起重机块式制动器的失效分析及对策

起重机块式制动器的失效分析及对策

沈嘉茜  曹雨舟  陆青阳  张小亮

江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 江苏南通 226000

摘要：在起重机械等特种装备中，制动块式制动是一种将制动过程中所释放的动能转换成热量的设备，对于保障行车安全可靠运行具有十分重要的作用。然而，因采用块式闸时，对其测试不够重视，工作条件较为复杂、工作次数较多等问题，因此有很大的潜在风险，因此，必须对它进行定期的维修和检查，有必要对刹车系统的故障原因进行研究，以便及时地防止刹车故障，保证人们的人身和财产安全。

引言

制动系统是提升设备性能的重要组成部分，它能有效地保障车辆起重机的正常运转。它利用刹车盘之间形成的摩擦力，使整个刹车过程中的热量进行转化，实现了整个刹车过程的顺利运行。当前，大型提升设备在突发事件中往往与刹车装置有关，在突发事件中无法及时有效地刹车，因此，对其故障原因进行研究是非常有必要的，可以有效地防止刹车故障，保证人们的人身和财产的安全。通过对起重机各机械装置的工作分析，发现制动器是起动机正常运转中不可缺少的一个部件。吊车是否能正常工作，直接影响到人民群众的人身和财产的安全，因此，必须对其进行有限元计算和检测，以确保其使用的安全性。

关键词：起重机；块式制动器；；失效

一、用块式制动器的工作原理以及组成

用于起重机械的制动装置，它包含了基座，瓦块，制动臂，推动杆和主弹簧以及液力器和托架7个部件。在正常工作状态下，它的两片瓦块会通过弹力将刹车轮封闭，同时，瓦块垫片和制动轮之间的摩擦可以使行驶中的升降部件进行刹车。在起动后，通过液压传动机构带动推杆，驱动刹车臂伸出，刹车盘可以任意转动。通过刹车保证了吊车的各类作业装置的正确运行，其中，缝隙及主要弹簧限制动扭矩，次弹簧保证叶轮有适当的间隙。当通电时，螺线管松动的铁芯将把电枢吸到推动器上，推动器将左侧的刹车臂推向左侧，从而使主弹簧受压。这时，释放后的次级弹簧将右侧刹车手臂推向右侧，然后左刹车手臂拉动刹车片，使刹车的制动片脱离。刹车盘就会丧失自身的磁力，对电枢的吸引力也会慢慢消失。在主弹力的影响下，两制动臂共同往里摆，此时将会驱动闸瓦夹紧刹车，从而形成刹车力矩。此时，副弹簧受压。

二、起重机用块式制动器的有限元分析

（一）载荷施加和网格划分

对起重机的用块制动器在使用过程中的受力状态进行研究，对其进行了有限元法计算。在此基础上，本文提出了一种基于三维模型的方法，并对其进行了数值模拟。对于车轮制动系统，在制动机构上施加压力时，它的基座一定是固定的。就制动片而言，制动片中包含着制动力矩，利用重力、转矩等测试制动片整体的变形及受力状况，可方便地确定失效的风险点。

（二）有限元分析的结果

对该模型进行了限制，对其进行了剖分，然后进行了有限元的计算。从一个方面对刹车装置进行了全方位的观察，观察到一种应变与一种应力均有减小的趋势。在刹车臂与刹车关节处，结构受力最大。这是由于钢材超过了它们的屈服极限，因此还可用来判定刹车设备是否安全。此时，刹车机构所承受的最大压力将集中在整体支撑及闸臂上，闸瓦所受的压力相对较低。基于该模型，本文对油缸和底座的结构进行了有限元法计算。从分析的结果可以看出，闸瓦块、主弹簧以及止推杆等各构件的载荷与构造位移的分配，各构件的变形较少，各构件的屈服极限都比对应的应力要高，属于具有一定安全储备的弹性状态。而制动瓦块、主弹簧及止推棒三部分的最大变形均出现在各构件末端，且三部分的受力状态也不尽相同。

