浅谈塔机起升机构直流盘式制动器的控制与应用.pdf

2023.04 建设机械技术与管理 71产品结构1 引 言作为基建施工中关键的设备，塔式起重机的工况直接影响着建筑产品的安全性和可靠性，起升机构更是塔机安全的重中之重。塔式起重机在基建施工中主要作用是由驾驶员操作，将待起吊重物吊起，平稳放置于指定位置，它最关键的功能就是起升功能，如起升机构发生安全问题，会直接威胁塔机自身、塔机驾驶员、塔机下方人员人身和财产安全。塔机的起升机构通常设置在塔机平衡臂之上，通过带动卷筒牵引钢丝绳，用钢丝绳通过小车滑轮组传动，将横向拉力转变成吊钩纵向起重力，实现对塔机吊钩的控制，从而实现塔机起吊功能。塔机起升机构中的电动机通常采用异步三相电动机，制动器分为直流盘式制动和液力推杆抱闸制动，本文主要讨论直流盘式电磁制动器。所谓盘式制动器，就是在电动机的后端盖与风扇之间附加一个直流盘式电磁制动器组成，采用的是附加机械制动方式。其结构如图 1 所示。其优点是制动可靠、快速、制动力矩大、使用方便、普及率高，能用于紧急制动停车和突然停电的场合的制动，制动性能比反接制动、能耗制动等优越。当电磁制动三相异步电动机接入电源时，电磁制动器通过整流电源的供电也同时工作；由于电磁吸力作用，电磁力吸引衔铁并压缩弹簧,摩擦式制动盘与衔铁、后端盖脱开，电动机开始运转；对于变频系统，当电机停止转动后，切断制动器电源，电磁制动器工作线圈失去电磁吸力，弹簧推动衔铁压紧摩擦式制动盘，在摩擦力矩的作用下，电动机在负载情况下保持不动。由于电磁制动工作线圈对于电路来说属于感性负载，当接触器切断电路时电磁制动电磁铁线圈中仍有磁场存在，将产生反向电动势，在电路中产生较大瞬时电压，有可能击穿其他电路元件，为保护电路中的其他元件，通常会在电磁制动电磁铁线圈供电端并接续流二极管或压敏电阻等元件，削弱有害脉冲电压。正因为此段电路的存在，会对刹车响应时间产生一定影响，本文着重通过实验数据讨论市面上塔式起重机常见的保护电路对制动响应的影响。2 理论分析如图 2 所示 E 为理想直流电压源，K 为开关，R 为等效电阻，L 为理想电感。我们设想开关 K 已经闭合，电路中流过的电流是正常运行电流 Ie=E/R。在 K 断开瞬间，电感会出现反向电动势，并且开关 K的触头间会出现电弧。在 2 图中，电弧的电压是 Uh，电路浅谈塔机起升机构直流盘式制动器的控制与应用Control and Application of DC Disc Brake for Tower Crane Lifting Mechanism王启超 邓延舜 王硕 李梦丹(陕西建设机械股份有限公司，陕西 西安 710201)摘要：本文介绍塔式起重机直流盘式控制器工作方式，分析了强制制动时产生过压电压的原因，通过实验的方式论证了各种类型保护电路对强制制动时制动器响应的影响。关键词：直流盘式制动器；续流二极管；压敏电阻中图分类号：TH213.3 文献标识码：B图 1 制动器结构图 2 原理示意图72建设机械技术与管理 2023.04 产品结构中的电流就是电弧电流 Ih。根据基尔霍夫第二定律有：Uh=E RIh LdIhdt (1)式1中，右边第一项是电源电动势，第二项是电阻压降，第三项就是电感线圈产生的反向电动势。对式 1 做处理：首先把式 1 中的各项都乘以 Ihdt，然后再对时间积分。积分的时间下限是 0，时间上限是电弧存在的时间也即燃弧时间，我们用 ts 来表示，有LIhdt 0tsIhUhdt20=0tsIhEdt+0tsRIhdt2 (2)式 2 等号左边代表着开关触头电弧在燃烧期间消耗的能量；式 2 等号右边的第一项，代表着在燃弧期间电源提供的能量；式 2 等号右边的第二项，代表着燃弧期间电阻 R 上消耗的能量；式 2 等号右边的第三项，代表着燃弧开始时电感线圈中储存的能量。