的端部通过销轴与液压推杆4中部连接，形成支点5。位于滑动座10的一侧安装有传感器11，传感器11用于感应齿式离合器是否啮合与分离到位。

图2 静态力矩试验液压杠杆法原理

该机构工作原理为:

(1)当a口供油压时(此时为小力矩)，活塞杆8向上升起，从而带动液压推杆4绕着支点5逆时针旋转，使与液压推杆4端部啮合传动的惯性飞轮1顺时针旋转，此时，通过操作与计算可以得出相对应的静态力矩。

(2)当b口供油压时(此时为大力矩)，活塞杆8向上升起，通过上述同样的操作方式，可在操作软件上显示出相对应的静态力矩。

(3)当c口供油压时，活塞杆8向下移动(收回)，液压推杆4绕着支点5顺时针旋转，从而使与液压推杆4端部啮合传动的惯性飞轮1逆时针旋转，此时，静态制动力矩试验复位，达到下一次静态制动力矩试验的装备状态。

5 静态制动力矩试验台液压杠杆法设计实例

用于配合工业制动试验台检测制动器静态摩擦力矩大小的装置;以此试验数据为依据，通过相关计算，得到静态时的制动力、摩擦系数等相关数据。适用于各种高低速、盘式或块式制动器，其结构如图3所示。

图3 静态力矩试验装置

5.1 主要技术参数

IBT110-500工业制动器综合性能试验台的静态力矩试验台架参数如下:①液压缸工作行程:0～150 mm;②测试力矩范围:300～30 000 N·m;③液压缸工作油压:1.2～16 MPa;④外形尺寸(长×宽×高):772 mm×382 mm×1 100 mm;⑤配用液压系统流量:4 L/m，压力:1.2 ～17 MPa。⑥总重:366 kg

5.2 技术特点

(1)组合油缸双缸结构，测量范围广、测量更精确。静态制动力矩小于3 000 N·m时使用小缸，大于3 000 N·m时使用大缸。

(2)设置有高精度推、拉力传感器，可以将准确的信号反馈电脑，读取力矩。

(3)滑动式结构，当不需要静态力矩测试时，可调整滑动座，非常简洁的脱离惯性台，操作方便。

(4)设置有接近开关与滑动座感应保护，当静态力矩机构未脱离时，接近开关将惯性台电机处于锁定状态，保证电机无法启动，从而达到安全可靠性能。

5.3 液压系统工作原理

如图4所示，系统通过液压站供压，当为A口供油压时为可测试力矩为300～3 000 N·m，活塞杆以7.5 mm/s的速度向上升起，同时KM02H1型重量变送器采集推力;当为B口供油压时可测试力矩为3 000～30 000 N·m，活塞杆以7.5 mm/s的速度向上升起;油缸8的活塞杆推动杠杆运动，从而使惯性盘1转动，当惯性盘转过设定的角度后，计算机采集系统收到监测惯性轮转动的接近开关传来的停止信号，使液压站停止工作，系统停止工作，通过计算可在软件上显示出相对应的静态力矩。当为C口供油压时，可将活塞杆收回，惯性轮回到初始状态。