一、概述

制動器是保證復(fù)雜起重裝備日常安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，是起重裝備最為關(guān)鍵也是最后一道安全保護(hù)裝置。制動器的作用是使起重裝備運(yùn)動機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備能按照作業(yè)者的要求達(dá)到減速、停止，同時具有保證起重機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)或機(jī)器起到狀態(tài)停止的要求。起重裝備制動系統(tǒng)制動性能的好與壞直接關(guān)系到起重裝備運(yùn)行的可靠性、安全性。如果某一臺起重裝備在工作的過程中出現(xiàn)故障，而又沒有及時進(jìn)行制動并且排除解決故障問題，則不僅有可能會導(dǎo)致起重裝備制動器本身損壞，更嚴(yán)重的可能會造成機(jī)毀人亡的慘重事故。

二、制動器典型失效模式及失效機(jī)理分析

1.制動器典型失效模式

起重裝備常用的制動器種類很多，但其基本原理基本相同，因此失效模式也大同小異。本篇以港口起重機(jī)常用的電力液壓盤式制動器為研究對象分析制動器典型失效模式。

通過對國內(nèi)大型港口起重裝備運(yùn)輸廠及制動器的設(shè)計制造單位的調(diào)研，分析電力液壓盤式制動器系統(tǒng)組成，參照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、手冊和制動器使用維修記錄，從結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立了電力液壓盤式制動器典型結(jié)構(gòu)失效層次圖，如圖1所示。

圖1 電力液壓盤式制動器典型結(jié)構(gòu)失效層次圖

從制動器結(jié)構(gòu)失效圖可以看出，制動器失效主要是由機(jī)械部分失效和推動器系統(tǒng)失效兩大因素引起的，而推動器系統(tǒng)與控制系統(tǒng)有直接的關(guān)系，因此制動器機(jī)械部分的失效是最容易表征出來的。

對國內(nèi)外相關(guān)制動器失效事故進(jìn)行一定的分析，發(fā)現(xiàn)大部分制動器失效主要表現(xiàn)在兩個方面，一是控制信號發(fā)出但制動器不開閘，即制動器不正常工作；二是制動轉(zhuǎn)矩不足，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)緊急情況需要急停時，制動器的制動轉(zhuǎn)矩不足而使其不能安全制動（或者在減速階段不能使卷筒的速度減?。?。從圖2可以看出，制動器主要的失效模式有制動器不開閘、制動轉(zhuǎn)矩不足、閘瓦磨損不均、空運(yùn)時間過長及溫度過高。

圖2 制動器主要的失效模式

2.制動器失效機(jī)理分析

1)制動器不開閘

起重機(jī)上常用的制動器為常閉式，當(dāng)起重機(jī)從斷電停機(jī)狀態(tài)到起動開始工作的狀態(tài)時，制動器必須解除制動。起重機(jī)開始工作時，電動機(jī)起動，制動器推桿向上移動，制動臂離開制動盤直到閘瓦完全松開。因此當(dāng)起重機(jī)開始工作，制動器不開閘，其主要原因?yàn)榭刂菩盘柺?、液缸油液不足不能推動制動推桿、活動鉸點(diǎn)卡死不能動作以及推動器電動機(jī)故障。

制動器不開閘與控制信號失效有著密切的關(guān)聯(lián)。在役起重機(jī)尤其對工作十年以上的起重機(jī)而言，制動器的電氣控制問題故障較多，由GB 7588—2003標(biāo)準(zhǔn)可知，制動器的兩個接觸器應(yīng)獨(dú)立分開控制閘瓦的開合。然而，在現(xiàn)實(shí)中，常存在以下情況：制動器的兩個控制裝置并沒有分開；接觸器的連接方式為并聯(lián)。

2)制動轉(zhuǎn)矩不足

在制動器工作時，可以將制動轉(zhuǎn)矩看成由兩部分構(gòu)成，一部分是制動彈簧預(yù)緊力產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩，用Mt來表示，其值為正；另外一部分是推動器的推力產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩，方向與Mt相反，用Md來表示，其值為正。則制動轉(zhuǎn)距M可表示為

另由推動器推力F產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩為

式中，N為正壓力；F為推力；i為驅(qū)動杠桿比；d1為有效摩擦直徑；Mt為額定制動轉(zhuǎn)矩；μ為摩擦系數(shù)。

由電力液壓盤式制動器構(gòu)造可知，泵的壓力與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速與功率都是二次方的關(guān)系，而轉(zhuǎn)速與流量是正比例關(guān)系，故推動器產(chǎn)生的推力F與制動器電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的二次方成正比關(guān)系，如圖3所示。

