变频器+液压推杆制动器=起重机的全能制动器

1 关于起重机的全能制动器 在机构系统中作为独立部件的制动装置通称为制动器，分为常开式和常闭式的两种制动器。常开式制动器的常态是打开的，实施制动时由人力或其他动力，对运转中的机构施加并能改变制动转矩，按需调节减速实现平稳准确停车。其优点是具有调节制动转矩的控制制动作用，缺点是在停车后制动转矩消失，缺乏保持制动转矩的支持制动作用。常闭式制动器的常态是闭合的，由预先调定压缩弹簧取得的恢复力产生制动转矩，通电时依靠电动松闸器打开机构运转；实施制动时断电瞬间闭合施加预先调定的制动转矩，使机构急剧减速不可能准确停车并产生惯性冲击。其优点是在断电停车后仍然保持已有的制动转矩，具有支持制动作用，缺点是不能在制动过程中调节制动转矩，缺乏控制制动作用。起重机一般不能采用常开式制动器而必须采用常闭式制动器，利用常闭式制动器的支持制动可使各机构正常工作断电停止时，克服重力或风载等外力作用，进行止动防溜保持停止；非常情况突然断电时则可立即上闸以保证安全，显然这是起重机安全使用的基本条件。正因为如此，才使常闭式的电磁铁制动器和液压推杆制动器成为起重机专用制动器，一直普遍应用至今，多少年来尽管它们在制动性能并无改进，由于缺乏控制制动不能调节减速，不断造成危害严重影响起重机整机效能的发挥。也正因为如此，才使得长期以来不惜工本，利用大量资源用于各种电气制动和调速，其主要目的是为了在实施机械制动前进行调节减速，以解决常闭式制动器缺乏控制制动不能调节减速的问题。 如果有一种制动器能集常开式和常闭式两种制动器的优点于一身，使其兼备支持制动和控制制动两种作用，那么这种制动器就可称得起是起重机的全能制动器。笔者发现实施这一构想并不难，只需改变对现有液压推杆制动器的简单控制。采用变频器对驱动该种制动器的小电机实行变频调速（也可用调压器实行调压调速），就可使液压推杆制动器在原有支持制动作用的基础上兼有控制制动作用，而成为起重机的全能制动器。也就是本文标题概括表示的：变频器+液压推杆制动器=起重机的全能制动器。下面对这一命题进行解析论证。 2液压推杆制动器的作用原理 液压推杆制动器由常闭式瓦块制动器和液压推杆松闸器组成。（见图1）以预先调整弹簧6产生的恢复力为预调上闸力，带动制动臂7使闸瓦8抱紧制动轮9产生相应的制动转矩。通电时制动电机1（即驱动液压推杆的小电动机，下同）带动油泵2转动，将油液打入油缸3形成油压成为推杆4的推力，经杠杆5传递转换为松闸力。当推力增大到能使推杆上升松闸力大于预调上闸力时，则进一步压缩弹簧5带动制动臂7，使闸瓦8脱开制动轮9实现松闸。断电后制动电机1停止运转推杆推力和松闸力消失，推杆4和弹簧5复位在预调上闸力的作用下进行制动。但松闸器存在一定惯性(其中转动体的转动惯量较大)，制动电机1转速从断电时的工作转速到停止的时间内逐渐降低，油压力即推杆推力随其转速平方的比例关系减小，松闸力也相应地逐渐减小。而由预调上闸力与松闸力差值决定的上闸力则逐渐增大，闸瓦8并未完全抱紧制动轮9保持不同程度的密贴，所产生的制动转矩渐加于制动轮，直到制动电机1停止达到并保持预调时的制动转矩。如果能使制动电机1稳定在某一转速上，那么制动器就能产生与该转速相应的制动转矩。若对制动电机实行调速改变其转速，就能调节液压推杆制动器的制动转矩，使其具有控制制动作用。为充分发挥控制制动作用，应预先调定制动转矩达到额定值，并对制动电机实行无级调速，最大限度地连续调节制动转矩，从零转矩直到并保持额定制动转矩。这样的液压推杆制动器兼备支持制动和控制制动两种制动作用，就是起重机的全能制动器。 3 制动转矩与制动电机转速的关系 现推导液压推杆制动器制动转矩M与制动电机转速n之间的函数关系，即M = ƒ(n )的数学表达式。如图1所示的各部受力和相关尺寸，忽略自重和机械效率，分别以制动臂7和制动轮9为对象有以下的静力平衡关系[1]： Nb = F - Pdl∕e 和 M = NfD 当P = 0 时 Me = FfD a∕b 以上各式中 N― 对制动论的正压力（Nm）； Me ― 制动器的额定制动转矩 （Nm）； P― 推杆推力(N)； F― 最大预调上闸力(N)； D― 制动轮直径(mm)； f― 摩擦系数； a、b、d、e、l ― 各部杠杆尺寸 (mm)。 令 í= dl∕eb ― 杠杆系统的传动比 整理以上各式得： M = Me - PfiD （1） 由于推杆推力P与制动电机转速n的平方成正比有： P/ Pe=n2∕ne2 （2） （2）式中 Pe ― 推杆额定推力 (N)； ne ― 制动电机额定转速 (r/min)。 将（2）代入（1）式得： M = Me - fíD Pe n2∕ne2 （3） 令 k = fíD Pe ∕ne2 ― 由液压推杆制动器型号规格决定的特性系数 Nm∕(r/min)2 则得出： M = ƒ(n) = Me-kn2 （4） （4）式即为制动转矩M与制动电机转速n的关系式，两者的关系曲线如图2所示的一条平置的抛物线，当M = 0 ns = (Me∕k)-2 时开始上闸，以后随转速n降低制动转矩M逐渐增加，至 n = 0 时达到额定制动转矩Me。 4 制动电机的变频调速及其重要意义 驱动液压推杆制动器的制动电机是很小的鼠笼式电动机，功率仅为0.06 ～1.1kw（对应的制动轮直径为100～800mm），大约是绕线电动机（驱动机构的主电机）的数拾分之一；所带动油泵属平方律类型负载并且单向运行，很容易通过可调电源的手段实现无级调速。变频调速方式应为首选，可采用简易通用的电压型变频器，建立起制动电机自己的变频系统。这是一个相对独立的液压推杆制动器控制系统，与原有绕线电动机的驱动控制系统并列存在，完成了从原来到全能制动器的转变。这是在起重机制动技术上的一大突破，为实现绕线电动调速创造出首要条件。为充分发挥全能制动器的支持制动和控制制动作用，实现对绕线电动机的调速，应利用自动控制技术采取转速负反馈和统一操作装置等手段，将绕线电动机的驱动控制系统和液压推杆制动器控制系统联系起来，并作为两个子系统共同构建一个绕线电动机的液压推杆制动器系统[2]。用来控制绕线电动机运行（包括其起动、运转和制动）及断电停止期间的全过程，从而在交流起重机的控制上开创出一种全新的机械制动调速系统。 参考文献 1 杨长揆. 起重机械. 北京：机械工业出版社，1982. 2 孔凡华. 一种独特的交流起重机调速方式. 中国工控网 2007-5-21 专业论文栏.