起重装备制动器运行状态健康监测

一、概述

制动器是保证复杂起重装备日常安全稳定运行的关键设备，是起重装备最为关键也是最后一道安全保护装置。制动器的作用是使起重装备运动机构或其他设备能按照作业者的要求达到减速、停止，同时具有保证起重机运动机构或机器起到状态停止的要求。起重装备制动系统制动性能的好与坏直接关系到起重装备运行的可靠性、安全性。如果某一台起重装备在工作的过程中出现故障，而又没有及时进行制动并且排除解决故障问题，则不仅有可能会导致起重装备制动器本身损坏，更严重的可能会造成机毁人亡的惨重事故。

二、制动器典型失效模式及失效机理分析

1.制动器典型失效模式

起重装备常用的制动器种类很多，但其基本原理基本相同，因此失效模式也大同小异。本篇以港口起重机常用的电力液压盘式制动器为研究对象分析制动器典型失效模式。

通过对国内大型港口起重装备运输厂及制动器的设计制造单位的调研，分析电力液压盘式制动器系统组成，参照国内外标准、手册和制动器使用维修记录，从结构出发，建立了电力液压盘式制动器典型结构失效层次图，如图1所示。

图1 电力液压盘式制动器典型结构失效层次图

从制动器结构失效图可以看出，制动器失效主要是由机械部分失效和推动器系统失效两大因素引起的，而推动器系统与控制系统有直接的关系，因此制动器机械部分的失效是最容易表征出来的。

对国内外相关制动器失效事故进行一定的分析，发现大部分制动器失效主要表现在两个方面，一是控制信号发出但制动器不开闸，即制动器不正常工作；二是制动转矩不足，当设备出现紧急情况需要急停时，制动器的制动转矩不足而使其不能安全制动（或者在减速阶段不能使卷筒的速度减小）。从图2可以看出，制动器主要的失效模式有制动器不开闸、制动转矩不足、闸瓦磨损不均、空运时间过长及温度过高。

图2 制动器主要的失效模式

2.制动器失效机理分析

1)制动器不开闸

起重机上常用的制动器为常闭式，当起重机从断电停机状态到起动开始工作的状态时，制动器必须解除制动。起重机开始工作时，电动机起动，制动器推杆向上移动，制动臂离开制动盘直到闸瓦完全松开。因此当起重机开始工作，制动器不开闸，其主要原因为控制信号失效、液缸油液不足不能推动制动推杆、活动铰点卡死不能动作以及推动器电动机故障。

制动器不开闸与控制信号失效有着密切的关联。在役起重机尤其对工作十年以上的起重机而言，制动器的电气控制问题故障较多，由GB 7588—2003标准可知，制动器的两个接触器应独立分开控制闸瓦的开合。然而，在现实中，常存在以下情况：制动器的两个控制装置并没有分开；接触器的连接方式为并联。

2)制动转矩不足

在制动器工作时，可以将制动转矩看成由两部分构成，一部分是制动弹簧预紧力产生的制动转矩，用Mt来表示，其值为正；另外一部分是推动器的推力产生的制动转矩，方向与Mt相反，用Md来表示，其值为正。则制动转距M可表示为

另由推动器推力F产生的制动转矩为

式中，N为正压力；F为推力；i为驱动杠杆比；d1为有效摩擦直径；Mt为额定制动转矩；μ为摩擦系数。

由电力液压盘式制动器构造可知，泵的压力与转速、转速与功率都是二次方的关系，而转速与流量是正比例关系，故推动器产生的推力F与制动器电动机转速n的二次方成正比关系，如图3所示。

图3 制动转矩与制动电动机转速关系

式中，ne为电动机额定转速；Fe为推动器在电动机额定转速下的推力。

故制动转矩可表示为

由以上公式可见，影响制动转矩的主要因素有制动电动机转速、推动器的推力、闸瓦与制动盘之间的摩擦系数、闸瓦间隙、主弹簧预压量等，而造成制动转矩不足主要有三个方面的原因，即正压力不足、摩擦系数下降、制动盘接触面不足。

引起正压力不足的原因主要有四点：一是闸瓦间隙过大造成正压力不足；二是制动器主弹簧疲劳或断裂而引起的性能降低或失效；三是推动器活塞和液压缸卡住；四是由于推动器液压缸漏油造成制动电动机烧坏。造成摩擦系数下降的原因主要有制动盘污染、制动盘过热和摩擦片磨损严重。制动盘接触面不足的原因主要有两方面：一是制动盘偏摆，由于制动装置安装存在误差、加工误差、周围环境（如振动）的影响，制动装置会存在偏摆；二是由于闸瓦制动时温度过高，而发生疲劳变形，即闸瓦温度的循环变化引起内应力变化并产生疲劳破坏。