圖3 制動轉(zhuǎn)矩與制動電動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

式中，ne為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速；Fe為推動器在電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的推力。

故制動轉(zhuǎn)矩可表示為

由以上公式可見，影響制動轉(zhuǎn)矩的主要因素有制動電動機(jī)轉(zhuǎn)速、推動器的推力、閘瓦與制動盤之間的摩擦系數(shù)、閘瓦間隙、主彈簧預(yù)壓量等，而造成制動轉(zhuǎn)矩不足主要有三個方面的原因，即正壓力不足、摩擦系數(shù)下降、制動盤接觸面不足。

引起正壓力不足的原因主要有四點(diǎn)：一是閘瓦間隙過大造成正壓力不足；二是制動器主彈簧疲勞或斷裂而引起的性能降低或失效；三是推動器活塞和液壓缸卡??；四是由于推動器液壓缸漏油造成制動電動機(jī)燒壞。造成摩擦系數(shù)下降的原因主要有制動盤污染、制動盤過熱和摩擦片磨損嚴(yán)重。制動盤接觸面不足的原因主要有兩方面：一是制動盤偏擺，由于制動裝置安裝存在誤差、加工誤差、周圍環(huán)境（如振動）的影響，制動裝置會存在偏擺；二是由于閘瓦制動時溫度過高，而發(fā)生疲勞變形，即閘瓦溫度的循環(huán)變化引起內(nèi)應(yīng)力變化并產(chǎn)生疲勞破壞。

3.空運(yùn)時間過長

制動器開始起動到投入有效制動轉(zhuǎn)矩的時間為上閘時間，制動器理論響應(yīng)時間為0.3～0.5s。由于制動器開閘間隙大、油液回流慢、彈簧疲勞或者拉桿鉸點(diǎn)故障等，易造成空運(yùn)時間過長，使制動距離太長，引發(fā)起重機(jī)安全事故，即為制動失效。

其原因主要有以下三點(diǎn)：

第一是退距距離過長。這樣會造成制動器閉合時閘瓦的行程變大，從而造成閉合時間過長。

第二是制動器液壓缸阻力過大。當(dāng)制動器在閉合時，推桿向下移動，此時液壓缸的油液會對推桿有阻力作用，如果液壓缸阻力過大，推桿復(fù)位的時間就會加長，容易造成空運(yùn)時間過長。

第三是密封圈損壞。制動器上閘瞬間推動器液壓缸回路存在一定的壓力，如果密封圈損壞，則會造成壓力不足而影響推桿移動的時間，因此會影響空運(yùn)時間。

三、制動器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容

1.推桿位移監(jiān)測

推桿位移是評價制動器性能好壞的重要指標(biāo)，監(jiān)測推桿位移就是監(jiān)測推桿上下制動位移量S，制動器每次在制動時有向上的位移量S，根據(jù)JB/T 10603—2006對推動器額定行程S的規(guī)定，當(dāng)推力為1250N時，S為60mm或120mm；起重機(jī)工作時，推動器工作推動制動器推桿向上移動，推桿位移量是反映制動器是否正常工作最直觀的參數(shù)，因此推桿位移是最佳的選擇監(jiān)測點(diǎn)。圖4所示為推桿位移監(jiān)測量示意圖。

圖4 推桿位移監(jiān)測量示意圖

由于電力液壓盤式制動器為常閉式制動器，在起重機(jī)不工作時，常閉式制動器的支持制動可使各機(jī)構(gòu)正常工作斷電停止時，克服重力或風(fēng)載等外力作用，進(jìn)行制動防溜保持停止。當(dāng)推桿沒有向上移動即保持制動狀態(tài)時，測得的位移量X=0，由于制動器在X=0的狀態(tài)下為制動狀態(tài)，則監(jiān)測系統(tǒng)顯示為制動狀態(tài)；當(dāng)起重機(jī)起動后，電動機(jī)起動，制動器開閘，推桿向上移動X，當(dāng)X=S時，制動器閘瓦完全打開，卷筒開始工作，則監(jiān)測系統(tǒng)顯示為制動開閘狀態(tài)。

2.制動溫度監(jiān)測

制動盤面和摩擦襯片摩擦?xí)r產(chǎn)生的溫度影響制動器性能。由于制動盤與摩擦片直接相接觸，制動時靠摩擦力制動溫度越高，表示摩擦得越好，制動效果越好，但是溫度不是越高越好，而是有一定的范圍。當(dāng)溫度達(dá)到摩擦材料失效的臨界值時，材料本身的性能會退化，從而造成制動時制動效果衰退。因此溫度監(jiān)測是判斷制動器制動盤是否損傷的一個重要指標(biāo)。

