一、概述

制動(dòng)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(dòng)器的作用是使起重裝備運(yùn)動(dòng)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(shí)具有保證起重機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或機(jī)器起到狀態(tài)停止的要求。起重裝備制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)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(tái)起重裝備在工作的過(guò)程中出現(xiàn)故障，而又沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行制動(dòng)并且排除解決故障問(wèn)題，則不僅有可能會(huì)導(dǎo)致起重裝備制動(dòng)器本身?yè)p壞，更嚴(yán)重的可能會(huì)造成機(jī)毀人亡的慘重事故。

二、制動(dòng)器典型失效模式及失效機(jī)理分析

1．制動(dòng)器典型失效模式

起重裝備常用的制動(dòng)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(dòng)器為研究對(duì)象分析制動(dòng)器典型失效模式。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)大型港口起重裝備運(yùn)輸廠及制動(dòng)器的設(shè)計(jì)制造單位的調(diào)研，分析電力液壓盤式制動(dòng)器系統(tǒng)組成，參照國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)和制動(dòng)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(dòng)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(dòng)器典型結(jié)構(gòu)失效層次圖

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

對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)制動(dòng)器失效事故進(jìn)行一定的分析，發(fā)現(xiàn)大部分制動(dòng)器失效主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制信號(hào)發(fā)出但制動(dòng)器不開(kāi)閘，即制動(dòng)器不正常工作；二是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)緊急情況需要急停時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足而使其不能安全制動(dòng)（或者在減速階段不能使卷筒的速度減小）。從圖2可以看出，制動(dòng)器主要的失效模式有制動(dòng)器不開(kāi)閘、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足、閘瓦磨損不均、空運(yùn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及溫度過(guò)高。

圖2 制動(dòng)器主要的失效模式

2．制動(dòng)器失效機(jī)理分析

1）制動(dòng)器不開(kāi)閘

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

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

2）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足

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

另由推動(dòng)器推力F產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

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

由電力液壓盤式制動(dòng)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(dòng)器產(chǎn)生的推力F與制動(dòng)器電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

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

故制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可表示為

由以上公式可見(jiàn)，影響制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要因素有制動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、推動(dòng)器的推力、閘瓦與制動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩不足主要有三個(gè)方面的原因，即正壓力不足、摩擦系數(shù)下降、制動(dòng)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(guò)大造成正壓力不足；二是制動(dòng)器主彈簧疲勞或斷裂而引起的性能降低或失效；三是推動(dòng)器活塞和液壓缸卡住；四是由于推動(dòng)器液壓缸漏油造成制動(dòng)電動(dòng)機(jī)燒壞。造成摩擦系數(shù)下降的原因主要有制動(dòng)盤污染、制動(dòng)盤過(guò)熱和摩擦片磨損嚴(yán)重。制動(dòng)盤接觸面不足的原因主要有兩方面：一是制動(dòng)盤偏擺，由于制動(dòng)裝置安裝存在誤差、加工誤差、周圍環(huán)境（如振動(dòng)）的影響，制動(dòng)裝置會(huì)存在偏擺；二是由于閘瓦制動(dòng)時(shí)溫度過(guò)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)

制動(dòng)器開(kāi)始起動(dòng)到投入有效制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的時(shí)間為上閘時(shí)間，制動(dòng)器理論響應(yīng)時(shí)間為0．3～0．5s。由于制動(dòng)器開(kāi)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使制動(dòng)距離太長(zhǎng)，引發(fā)起重機(jī)安全事故，即為制動(dòng)失效。

其原因主要有以下三點(diǎn)：

第一是退距距離過(guò)長(zhǎng)。這樣會(huì)造成制動(dòng)器閉合時(shí)閘瓦的行程變大，從而造成閉合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

第二是制動(dòng)器液壓缸阻力過(guò)大。當(dāng)制動(dòng)器在閉合時(shí)，推桿向下移動(dòng)，此時(shí)液壓缸的油液會(huì)對(duì)推桿有阻力作用，如果液壓缸阻力過(guò)大，推桿復(fù)位的時(shí)間就會(huì)加長(zhǎng)，容易造成空運(yùn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

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