3.空运时间过长

制动器开始起动到投入有效制动转矩的时间为上闸时间，制动器理论响应时间为0.3～0.5s。由于制动器开闸间隙大、油液回流慢、弹簧疲劳或者拉杆铰点故障等，易造成空运时间过长，使制动距离太长，引发起重机安全事故，即为制动失效。

其原因主要有以下三点：

第一是退距距离过长。这样会造成制动器闭合时闸瓦的行程变大，从而造成闭合时间过长。

第二是制动器液压缸阻力过大。当制动器在闭合时，推杆向下移动，此时液压缸的油液会对推杆有阻力作用，如果液压缸阻力过大，推杆复位的时间就会加长，容易造成空运时间过长。

第三是密封圈损坏。制动器上闸瞬间推动器液压缸回路存在一定的压力，如果密封圈损坏，则会造成压力不足而影响推杆移动的时间，因此会影响空运时间。

三、制动器运行状态监测内容

1.推杆位移监测

推杆位移是评价制动器性能好坏的重要指标，监测推杆位移就是监测推杆上下制动位移量S，制动器每次在制动时有向上的位移量S，根据JB/T 10603—2006对推动器额定行程S的规定，当推力为1250N时，S为60mm或120mm；起重机工作时，推动器工作推动制动器推杆向上移动，推杆位移量是反映制动器是否正常工作最直观的参数，因此推杆位移是最佳的选择监测点。图4所示为推杆位移监测量示意图。

图4 推杆位移监测量示意图

由于电力液压盘式制动器为常闭式制动器，在起重机不工作时，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，进行制动防溜保持停止。当推杆没有向上移动即保持制动状态时，测得的位移量X=0，由于制动器在X=0的状态下为制动状态，则监测系统显示为制动状态；当起重机起动后，电动机起动，制动器开闸，推杆向上移动X，当X=S时，制动器闸瓦完全打开，卷筒开始工作，则监测系统显示为制动开闸状态。

2.制动温度监测

制动盘面和摩擦衬片摩擦时产生的温度影响制动器性能。由于制动盘与摩擦片直接相接触，制动时靠摩擦力制动温度越高，表示摩擦得越好，制动效果越好，但是温度不是越高越好，而是有一定的范围。当温度达到摩擦材料失效的临界值时，材料本身的性能会退化，从而造成制动时制动效果衰退。因此温度监测是判断制动器制动盘是否损伤的一个重要指标。

3.制动退距监测

制动退距是指制动闸瓦与制动臂连接，内圆柱面上可安装制动衬垫的零部件后退距离。起重机规程中明确要求检查制动器的退距，即制动轮松开时，制动闸瓦与制动轮各处间隙应基本相等。制动器驱动装置的工作行程调整与制动衬垫的总退距有直接的关系，制动器起动时，如果出现一边退距大，一边打不开而始终摩擦，则会造成单边摩擦温度过高，降低制动器的制动性能，同时也会使制动衬垫磨损加快。因此退距是评价制动器制动性能的重要指标参数。

4.制动转矩监测

当推动器电动机驱使离心泵旋转，利用油压推动活塞杆上下移动，由于力具有传递性，油压活塞的推力传递到制动器推杆，经制动臂作用在轴瓦与摩擦副的表面，从而形成正压力。

电力液压盘式制动器依靠摩擦片与制动盘的摩擦力的作用达到制动效果，由于制动力是判断制动器能否制动的一个重要指标，但由于闸瓦摩擦片与制动盘直接接触，则制动闸瓦的正压力需要采用潜埋式压力传感器，长期监测效果并不是很理想。因此采用间接法监测推杆的推力F。图5所示为电力液压盘式制动器简图。

图5 电力液压盘式制动器简图

制动轮的正压力与推杆推力之间的关系为

制动转矩为

式中，N为对制动轮的正压力（单位为N）；F为推杆推力（单位为N）；D为制动轮直径（单位为mm）；f为摩擦系数；NM为最大额定弹簧闸力（单位为N）。

5.制动盘偏摆监测

制动盘的偏摆量是一项重要的监测参数，一般而言，偏摆量对制动器的好坏没有什么直接的反映，但是，制动盘的偏摆量的大小值却可以从另一方面反映制动臂与制动盘能够有效接触的面积大小。如果在起重机进行制动时，制动摩擦片与制动盘不能够有效地接触，则制动器的制动转矩有可能会小于标准值，从而使起重机无法及时地制动，容易发生安全事故。此外，如果制动盘偏摆量过大，也会导致制动片磨损过大，从而降低制动臂摩擦片的使用寿命。因此，对制动器制动盘偏摆量进行实时在线监测，具有重要的意义。为了使偏摆传感器的安装方便，同时为了能够长期监测并得到准确的数值，结合电力液压盘式制动器的构造，传感器安装在制动臂架内并与制动盘平行。

