桥式起重机运行机构制动器的改进设计

杨树国 国树东 徐雯雯 文 豪 金万席

1泰安市质量技术检验检测研究院 泰安 271000 2太原科技大学 太原 030024 3沈阳中铁安平制动技术开发有限公司 沈阳 110000

由于具有作业范围广、工作效率高、起重量大等优点，被广泛应用于冶金行业、机械制造行业、煤炭行业、电力行业、交通运输行业以及建筑行业等重要领域中。随着科学技术的快速发展，桥式起重机已经成为国民生产中不可或缺的起重物料搬运设备[1]。

大车运行机构（以下简称运行机构）是桥式起重机的重要组成部分，主要包括电动机、减速器、制动器、车轮（台车）组、传动轴、联轴器等。其中，制动器既是运行机构重要的工作装置，又是必不可少的安全部件，对于确保桥式起重机的安全运行至关重要[2-6]。目前，桥式起重机运行机构通常采用常闭式制动器，即当桥式起重机需要停车时，运行机构的电动机断电，同时制动器断电抱闸，从而实现定位停车的目的。然而，在实际操作过程中，很难实现桥式起重机的精确定位停车，特别是运行机构在没有调速功能的情况下，对位过程往往需要反复点动才能完成，并且在对位的过程中常常会因制动过猛而导致吊运的物品产生剧烈摆动。为了尽可能避免这种情况的出现，某些桥式起重机司机往往会将运行机构的制动器松开，利用打反车来实现定位停车，这既不符合安全操作规程，也会对桥式起重机整体结构造成冲击或变形，存在很大的安全隐患。如果桥式起重机发生失电，运行机构在失去制动器正常制动的同时，也失去了打反车制动的能力，会造成桥式起重机自由滑行，恶劣时会导致严重事故。

针对起重机精确定位停车的问题，国内很多专家学者做了大量研究工作。董炜[7]分析了起重机运行机构和回转机构中所采用制动器存在的主要问题，并提出了一种可操纵的常开式制动器，该制动器是利用脚踏板、制动总泵和复位弹簧间的相互配合来实现制动和松闸功能的，但是存在油压损失的问题，需要定期进行维护保养，并且施加在制动瓦上的制动力和释放该制动力存在一定的滞后性；
李传松等[8]设计了一款主要由脚踏注油泵、补充油箱、管路系统、制动盘和分配器等部件构成的脚踏式液压制动器，该制动器需要定期检查油箱，并且需要经常补充液压油，在蹬踏脚踏注油泵时；
制动力矩容易对桥架结构和传动系统产生冲击和损坏；
吴刚等[9]在分析了传统制动系统构成和工作原理的基础上，研制了一款适用于起重机运行机构上的脚踏制动系统，该制动系统主要包括脚踏开关、变频器和接触器等，在脚踏开关上设置电位器，脚踏开关位置发生改变，电位器的模拟值也会相应发生变化，从而控制变频器以不同的速度运行，使驱动液压推杆处于不同的位置，以此实现对工作制动器制动力矩的控制，但该制动器系统依赖于变频器和接触器等电子电路元件，可靠性差，且脚踏制动力难以实现平缓变化，容易对起重机整体结构造成伤害；
王彦凯[10]对传统起重机运行机构的制动系统进行了研究，设计了2种桥式起重机运行机构制动系统方案，即双制动器控制方案和单制动器变频控制方案，通过对比分析，采用了双制动器形式。该设计与文献[10]原理类似，通过控制脚踏开关的位置来改变滑动变阻器阻值，进而改变输入变频器的信号，从而达到控制制动器液压推杆电动机转速，实现控制制动力矩的目的。同样，该设计依赖于电子电路元件，可靠性和操纵灵活性也有待进一步提高。为此，本文结合桥式起重机运行机构的特点，对常用制动器的结构进行了改进，设计了一款可靠性高、操纵灵活，可随时改变制动力，且制动力变化平缓，同时能实现精确定位停车的纯机械式制动器。

在起重机起升、回转、运行和变幅等工作机构中，均装设有不同形式的制动器。按照结构特征的不同，可以将制动器分为鼓式制动器、盘式制动器、带式制动器等；
根据动力源的不同，可将制动器分为液压式、气压式、电磁式、机械式以及手动式等；
根据工作状态的不同，可将制动器分为常闭式制动器和常开式制动器。其中，常闭式制动器即经常处于闭合状态，当工作需要时，通过借助人力、电磁力、气动或液压等方式使制动器处于开闸状态。常开式制动器则是经常处于开闸状态，当工作需要时，通过施加一定外力使制动器达到闭合状态。下面结合起重机起升、回转、运行和变幅等机构的工作特性，简要分析常用制动器的形式和特点。

1.1 鼓式制动器

鼓式制动器又称为块式制动器，主要由制动轮、制动瓦块、制动臂、制动弹簧、电力液压推动器（或电磁铁）、底座等部件构成。该制动器是通过制动弹簧的弹簧力对制动轮产生压紧力，从而使机构停止下来或保持不动，松闸力是依靠电力液压推动器或电磁铁来实现的，图1a为电力液压鼓式制动器。

鼓式制动器的2个制动瓦块对称布置，作用在制动轮上的压紧力基本相互平衡，传递到制动器轴上的径向载荷很小。另外，鼓式制动器结构简单，安装、维修方便，工作可靠，故鼓式制动器在桥（门）式起重机运行机构和起升机构中应用最为广泛。

1.2 盘式制动器

图1b所示为盘式制动器，其工作表面为圆盘两侧的平面，摩擦副由制动盘和制动瓦块构成，制动瓦块垂直于制动盘施加正压力。常见的盘式制动器有钳盘式制动器、臂盘式制动器、单盘制动器和锥盘制动器等。

