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1、2023/3/27,1,起重机制动过程分析与制动器选用原则,武汉理工大学物流工程学院 胡吉全,2023/3/27,起重机制动与制动器,起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,起重机平移性负载工作机构制动分析,起重机制动及制动器的选用原则,内容简介,位能性负载工作机构安全制动特性分析,起重机安全制动器的控制,2023/3/27,1.起重机制动与制动器,起重机制动制动器摩擦副之间产生的摩擦力矩消耗起重机工作机构的动能，使机构减速和停车。制动按作用分：支持制动将起升物品通过制动支持在悬空状态减速制动将运动的物品或运动质量通过制动进行减速安全制动在起重机工作机构非正常运行时进行制动以防事故发生,1.
2、1 起重机的制动,2023/3/27,1.起重机制动与制动器,制动器产生摩擦阻力矩而达到制动目的一种装置。港口起重机工作制动器一般采用液压推杆轮式（图1）或盘式结构（图2）。,1.2 起重机制动器,图2 盘式制动器,图1 轮式制动器,2023/3/27,1.起重机制动与制动器,安全制动器设置在传动系统的低速端可以产生很大摩擦阻力矩而达到安全制动目的一种装置。港口起重机安全制动器一般采用液压操作的盘式结构（图1）或轮毂带式结构（图2）。,1.2 起重机制动器,图1 盘式安全制动器,图2 带式安全制动器,2023/3/27,1.起重机制动与安全制动器,盘式安全制动器（图1）工作原理：设置在起重机卷
3、筒上，通过一台或多台夹钳的夹紧作用以产生足够的制动力矩阻止卷筒旋转。带式结构安全制动器（图2）工作原理：设置在起重机卷筒上，通过收紧制动带使之在制动鼓上产生足够的摩擦力矩阻止卷筒旋转。安全制动通过液压系统操作，每套制动装置需配相应的液压工作站,1.2 起重机制动器,图1 盘式安全制动器,图2 带式安全制动器,2023/3/27,1.起重机制动与制动器,1.2 起重机制动器,盘式制动器轮式制动器相比的优点,制动盘的惯性小同一种制动器的规格尺寸可以用不同的制动盘的直径所用的摩擦材料允许更高的作业速度和制动器衬片可承受更高温度，因此紧急情况下提供更高水平的性能采用无机摩擦材料，其摩擦特性很少受腐蚀、
4、污染和湿度的影响盘式制动器衬与轮式制动器衬相比，假如它们用于同样的场合，其寿命长50至100%,起重机运行机构常使用的惯性制动器和“三合一”传动制动器都是采用盘式制动器。,2023/3/27,1.起重机制动与制动器,1.3 与制动相关的起重机特征参数,a）起重机的载荷性质位能性载荷：起升机构支承载荷、变幅机构支承载荷等；平移性载荷：回转机构支承载荷、运行机构支承载荷等。,b）起重机工作机构的惯性特征 对某一台起重机一般可根据不同工作机构运行驱动的相对质量大小来判断。门座起重机的起升机构可认为是小惯量机构变幅机构是中等惯量机构回转和大车运行机构是大惯量机构。,2023/3/27,2.起重机位能性
5、负载工作机构制动器的制动过程,在起重机工作中具有位能性负载的工作机构制动有以下两种制动过程：货物下降紧急停止制动和货物上升紧急停止制动，都可以通过机械制动器和电制动分别实现。,2.1货物下降紧急停止机械制动器制动过程分析,（1）制动时间起升机构总的制动时间,式中：货物下降加速时间，即制动器进入动作的时间 也即制动器的协调时间，可以根据传动机构的 情况取为，最坏情况可取。有效制动时间，,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,有效制动时间：,式中：制动器在 秒后开始制动时的电机转速 起升系统总的转动惯量 由负荷转换到电机轴上力矩 有效制动力矩,2023/3/27,2.起