三、起重机用块式制动器失效的原因

通过对起重机用块式制动器的制动扭矩进行了研究，通过对各种启动机构的选取、计算与分析，得到了该类型刹车机构的数量以及刹车轮的摩擦半径。

（一）制动力和制动间隙。起重机用块式制动器用

在制动轮上，制动轮的尺寸是通过压缩弹簧来确定的，当制动器工作到一定程度后，由于摩擦的作用，制动盘的间隙将发生变化，刹车弹性力将随着制动间隙的增加或减少而降低，从而使制动力降低。研究结果表明，刹车片的磨耗实质是刹车片的弹力，刹车片的间隙对刹车片的制动力力矩有很大的影响。

（二）摩擦系数

随着刹车盘的开启和关闭频率的增加，刹车盘会产生时效现象，从而导致摩擦因数下降。在制动过程中，由于摩擦力的作用，制动沉积物和刹车的温度迅速升高。随着气温的升高，刹车力矩的等级也会越来越低，最后甚至可能引起安全事故，不利于起重机的正常运转。

（三）制动器结构的损坏

当液压电机线圈失效后，由于没有足够的推力，装置就不能松开。由于在摩擦过程中产生了较大的变形，从而对制动器的工作特性产生了较大的影响。

四、起重机用块式制动器的日常维护方式

（一）更换制动衬垫

制动垫属于易损件，在更换制动垫时，如已有的制动垫符合要求，应选择相同厂家的制动垫[6]。如果需要替换其他厂家生产的制动块，请选择与旧制动块相同的尺寸、宽度、强度，以及与原制动块相同的质量。

（二）注意制动器安装的连接尺寸

更换起重机制动块时，务必选择和厂家一样的型号，并且要留意连接的尺寸，避免组装后对制动性能产生不利的影响，乃至彻底报废。另外，还有一点要注意，即使是同一种产品，其大小、接口大小也各不相同。尽管不同型号和规格的制动器，其连接尺寸也有不同的规范，因此，根据装配连接的规模，可以很容易地选取制动器类型，为后期起重机的正常运行提供基础保障。

（三）制动器的功能及性能

在维修或替换吊车刹车装置时，新刹车的特性不应比原装刹车差，而且它的摩擦材料和刹车力矩也不能比原装刹车差。

（四）电源的选用

起重机的制动块，应当尽量使用原型机，或使用相同的性能指数。如果要改变原来的驾驶线路，就会改变原来的驾驶方案，这就带来了许多意外的事故，给人们的生命安全带来很大的威胁。

五、对制动器故障的自监测

通过自动监控指示器实现对制动器的自我监控，检验机构的每一次正常抬起和松开的检验包括：①制动器运行状态的自我监控；②制动力的自我监控；③自动监控刹车系统的运行及刹车系统的制动力。为了实现刹车的自动监控，可以在刹车装置上加装一个微型开关来实现刹车的自动控制；为了实现制动力的自我监控，可以通过测量流经刹车线圈中的电流值来判断刹车力矩。根据刹车系统中各个制动片与刹车片的开闭运动状况，可以判断刹车系统发生故障。

该检测装置主要包括两个部件，一个是高精度的传感器，另一个是多个闸板开关的监控探针。将该传感器安装于动力液压电路中，在每一块制动蹄片上安装有与制动蹄片数目相等的闭合检测探针，从而达到检测各种工况的目的。利用自诊断和实时监控的方法，可以有效地监控刹车系统的运行状况，从而达到及早采取防范和控制的目的。

六、防止制动器制动失效的措施

采取的主要方法是：①保证刹车机构的装配质量，刹车间隙的调节合适，没有卡阻；刹车片与刹车车轮之间的接触一致，刹车扭矩被调节到合适的位置，从而达到刹车的效果；②由维修人员负责对刹车盘进行日常检测及维修，并做好自我检测报告；③加强对起重机员工的安全培训与考评，使其工作标准化，杜绝事故发生，确保整个起重机在运行过程中的安全性。

七、结束语

总而言之，经过对吊车用块式制动器的有限元法和试验研究，清楚地表明，当制动载荷作用下，其最大形变和最大应力都发生在闸臂部：这时，它的屈服值比施加在闸杆上的载荷要大得多，所以可以说它是安全的。在检验时，应从刹车间隙、刹车温度、驾驶员的实际操纵、垫片的磨擦及整个设备的工作状态等方面进行关注，以确保起重机运行的整体安全。

参考文献：

[1] 樊晟 , 沙印 . 起重机用块式制动器有限元分析及检验 [J]. 大众标准化 ,2021.