起重装备制动器运行状态健康监测

一、概述

制动器是保证复杂起重装备日常安全稳定运行的关键设备，是起重装备最为关键也是最后一道安全保护装置。制动器的作用是使起重装备运动机构或其他设备能按照作业者的要求达到减速、停止，同时具有保证起重机运动机构或机器起到状态停止的要求。起重装备制动系统制动性能的好与坏直接关系到起重装备运行的可靠性、安全性。如果某一台起重装备在工作的过程中出现故障，而又没有及时进行制动并且排除解决故障问题，则不仅有可能会导致起重装备制动器本身损坏，更严重的可能会造成机毁人亡的惨重事故。

二、制动器典型失效模式及失效机理分析

1．制动器典型失效模式

起重装备常用的制动器种类很多，但其基本原理基本相同，因此失效模式也大同小异。本篇以港口起重机常用的电力液压盘式制动器为研究对象分析制动器典型失效模式。

通过对国内大型港口起重装备运输厂及制动器的设计制造单位的调研，分析电力液压盘式制动器系统组成，参照国内外标准、手册和制动器使用维修记录，从结构出发，建立了电力液压盘式制动器典型结构失效层次图，如图1所示。

图1 电力液压盘式制动器典型结构失效层次图

从制动器结构失效图可以看出，制动器失效主要是由机械部分失效和推动器系统失效两大因素引起的，而推动器系统与控制系统有直接的关系，因此制动器机械部分的失效是最容易表征出来的。

对国内外相关制动器失效事故进行一定的分析，发现大部分制动器失效主要表现在两个方面，一是控制信号发出但制动器不开闸，即制动器不正常工作；二是制动转矩不足，当设备出现紧急情况需要急停时，制动器的制动转矩不足而使其不能安全制动（或者在减速阶段不能使卷筒的速度减小）。从图2可以看出，制动器主要的失效模式有制动器不开闸、制动转矩不足、闸瓦磨损不均、空运时间过长及温度过高。

图2 制动器主要的失效模式

2．制动器失效机理分析

1）制动器不开闸

起重机上常用的制动器为常闭式，当起重机从断电停机状态到起动开始工作的状态时，制动器必须解除制动。起重机开始工作时，电动机起动，制动器推杆向上移动，制动臂离开制动盘直到闸瓦完全松开。因此当起重机开始工作，制动器不开闸，其主要原因为控制信号失效、液缸油液不足不能推动制动推杆、活动铰点卡死不能动作以及推动器电动机故障。

制动器不开闸与控制信号失效有着密切的关联。在役起重机尤其对工作十年以上的起重机而言，制动器的电气控制问题故障较多，由GB 7588—2003标准可知，制动器的两个接触器应独立分开控制闸瓦的开合。然而，在现实中，常存在以下情况：制动器的两个控制装置并没有分开；接触器的连接方式为并联。

2）制动转矩不足

在制动器工作时，可以将制动转矩看成由两部分构成，一部分是制动弹簧预紧力产生的制动转矩，用Mt来表示，其值为正；另外一部分是推动器的推力产生的制动转矩，方向与Mt相反，用Md来表示，其值为正。则制动转距M可表示为

另由推动器推力F产生的制动转矩为

式中，N为正压力；F为推力；i为驱动杠杆比；d1为有效摩擦直径；Mt为额定制动转矩；μ为摩擦系数。

由电力液压盘式制动器构造可知，泵的压力与转速、转速与功率都是二次方的关系，而转速与流量是正比例关系，故推动器产生的推力F与制动器电动机转速n的二次方成正比关系，如图3所示。

图3 制动转矩与制动电动机转速关系

式中，ne为电动机额定转速；Fe为推动器在电动机额定转速下的推力。

故制动转矩可表示为

由以上公式可见，影响制动转矩的主要因素有制动电动机转速、推动器的推力、闸瓦与制动盘之间的摩擦系数、闸瓦间隙、主弹簧预压量等，而造成制动转矩不足主要有三个方面的原因，即正压力不足、摩擦系数下降、制动盘接触面不足。

引起正压力不足的原因主要有四点：一是闸瓦间隙过大造成正压力不足；二是制动器主弹簧疲劳或断裂而引起的性能降低或失效；三是推动器活塞和液压缸卡住；四是由于推动器液压缸漏油造成制动电动机烧坏。造成摩擦系数下降的原因主要有制动盘污染、制动盘过热和摩擦片磨损严重。制动盘接触面不足的原因主要有两方面：一是制动盘偏摆，由于制动装置安装存在误差、加工误差、周围环境（如振动）的影响，制动装置会存在偏摆；二是由于闸瓦制动时温度过高，而发生疲劳变形，即闸瓦温度的循环变化引起内应力变化并产生疲劳破坏。

3．空运时间过长

制动器开始起动到投入有效制动转矩的时间为上闸时间，制动器理论响应时间为0．3～0．5s。由于制动器开闸间隙大、油液回流慢、弹簧疲劳或者拉杆铰点故障等，易造成空运时间过长，使制动距离太长，引发起重机安全事故，即为制动失效。

其原因主要有以下三点：

第一是退距距离过长。这样会造成制动器闭合时闸瓦的行程变大，从而造成闭合时间过长。

第二是制动器液压缸阻力过大。当制动器在闭合时，推杆向下移动，此时液压缸的油液会对推杆有阻力作用，如果液压缸阻力过大，推杆复位的时间就会加长，容易造成空运时间过长。

第三是密封圈损坏。制动器上闸瞬间推动器液压缸回路存在一定的压力，如果密封圈损坏，则会造成压力不足而影响推杆移动的时间，因此会影响空运时间。