6、重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,公式（2-1）各参数的求解,式中：货物正常下降时的电机转速 在 秒内由负荷转换到电机轴上力矩 作用增加的电机转速,式中：电机、制动轮、齿轮箱换算到电机轴上的转动惯量 由负荷换算到电机轴上的转动惯量 L为作用在卷筒上的钢丝绳拉力（KN）,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,公式（2-1）各参数的求解,式中：L 作用在卷筒上的钢丝绳拉力（KN）,式中：制动器制动力矩（Nm）,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,2）制动距离,起升机构制动距离是指在制动期间货物产生的总位移，可通过卷筒上钢丝绳的位移计算
7、。,制动期间钢丝绳在卷筒上的总位移按公式（2-2）求解,式中：在 秒时间内钢丝绳在卷筒上的位移（m）在 秒制动减速时间内钢丝绳在卷筒上的位移（m）,2023/3/27,式中：货物正常下降时卷筒上钢丝绳的速度 制动开始时卷筒上钢丝绳的速度，按 求解 其中：对应速度 的电机转速 对应速度 的电机转速,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,公式（2-2）各参数的求解,式中：制动开始时卷筒上钢丝绳的速度 制动减速时间,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,3）制动时间、速度、距离特性图,图5货物下降紧急停止制动时间、速度和距离特性图,2023/3/27,2.起重机位
8、能性负载工作机构制动器的制动过程,2.货物起升紧急停止机械制动器制动过程分析,（1）制动时间起升机构总的制动时间,式中：货物下降加速时间，即制动器进入动作的时间 也即制动器的协调时间，可以根据传动机构的 情况取为，最坏情况可取。有效制动时间，,可按求解，其中，为货物正常下降时的电机转速，其余参数的意义与前所述相同,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,2）制动距离,起升机构制动距离是指在制动期间货物产生的总位移，可通过卷筒上钢丝绳的位移计算。,制动期间钢丝绳在卷筒上的总位移按公式（2-）求解,式中：在 秒时间内钢丝绳在卷筒上的位移（m）在 秒制动减速时间内钢丝绳在卷
9、筒上的位移（m）,2023/3/27,式中：货物正常上升时卷筒上钢丝绳的速度 制动开始时卷筒上钢丝绳的速度，,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,公式（2-）各参数的求解,式中：制动开始时卷筒上钢丝绳的速度 制动减速时间,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,3）制动时间、速度、距离特性图,0,图起重机货物上升紧急停止制动时间、速度和距离特性图,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,2.货物下降紧急停止电机全力矩制动过程分析,（1）制动时间起升机构有效制动时间,式中：电机的计算力矩，按下式求解：与电机力矩对应的电机转速，按下式求
10、解：,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,2）制动距离,起升机构制动距离是指在制动期间货物产生的总位移，可通过卷筒上钢丝绳的位移计算。,制动期间钢丝绳在卷筒上的总位移按公式（2-）求解,式中：货物正常下降时卷筒上钢丝绳的速度 制动减速时间,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,3）制动时间、速度、距离特性图,图起重机货物下降紧急停止制动期间制动时间、速度和距离特性图,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,2.货物上升紧急停止电机全力矩制动过程分析,（1）制动时间起升机构有效制动时间,式中：电机的计算力矩，按下