3.制動退距監(jiān)測

制動退距是指制動閘瓦與制動臂連接，內(nèi)圓柱面上可安裝制動襯墊的零部件后退距離。起重機(jī)規(guī)程中明確要求檢查制動器的退距，即制動輪松開時，制動閘瓦與制動輪各處間隙應(yīng)基本相等。制動器驅(qū)動裝置的工作行程調(diào)整與制動襯墊的總退距有直接的關(guān)系，制動器起動時，如果出現(xiàn)一邊退距大，一邊打不開而始終摩擦，則會造成單邊摩擦溫度過高，降低制動器的制動性能，同時也會使制動襯墊磨損加快。因此退距是評價制動器制動性能的重要指標(biāo)參數(shù)。

4.制動轉(zhuǎn)矩監(jiān)測

當(dāng)推動器電動機(jī)驅(qū)使離心泵旋轉(zhuǎn)，利用油壓推動活塞桿上下移動，由于力具有傳遞性，油壓活塞的推力傳遞到制動器推桿，經(jīng)制動臂作用在軸瓦與摩擦副的表面，從而形成正壓力。

電力液壓盤式制動器依靠摩擦片與制動盤的摩擦力的作用達(dá)到制動效果，由于制動力是判斷制動器能否制動的一個重要指標(biāo)，但由于閘瓦摩擦片與制動盤直接接觸，則制動閘瓦的正壓力需要采用潛埋式壓力傳感器，長期監(jiān)測效果并不是很理想。因此采用間接法監(jiān)測推桿的推力F。圖5所示為電力液壓盤式制動器簡圖。

圖5 電力液壓盤式制動器簡圖

制動輪的正壓力與推桿推力之間的關(guān)系為

制動轉(zhuǎn)矩為

式中，N為對制動輪的正壓力（單位為N）；F為推桿推力（單位為N）；D為制動輪直徑（單位為mm）；f為摩擦系數(shù)；NM為最大額定彈簧閘力（單位為N）。

5.制動盤偏擺監(jiān)測

制動盤的偏擺量是一項(xiàng)重要的監(jiān)測參數(shù)，一般而言，偏擺量對制動器的好壞沒有什么直接的反映，但是，制動盤的偏擺量的大小值卻可以從另一方面反映制動臂與制動盤能夠有效接觸的面積大小。如果在起重機(jī)進(jìn)行制動時，制動摩擦片與制動盤不能夠有效地接觸，則制動器的制動轉(zhuǎn)矩有可能會小于標(biāo)準(zhǔn)值，從而使起重機(jī)無法及時地制動，容易發(fā)生安全事故。此外，如果制動盤偏擺量過大，也會導(dǎo)致制動片磨損過大，從而降低制動臂摩擦片的使用壽命。因此，對制動器制動盤偏擺量進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，具有重要的意義。為了使偏擺傳感器的安裝方便，同時為了能夠長期監(jiān)測并得到準(zhǔn)確的數(shù)值，結(jié)合電力液壓盤式制動器的構(gòu)造，傳感器安裝在制動臂架內(nèi)并與制動盤平行。

四、起重裝備制動器性能監(jiān)測系統(tǒng)

1.監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。硬件系統(tǒng)主要包括主機(jī)部分、信號采集卡、信號調(diào)理部分、傳感器等。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖

1)壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩是評價制動性能的重要參數(shù)，但根據(jù)制動器的結(jié)構(gòu)可知，如果直接安裝轉(zhuǎn)矩傳感器在制動器上是很困難的，因此間接監(jiān)測制動主彈簧的正壓力，再換算成相應(yīng)制動時刻的轉(zhuǎn)矩。

力學(xué)傳感器種類很多，結(jié)合制動器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、監(jiān)測位置特性，選用壓阻式壓力傳感器。如圖7所示，壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)是采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。

圖7 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2)位移傳感器

（1）制動推桿所用傳感器

根據(jù)制動器推桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮行程量的精度，選用新型的非接觸式電感傳感器，如圖8所示。傳感器測量采用非接觸、無磨損的測量方式，其特點(diǎn)就是精確度高、線性度好，并能保證其使用壽命和制動推桿在任何情況下無妨礙工作。

圖8 非接觸式電感傳感器

非接觸式電感傳感器采用電壓信號測量。線圈特殊的布置方式確保PLC電路和傳感器信號的穩(wěn)定性，即便在允許范圍內(nèi)（0～4mm）出現(xiàn)縱向或橫向的移動，信號通過16位高分辨率處理后傳到輸出。所選的傳感器內(nèi)有兩個電子線圈電路板，第一個電路板上布滿了感應(yīng)線圈元件，它的位置在傳感器表面的下方。第二個電路板上分布的是電路的信號處理部分，位于第一個電路板的下方。因此，選擇此型號的傳感器其盲區(qū)非常小。

