起重机制动过程分析与制动器选用原则课件

2023/9/171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2023/8/61起重机制动过程分析与制动器选用原则武汉2023/9/17一二三四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五位能性负载工作机构安全制动特性分析六起重机安全制动器的控制2023/8/6一二三四起重机制动与制动器 起重机位能性负载2023/9/171.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1.1起重机的制动2023/8/61.起重机制动与制动器起重机制动—制2023/9/171.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

2023/8/61.起重机制动与制动器制动器—产生摩2023/9/171.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

2023/8/61.起重机制动与制动器安全制动器——2023/9/171.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

2023/8/61.起重机制动与安全制动器盘式安全制动器（图2023/9/171.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、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。2023/8/61.起重机制动与制动器1.2起重机制动器2023/9/171.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。2023/8/61.起重机制动与制动器1.3与制动相关的起2023/9/172.起重机位能性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，2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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：

—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）2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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）

2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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（2-2）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）2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/17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2023/8/6式中：2.起重机位能性负载工作机构制动器的制2023/9/172.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

2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2.２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2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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（2-４）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）2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/17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（2-４）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2023/8/6式中：2.起重机位能性负载工作机构制动器的制2023/9/172.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６起重机货物上升紧急停止制动时间、速度和距离特性图

2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2.３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，按下式求解：2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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（2-６）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2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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７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

2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2.４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，按下式求解：

—与电机力矩对应的电机转速，按下式求解：2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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（2-８）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2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/172.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

2023/8/62.起重机位能性负载工作机构制动器的制动过程2023/9/17３.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2023/8/6３.起重机平移性负载工作机构制动分析平移性负2023/9/17３.起重机平移性负载工作机构制动分析１）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：2023/8/6３.起重机平移性负载工作机构制动分析１）平衡2023/9/17３.起重机平移性负载工作机构制动分析公式（３-1）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：2023/8/6３.起重机平移性负载工作机构制动分析公式（３2023/9/17３.起重机平移性负载工作机构制动分析公式（３-1）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

2023/8/6３.起重机平移性负载工作机构制动分析公式（３2023/9/17３.起重机平移性负载工作机构制动分析２）制动时间起重机的运行制动时间３）制动距离起重机在运行制动时间内的制动距离按公式（３－３）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，只需将制动力矩用电机计算力矩替代即可。2023/8/6３.起重机平移性负载工作机构制动分析２）制动2023/9/17４.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2023/8/6４.起重机制动及制动器的选用原则起重机制动性2023/9/17选用原则机械制动和电制动的采用原则制动器构造型式的选用原则制动时间、制动距离和制动力矩的确定原则

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。４.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。2023/8/6选用原则机械制动和电制动的采用原则制动器构造2023/9/175.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。2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析2023/9/175.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2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析断轴分2023/9/175.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）：2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析2023/9/175.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）2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析5.12023/9/175.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：2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析5.12023/9/175.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，代入公式（2-2）得：2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析5.12023/9/175.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。2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析5.12023/9/175.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：2023/8/65.位能性负载工作机构安全制动特性分析5.12023/9/175.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

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。