盘式制动器的制动盘轴不承受弯曲载荷，制动性能可靠、稳定，但由于制动衬块摩擦面积比较小，压强比较大，故对制动衬垫的材质要求较高。盘式制动器常用于岸边集装箱起重机和轮胎式起重机起升机构中。

1.3 带式制动器

图1c所示为带式制动器，其工作原理是依靠张紧的带有摩擦衬垫的挠性钢带作用在制动轮上的压力，产生摩擦力矩来实现制动。

图1 常用制动器形式

带式制动器包角较大，通常为250°～270°，最大甚至可达到650°，在相同的上闸力和制动轮直径时，其制动力矩比鼓式制动器大。当带式制动器制动时，制动带两端张力的合力会对制动轮轴产生较大的径向力，制动带的压力分布不均匀，使摩擦衬垫磨损不均匀。带式制动器常用于结构尺寸受限制，要求制动力矩大或能实现自由落钩的场合，例如流动式起重机起升机构。

2.1 基本结构

本文以桥式起重机运行机构上常用的电力液压鼓式制动器为例进行说明，该制动器属于常闭式制动器，制动力是由制动弹簧施加给制动轮的。由于制动弹簧的弹簧力是一定的，在制动过程中无法随时改变制动力，也就无法保证定位停车的准确性。另外，制动弹簧的弹簧力是瞬间施加的，快速制动势必会对桥式起重机整体结构造成很大的冲击。为此，在现有电力液压鼓式制动器的基础上做了改进设计，基本结构如图2所示。

图2 改进后制动器基本结构

改进后的制动器底座两侧轴上分别设置有带瓦轴的左制动臂和右制动臂，瓦轴的制动瓦块之间为制动轮，凸轮杆座的一端固定于右制动臂上，另一端同具有凸轮的凸轮杆相连。凸轮杆通过销轴设置于底座上的支杆上，左制动臂顶端设置有滚轮，滚轮同凸轮杆一端的凸轮接触，滚轮与凸轮杆座之间设置有松闸弹簧。凸轮杆的另一端为脚踩力的输入轴，支杆与凸轮杆之间为复位弹簧。

改进后的制动器右制动臂上设置有螺栓，螺栓同凸轮杆座相连，螺栓上安有螺母。通过调整螺母在螺杆上的位置，便可调节制动轮和制动瓦块之间的间隙，以此达到调整制动器松闸程度的目的。脚踩力输入轴通过绳索同脚踏拉杆轴相连，脚踏拉杆力可将脚踩力传递给制动瓦块，实现控制制动轮的制动力。

2.2 工作原理

改进后的制动器相比改进前的突出特征是上闸力由桥式起重机司机控制，操纵性更加灵活，可随时改变制动力大小，确保了精确定位停车，且制动力变化平缓，避免了瞬间制动对整机造成冲击和损坏。凸轮杆与滚轮接触的一端设计为凸轮形式，从结构上保证了施加到制动轮上的制动力变化平缓。

改进后的制动器在制动时，通过设置在不同位置的定滑轮将脚踩力传递给脚踩力输入轴，然后带动凸轮杆绕销轴转动，凸轮也随着凸轮杆逆时针转动，迫使滚轮同左制动臂向内运动，即制动瓦块愈抱紧制动轮，从而起到较好的制动作用。在制动器需要松闸时，脚收起，脚踏拉杆同时抬起，在复位弹簧和松闸弹簧的共同作用下立刻松闸，松闸非常彻底且均匀。当桥式起重机司机工作完毕离开工作岗位时，用脚踩住脚踏拉杆，把楔块插入斜铁架孔，使制动器保持在制动状态即可。

在传统的桥式起重机运行机构中，通常采用1台电动机对应1台制动器的布置形式。一般情况下，为了提高减速器的使用寿命，会将制动器布置在高速轴上。制动器在高速轴上的布置位置较灵活，可布置在电动机的尾部，也可布置在电动机与减速器之间靠近减速器一侧，还可布置在减速器背离电动机一侧的高速轴上。

考虑到传统制动器在桥式起重机运行过程中存在的问题，改进后的制动器可完全代替传统的制动器单独使用，也可以采用改进后的制动器与传统制动器相结合的布置形式，其中传统制动器作为安全制动器，改进后的制动器作为工作制动器。如图3所示，这2种制动器可以布置于图中1、3、6、8任意2个位置，为了方便改进后制动器的维护和保养，一般将传统制动器布置于传动系统内侧，改进后的制动器布置于外侧。通过2种制动器的配合使用，在保证精确定位停车的同时，可进一步提高桥式起重机运行的安全性。

图3 制动器布置形式

本文结合桥式起重机的工作特点，对常用制动器的结构进行了改进，设计了一款适用于桥式起重机运行机构的机械式制动器，该制动器具有以下优势：

1）采用纯机械结构，既不依赖于电子电路元件，也不依赖于液压元件，不易损坏、可靠性高、操纵灵活，并且结构简单，安装和维修方便。

2）制动力大小可以随时进行调整，并且制动力变化平缓，能有效减少对桥式起重机整体结构的冲击，同时，能实现精确定位停车。

3）布置形式灵活，既可代替传统的制动器单独使用，也可与传统的制动器配合使用。

改进后的制动器能有效解决桥式起重机运行机构制动力不可调和定位停车准确性差的问题，具有较高的实用性和安全性。对门式起重机、塔式起重机等其他类型起重机中制动器的设计有一定的参考价值。