令过电压为 Ug，并且 Ug=Uh，于是由式 1，得：Ug=Uh=E RIh LdIhdt (3)如图 2 所示，整个过程中，Ih的值越来越小，也即 dIh/dt0，它的绝对值在Ih趋于零的瞬间达到最大，Ug取最大值，也即过电压的最大值，于是过压电压 Ugmax有：Ugmax=E LdIhdt (4)3 制动响应检测实验设计方案3.1 实验电路首先通过电路相连构成了完备的塔机起升电气系统，而后，为可编程显示器(DP250)输入端口接入变频器供电的指示信号，变频器驱动直流盘式电磁制动器的指示信号，接入直流盘式电磁制动器动作的指示信号，三个信号均取下降沿触发；通过程序计时可得变频器断电/急停触发信号时刻t1，制动接触器断电时刻 t2，制动器抱刹时刻 t3；设触发变频器断电/急停触发信号至制动接触器断电时间为 T1，触发变频器断电/急停触发信号至制动器抱刹的时间为 T2，则有T1=t2 t1，T2=t3 t13.2 实验过程对同一种保护电路做以下实验操作：启动电气系统；操纵塔机起升联动台上的起升手柄，驱动电机按 1 档频率运行，当电机速度稳定时，保持起升手柄动作，按下急停开关，强制断电，制动器抱刹，此过程结束后在显示器上记录一条 T1和 T2的时间数据，稍后，恢复急停开关，重新启动电气系统；按步骤 2）中描述分别重复对 2/3/4/5 档进行操作，此时显示器上记录 5 条时间数据，如图 4 所示。在多种保护电路情况下进行上述实验。4 制动响应检测实验结果4.1 续流二极管（快恢复二极管 MF120DU06FJ）串接功率电阻（RX21-7W-1KJ）保护电路序号操作变频器输出时间/ms抱刹反馈时间/ms1起升推 1 档,按下急停202102起升推 2 档,按下急停102003起升推 3 档,按下急停102004起升推 4 档,按下急停102005起升推 5 档,按下急停10200序号操作变频器输出时间/ms抱刹反馈时间/ms1起升推 1 档,按下急停201202起升推 2 档,按下急停101103起升推 3 档,按下急停101204起升推 4 档,按下急停201205起升推 5 档,按下急停10120当保护电路为续流二极管串接 1K 功率电阻时，变频器断电响应时间不变，响应十分迅速；抱刹平均响应时间200ms 210ms，响应相对迅速，基本可以满足起重类设备的需求。4.2 压敏电阻（20D431K）保护电路当保护电路为压敏电阻时，变频器断电响应时间不变，响应十分迅速；抱刹平均响应时间 110ms 120ms，响应迅速，可以满足起重类设备的需求。（下转第 104 页）104建设机械技术与管理 2023.04 施工技术5 结 论首先，路面保温技术、路基保温技术和抗冻结技术是常用的季节性冻土地区路基保温技术。路面保温技术主要适用于温度较高的地区，而路基保温技术和抗冻结技术主要适用于温度较低的地区。其次，通过不同保温措施对比，得出保温护道对路基坡脚处保温效果较好:XPS 保温板的抗老化性能较强，时效性较好，能大幅度降低路基中心处冻深。再次，提出了采用护道与保温板相结合的保温措施，便于施工和维护，可以更好的保护季节性冻土路基，保证高速铁路和公路的行车安全。冻土地区路基保温方案应根据不同地区的气候条件、土质特点和交通负荷等因素进行设计，针对性强的保温方案可以有效减少路基冻胀和沉降等问题。在实验验证和方案优化方面，可以借助数字模拟和实验室试验等手段来进行。综上所述，合适的季节性冻土地区路基保温措施可以有效缓解路基冻胀和沉降等问题，提高路面稳定性和运输效率。