11、式求解：与电机力矩对应的电机转速，按下式求解：,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,2）制动距离,起升机构制动距离是指在制动期间货物产生的总位移，可通过卷筒上钢丝绳的位移计算。,制动期间钢丝绳在卷筒上的总位移按公式（2-）求解,式中：货物正常上升时卷筒上钢丝绳的速度 制动减速时间,2023/3/27,2.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程,3）制动时间、速度、距离特性图,图8起重机货物上升紧急停止制动期间制动时间、速度和距离特性图,2023/3/27,.起重机平移性负载工作机构制动分析,平移性负载工作机构制动特点：制动过程简单，如大车运行、小车运行、回转机构
12、制动器开始制动时运动部分的速度总会比正常运行低可以采用机械制动和电制动两种方法制动开始作用是和电机断电同步的，当采用电制动时，则不会获得由于外阻力作用而使运动部分减速的帮助,2023/3/27,.起重机平移性负载工作机构制动分析,）平衡力矩分析计算,起重机运行时运行阻力和制动力矩使起重机减速，风和直线运行质量以及旋转运动质量的惯性力驱动起重机运行，故力矩平衡方程式为：,式中：由制动期间运行阻力转换到电机轴上力矩 制动器制动力矩（Nm）制动期间的风阻力矩（Nm）直线运动质量的惯性力转换到电机轴上的力矩旋转运动质量的惯性力转换到电机轴上的力矩：,2023/3/27,.起重机平移性负载工作机构制动分
13、析,公式（-1）参数的求解,式中：运行部分总重量（kN）起重机运行阻力系数驱动车轮半径（m）电机到车轮之间的减速比，求解公式：,2023/3/27,.起重机平移性负载工作机构制动分析,公式（-1）参数的求解,式中：直线运动质量的惯性力，求解公式：驱动车轮半径（m）电机到车轮之间的减速比，求解公式：,式中：旋转质量转换到电机轴上的转动惯量,2023/3/27,.起重机平移性负载工作机构制动分析,）制动时间,起重机的运行制动时间,）制动距离,起重机在运行制动时间内的制动距离按公式（）求取,说明：起重机的运行制动时间、制动距离和制动器的制动力矩可以根据已知条件分别进行计算。当起重机运行采用电制动时，
14、只需将制动力矩 用电机计算力矩 替代即可。,2023/3/27,.起重机制动及制动器的选用原则,起重机制动性能评价指标制动时间制动距离平稳的制动过程,2023/3/27,选用原则,单纯采用机械制动、单纯采用电制动都有一定的缺点，将机械制动和电制动联合使用是一种很好的制动方式，它可通过电制动减速，机械制动停车，在满足制动效果的情况下使制动冲击尽可能小。,.起重机制动及制动器的选用原则,起重机工作制动器的构造型式一般分为轮式和盘式，一定条件下可优先选用盘式制动器，当制动器联接轴的速度特别高时尤其应该考虑。起重机高速轴上的盘式制动器必须成对使用，已免造成制动器联接轴上的附加径向载荷。,制动器的选择依
15、据主要是制动力矩，安全系数的选取除满足起重机设计规范外还应考虑制动器使用的场合和负载的性质，即是位能性负载还是平移性负载。制动时间的确定应充分考虑机构的惯性特征，小惯量机构可选较短的制动时间，大惯量机构应取较长的制动时间。制动距离也应与此相对应。,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,起重机具有位能性负载的工作机构主要有起升机构、臂架非平衡式变幅机构和大梁俯仰机构等。,图3 制动计算模型图,卷筒钢丝绳牵引的上述机构安全制动计算模型均可简化为图3所示的模型。,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,断轴分为三种形式：（a）当电动机输出轴发生断裂或高速轴联
16、轴器失效时，传动系统的高速轴的两个制动器和低速轴的安全制动器能同时参与制动；（b）当减速器输入轴发生断裂时，传动系统的高速轴的一个制动器和低速轴的安全制动器能同时参与制动；（c）当减速器中间轴或输出轴发生断裂时，仅有低速轴的安全制动器参与制动，高速轴的制动器将不起作用。,5.1断轴状态下的安全制动时间及冲击力,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,制动计算模型如图3所示，由力和力矩平衡建立制动的数学模型如公式2-1所示。,5.1断轴状态下的安全制动时间及冲击力,图3 制动计算模型图,（2-1）,（2-2）,由公式（2-1）及 可得公式（2-2）：,2023/3/27,5.