四、起重装备制动器性能监测系统

1.监测系统整体设计

监测系统的硬件总体结构示意图如图6所示。硬件系统主要包括主机部分、信号采集卡、信号调理部分、传感器等。

图6 监测系统的硬件总体结构示意图

1)压力传感器

转矩是评价制动性能的重要参数，但根据制动器的结构可知，如果直接安装转矩传感器在制动器上是很困难的，因此间接监测制动主弹簧的正压力，再换算成相应制动时刻的转矩。

力学传感器种类很多，结合制动器的结构特点、监测位置特性，选用压阻式压力传感器。如图7所示，压阻式压力传感器结构是采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。

图7 压力传感器结构示意图

2)位移传感器

（1）制动推杆所用传感器

根据制动器推杆的结构特点，考虑行程量的精度，选用新型的非接触式电感传感器，如图8所示。传感器测量采用非接触、无磨损的测量方式，其特点就是精确度高、线性度好，并能保证其使用寿命和制动推杆在任何情况下无妨碍工作。

图8 非接触式电感传感器

非接触式电感传感器采用电压信号测量。线圈特殊的布置方式确保PLC电路和传感器信号的稳定性，即便在允许范围内（0～4mm）出现纵向或横向的移动，信号通过16位高分辨率处理后传到输出。所选的传感器内有两个电子线圈电路板，第一个电路板上布满了感应线圈元件，它的位置在传感器表面的下方。第二个电路板上分布的是电路的信号处理部分，位于第一个电路板的下方。因此，选择此型号的传感器其盲区非常小。

（2）制动退距所用传感器

在退距监测中选用非接触式电涡流传感器，因为本类传感器的感应探头依靠交变磁场的变化可以测得金属表面的距离变化，感应灵敏，测量中引起的振荡电压的变化转化为电压或电流信号，从而将机械位移转化为电信号的变化。

非接触式电感位移传感器安装在制动器推动器的顶端，位移传感器的感应探头固定在顶端随之与推杆一起运动。电涡流传感器测量退距安装在制动臂内侧，传感器的探头对准制动盘，其安装示意图如图9所示。

图9 位移传感器安装示意图（退距）

1—制动臂 2—传感器安装点 3—摩擦片 4—制动盘温度传感器

3)温度传感器

制动器制动过程中由于摩擦导致温度较高，如果在制动时摩擦材料或制动盘温度过高，会降低制动器的制动性能，有可能造成严重的事故。在对制动器制动温度监测时考虑散热性，在制动盘与摩擦衬片刚好非接触的时刻应为最理想的温度，但由于临界接触状态很难直接测得，因此采用非接触式温度传感器。

4)工控机与采集卡

一个完整的监测状态诊断系统必须由监控软件和硬件系统组合而成。监控软件的主要功能是在系统获得外界信号后进行处理、分析，监测诊断现场设备的运行状况。而硬件系统则是给监控软件提供外界信息的主要来源，是监控软件系统运行的基础。设计一套技术先进、运行可靠、抗干扰能力强的硬件系统，是保障整个系统正常运行的关键。

（1）工控机

由于起重机现场工作环境比较复杂，工控机必须要求能够适应振动、冲击、灰尘等环境，因此选择性能稳定、可靠性好的工控机作为系统的主机。

（2）采集卡

信号采集卡是计算机与外部设备进行信息交换的桥梁，各类采集信号都需要通过采集卡再输送到计算机，为了能够使系统得到更加稳定的、可靠的信号，应选择高性能的采集卡。

2.基于多变量传感器的制动器性能监测系统

基于多变量传感器的制动器性能监测系统基本结构可分为三部分，第一部分是由计算机和监测软件构成的上位机监测系统；第二部分是通信接口卡；第三部分是由单片机以及外围部件构成的下位机数据采集的智能节点。总体设计框图如图10所示。

图10 总体设计框图

上位机监测系统由一台带有标准串口的工控机组成，系统工作过程中下位机智能节点对制动推杆位移、制动温度、退距、正压力等模拟量进行数据采集和处理，并把处理后的数据通过总线传给通信接口卡，再由通信接口卡把数据转换为相应数据格式后送向监控工控机。监控工控机发送下来的总线格式的数据经通信接口卡转换成总线协议格式送向下位机智能节点。上位机的软件主要是实现系统的参数设置、显示、数据保存、记录各闸的运行情况和监测制动器的运行状态等功能。显示的数据可以与制动器的技术指标进行比较，若超出限定值，则系统报警；保存的数据应用于后续的BP神经网络的训练，从而达到预诊断的目的。

下位机智能节点主要是对如制动推杆位移、制动温度、退距、正压力等模拟量进行数据采集和处理，将处理后的数据上传，同时将数据与程序中预设数据进行比较，若超出限定值，则系统报警，通过对制动系统电控部分的控制达到对起重机制动器的紧急保护功能。

进入制动器健康状态监测系统的主显示界面，如图11所示。反映制动器各性能参数的状态信息均可在主界面显示，可较直观地诊断制动器的健康运行状态。

图11 系统显示界面

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