参考文献1 胡田飞,袁一飞,岳祖润,等.季节性冻土区铁路路基保温材料应用现状及展望 J.水利与建筑工程学报,2023,21(02):169-177.2 陈欣怡,毛雪松.多年冻土路基隔热保温材料研究进展C.中国科学技术协会,交通运输部,中国工程院,湖北省人民政府.2022 世界交通运输大会(WTC2022)论文集（公路工程篇）,2022:316-321.3 戴文革.复合泡沫混凝土用作寒区高铁路基保温研究J.铁道建筑技术,2019(04):5-7+32.4 张峻.永久冻土地区路基保温施工控制技术 J.石家庄铁路职业技术学院学报,2020,19(02):97-100.5 李元强.高原高寒地区高速铁路保温护道路基温度场的分布研究 J.甘肃科技纵横,2020,49(06):47-49+53.6 李林,白彦辉,孙永乐,等.季节性冻土地区路基保温性能数值计算分析 J.建筑与预算,2022(06):80-82.7 刘晓贺,岳祖润,胡田飞.新型寒区高速铁路路基保温强化层的抑制冻胀效果研究J.铁道学报,2022,44(02):108-116.8 闫宏业.季节性冻土地区高速铁路路基保温技术试验研究 J.铁道建筑,2019,59(02):1-4.9 姚力.公路黄土路基应用 XPS 保温板工程实例研究 J.中国建材科,2019,28(06):146+70.10 张会建,袁堃,董元宏,等.多年冻土区宽幅 XPS 保温板路基传热特征研究 J.路基工程,2019(06):6-12.11 张会建,董元宏,朱东鹏,等.多年冻土区 XPS 保温板路基顶面弯沉控制方法 J.公路,2019,64(04):28-34.12 宋宏芳.深季节冻土区高速铁路路基防冻胀基床结构研究 D.北京：北京交通大学,2020.收稿日期：2023-06-28作者简介：葛雷，学士，工程师，主要研究方向为建筑技术。上接第 72 页5 结 论以上是对塔式起重机起升机构常见的几种电磁制动器电路抱刹时间的实验结果，注意，此实验的时间计算是由指令单元发令到电磁制动器微动开关触发，此时间段包含了接触器响应时间、制动器的机械响应时间，而不单单是电路的响应时间，可以完全模拟塔机起升制动运行的实际工况，该工况针对塔机遇到危险而采取的急停制动情况和工地断电造成塔机突然断电情况。在实验中，不做任何保护电路时制动器抱刹响应时间是 100ms，这一响应时间无疑是最为迅速的，但考虑到接触器断开时电磁制动器线圈中的反向电动势会造成瞬时高压情况，有可能损坏电路中的元件，所以这种方式时不可取的。采用续流二极管串接 1K 功率电阻的形式可以有效缩短响应时间，抱刹平均响应时间 200ms 左右，满足抱刹制动的响应需求，同时也具有较高的电路稳定性。采用压敏电阻保护电路，制动器响应时间为 120ms 左右，响应时间很短，同时压敏电阻本身造价低廉，较易于批量使用。但压敏电阻电气特性随温度变化，影响较大，所以在选用压敏电阻时应考虑设备工作温度对其的影响。参考文献1 沈 鹏 程.塔 机 制 动 失 灵 的 事 故 分 析 J.建 筑 机械,1999(07):48-49.2 杨新华.直流继电器驱动电路中的续流保护 J.电气时代,1997(01):14.3 李岚，王健.压敏电阻在电路设计中的应用 J.硅谷,2012(21):178-179.4 霍虹.浅析接触器保护在电力机车中的应用 J.机电信息,2018(30):37-38.5 胡骏.压敏电阻在塔机中的应用 J.科技风,2012(17):76.收稿日期：2023-05-22作者简介：王启超，学士，工程师，主要从事工程机械电气系统方面的研究。