17、位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.1断轴状态下的安全制动时间及冲击力,图3 制动计算模型图,（2-2）,式中：加速度（）；角加速度（）；,物品质量（kg）；卷筒半径（m）；,卷筒轴上的等效转动惯量（）；制动力矩（）；K制动状态下的钢丝绳载荷增大倍数；,t 运动时间（s）；初、末速度（）；s 运动行程（m）,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.1断轴状态下的安全制动时间及冲击力,发生断轴后，物品从开始加速至制动停止可分为以下三个阶段：a）发生断轴时，系统的状态可能是无动作的静止状态，也可能是额定速度的运动状态。当物品在自身重力的作用下从静止开始自由滑落，物品通过
18、钢丝绳带动卷筒加速转动，当卷筒转速达到其额定转速 一定倍数 时，由超速开关发触发制动器启动，这个过程经历的时间及钢丝绳绕出卷筒的长度均比运动状态大，因此只须考虑上述的第一种系统状态。,将，代入公式（2-2）得：,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.1断轴状态下的安全制动时间及冲击力,b）当卷筒转速达到其额定转速 一定倍数 时，安全制动器被触发启动，制动器从启动至投入有效制动力矩所经历的时间为上闸时间，此时认为制动器上闸前的制动力矩近似为零，也即在制动器上闸前物品仍处于自由滑落状态。制动器上闸时钢丝绳绕出卷筒的线速度为 及在上闸时间 内钢丝绳绕出卷筒的长度为。,将，代
19、入公式（2-2）得：,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.1断轴状态下的安全制动时间及冲击力,将，代入公式（2-2）得：,c）制动器上闸后开始起制动作用，物品作匀减速运动，从制动器上闸开始至物品停止下落经历的时间为 和钢丝绳绕出卷筒的长度为。,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.1断轴状态下的安全制动时间及冲击力,综合（a）（b）（c）三阶段，物品从静止开始自由滑落至制动停止所经历的总时间和钢丝绳绕出卷筒的长度分别为：,制动过程中的钢丝绳载荷增大倍数：,物品下降的总距离：,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.2
20、紧急停止状态（突然失电）的制动时间及冲击力,此过程中物品的运动分为两个阶段，第一阶段为物品以额定速度为初速度，经 时间段的匀加速运动；第二阶段为物品在制动器的制动作用下做匀减速运动，直至停止下落。,在制动器经过上闸之前物品处于自由滑落，物品以额定速度为初速度，经 时间段的匀加速运动后的速度为 及钢丝绳绕出卷筒的长度为；,将，代入公式（2-2）得：,2023/3/27,5.位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.2紧急停止状态（突然失电）的制动时间及冲击力,制动器上闸后开始起制动作用，物品作匀减速运动，从制动器上闸开始至物品停止下落经历的时间为 和钢丝绳绕出卷筒的长度为。,2023/3/27,5
21、.位能性负载工作机构安全制动特性分析,5.2紧急停止状态（突然失电）的制动时间及冲击力,从失电时刻开始至物品停止滑落所经历的总时间和钢丝绳绕出卷筒的总长度：,物品下降的总距离：,制动过程中的钢丝绳载荷增大倍数：,2023/3/27,安全制动器的工作方式是当起重机得电以后，液压工作站启动，制动器打开，在起重机正常工作中，制动器处于常开状态，当发生超速或起重机停电时制动器自动上闸。工作中也可以设定当起重机超过一定时间不动作，安全制动器也自动上闸。,6.起重机安全制动器的控制,安全制动器的超速控制设定一般为1.11.2倍额定速度，但制动器的选型计算依据为1.5倍额定速度。安全制动器选型与工作制动器不同，取制动力矩时并不考虑安全系数，其原因是安全制动在出现事故时动作，属于状态控制，只要制动器在1.5倍额定速度状态下能正常动作，且有足够的制动力矩使物品在移动一定的距离后停止即可。,安全制动器可以根据制动力矩的要求选用多台同时工作，采用并联控制。机构要求的总制动力矩可以平均分配给每台制动器，只考虑制动器总制动力矩的安全裕量，并不考虑每台制动器的裕量。,2023/3/27,谢谢！Thanks for your tips!,The end!,
