基于功能安全分级的起重机智能制动器制动频率区间研究*

2021-12-03孙远韬黄重阳陈凯歌秦仙蓉

起重运输机械 2021年22期

孙远韬黄重阳陈凯歌张氢秦仙蓉

同济大学机械与能源工程学院上海 201804

0 引言

制动器作为各型起重机起升和行走机构的核心安全部件，对保障其安全运行起着至关重要的作用。制动器主要有2个功能：消耗载荷的动能和停止载荷的运动。随着起重机的运动惯量和运动速度不断提高，为令制动的中间过程可控，避免制动过急造成传动系统乃至整机结构的损伤，智能型制动器应运而生[1,2]。

主流的常闭式智能型制动器由制动弹簧按压摩擦材料以保持制动器的常闭状态，而电液推动器则通过一支杠杆来压缩弹簧以实现开闭的中间过程，故电液推动器的驱动电机频率决定了制动力的大小。为了保证这种功能复杂多样的新型智能制动器的安全可靠，需要对其功能安全特性进行研究。国际电工委员会曾提出了功能安全的概念，其中SIL[3-5]是IEC61508—《电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全》中的一个重要概念，SIL基于风险和安全的概念展开，SIL越高，系统越安全，风险越低。

制动频率是智能型制动器的核心参数，因而从频率入手以保证其制动可靠性是重中之重。此前，文献[6]提出了一种基于功能安全的起重机安全防护系统设计方法，文献[7] 进一步对这种方法进行了实施，实施对象为起重机用智能制动器。在进行SIL划分时，主要考虑了制动器机械结构静强度的可靠性及失效概率，但智能制动器的运行受到驱动电机的频率波动制约，导致其制动过程中存在可靠性问题。因此，本文基于功能安全设计方法，对某型智能制动器进行制动实验，采集制动力在各频率下的数学分布规律，据此建立功能函数，采用蒙卡方法计算离散可靠度，继而回归失效概率曲线，再根据目标SIL等级，对智能型制动器的频率进行范围优选，建立智能型制动器基于功能安全的最优制动频率范围，进一步保障智能型制动器的可靠性。过程如图1所示。

图1 基于功能安全的优化设计方法

2 常闭式智能型制动器制动实验

2.1 电液型智能制动器

如图2所示，电液型制动器的组成部分包括电液推动器、制动弹簧、闸块、杠杆系等[8]。制动路径为：驱动电机推动电液推动器，继而通过杠杆系统改变对制动弹簧的压力，最终改变制动力。

图2 智能型制动器

当忽略电液推动器活塞与液压缸之间的摩擦时，可知活塞的受力包括制动弹簧和复位弹簧对活塞的力F1（其大小与活塞的行程有关），油液对活塞的推力F2。

油液对活塞的推力F2来自电液推动器，其内部构造如图3所示。下部电动机接通后使联通液压油的叶轮高速旋转，依靠离心力通过液压油推动上部活塞产生推力，此推力即制动器的开启力。改变电机的频率f即可改变它的转数，从而改变离心力的数值，进而改变了推力F2。

图3 电液推动器剖面图

制动器施加在制动盘表面的正压力为

式中：N为制动盘正压力，L为杠杆系统放大系数，m为推杆和活塞的质量。

杠杆系统放大系数为[9]

式中：Me为额定制动力矩，D为制动理论摩擦直径，F为推动器额定推力，μ为摩擦系数，η为机构总传动效率，取0.85，φ为推力利用系数，取0.95。

当F2=0时，制动器处于完全制动状态；当F2＞(F1+mg) 时，处于松闸状态；当 0＜F2＜(F1+mg)时，则处于制动与松闸的过渡状态。

2.2 实验原理及方法

为探究制动力与频率的数学关系，并基于功能安全建立频率优化模型，进行了制动力实验，在实验中，针对YP21LZ-800-630*30型号的5台制动器进行测试。试验中共需记录的数据为额定弹簧预紧力下随频率变化的静态制动力以及最大弹簧预紧力下随频率变化的静态制动力。

如图4所示，试验系统由制动器、变频器、压力传感器（带仪表）以及若干导线组成。由于在试验前期的准备测试中，传感器读数的偏差较大，且传感器很长一段时间未被使用，所以首先需要对试验用压力传感器进行标定，标定使用的校验标准仪器是输出压强可调的油压机，标定后，将传感器夹在制动盘之间进行试验。在制动器预紧弹簧的预紧力矩分别调为额定值和最大值的情况下，通过缓慢增加变频器的频率，改变电机的输入频率（此过程可忽略开启过程中的惯性力），读取此时压力传感器的读数即为此频率下实际的静态制动力的大小。

图4 实验布置图

在实验中，手动打开制动器的制动盘，在制动盘之间放入压力传感器，通过在传感器上添加吊耳以固定其位置。先将制动器的预紧弹簧力矩值调至额定值，从0开始，通过面板按钮，以1 Hz为步长，逐渐调高变频器的输出频率，通过显示仪记录相应频率值的制动力读数，同时记录实时功率作为参考。观测电液推杆运动，当推杆打开时即停止。再从推杆打开频率开始，逐渐降低变频器的输出频率，仍以1 Hz为步长，降至0 Hz，并记录制定力与实时功率。