（2）制動退距所用傳感器

在退距監(jiān)測中選用非接觸式電渦流傳感器，因?yàn)楸绢悅鞲衅鞯母袘?yīng)探頭依靠交變磁場的變化可以測得金屬表面的距離變化，感應(yīng)靈敏，測量中引起的振蕩電壓的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號，從而將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化為電信號的變化。

非接觸式電感位移傳感器安裝在制動器推動器的頂端，位移傳感器的感應(yīng)探頭固定在頂端隨之與推桿一起運(yùn)動。電渦流傳感器測量退距安裝在制動臂內(nèi)側(cè)，傳感器的探頭對準(zhǔn)制動盤，其安裝示意圖如圖9所示。

圖9 位移傳感器安裝示意圖（退距）

1—制動臂 2—傳感器安裝點(diǎn) 3—摩擦片 4—制動盤溫度傳感器

3)溫度傳感器

制動器制動過程中由于摩擦導(dǎo)致溫度較高，如果在制動時摩擦材料或制動盤溫度過高，會降低制動器的制動性能，有可能造成嚴(yán)重的事故。在對制動器制動溫度監(jiān)測時考慮散熱性，在制動盤與摩擦襯片剛好非接觸的時刻應(yīng)為最理想的溫度，但由于臨界接觸狀態(tài)很難直接測得，因此采用非接觸式溫度傳感器。

4)工控機(jī)與采集卡

一個完整的監(jiān)測狀態(tài)診斷系統(tǒng)必須由監(jiān)控軟件和硬件系統(tǒng)組合而成。監(jiān)控軟件的主要功能是在系統(tǒng)獲得外界信號后進(jìn)行處理、分析，監(jiān)測診斷現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況。而硬件系統(tǒng)則是給監(jiān)控軟件提供外界信息的主要來源，是監(jiān)控軟件系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。設(shè)計一套技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)的硬件系統(tǒng)，是保障整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

（1）工控機(jī)

由于起重機(jī)現(xiàn)場工作環(huán)境比較復(fù)雜，工控機(jī)必須要求能夠適應(yīng)振動、沖擊、灰塵等環(huán)境，因此選擇性能穩(wěn)定、可靠性好的工控機(jī)作為系統(tǒng)的主機(jī)。

（2）采集卡

信號采集卡是計算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的橋梁，各類采集信號都需要通過采集卡再輸送到計算機(jī)，為了能夠使系統(tǒng)得到更加穩(wěn)定的、可靠的信號，應(yīng)選擇高性能的采集卡。

2.基于多變量傳感器的制動器性能監(jiān)測系統(tǒng)

基于多變量傳感器的制動器性能監(jiān)測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可分為三部分，第一部分是由計算機(jī)和監(jiān)測軟件構(gòu)成的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)；第二部分是通信接口卡；第三部分是由單片機(jī)以及外圍部件構(gòu)成的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集的智能節(jié)點(diǎn)?？傮w設(shè)計框圖如圖10所示。

圖10 總體設(shè)計框圖

上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)由一臺帶有標(biāo)準(zhǔn)串口的工控機(jī)組成，系統(tǒng)工作過程中下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)對制動推桿位移、制動溫度、退距、正壓力等模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并把處理后的數(shù)據(jù)通過總線傳給通信接口卡，再由通信接口卡把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)據(jù)格式后送向監(jiān)控工控機(jī)。監(jiān)控工控機(jī)發(fā)送下來的總線格式的數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口卡轉(zhuǎn)換成總線協(xié)議格式送向下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)的軟件主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、顯示、數(shù)據(jù)保存、記錄各閘的運(yùn)行情況和監(jiān)測制動器的運(yùn)行狀態(tài)等功能。顯示的數(shù)據(jù)可以與制動器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，若超出限定值，則系統(tǒng)報警；保存的數(shù)據(jù)應(yīng)用于后續(xù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，從而達(dá)到預(yù)診斷的目的。

下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)主要是對如制動推桿位移、制動溫度、退距、正壓力等模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，將處理后的數(shù)據(jù)上傳，同時將數(shù)據(jù)與程序中預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超出限定值，則系統(tǒng)報警，通過對制動系統(tǒng)電控部分的控制達(dá)到對起重機(jī)制動器的緊急保護(hù)功能。

進(jìn)入制動器健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主顯示界面，如圖11所示。反映制動器各性能參數(shù)的狀態(tài)信息均可在主界面顯示，可較直觀地診斷制動器的健康運(yùn)行狀態(tài)。

圖11 系統(tǒng)顯示界面

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