一、概述
制動器是保證復雜起重裝備日常安全穩定運行的關鍵設備，是起重裝備最為關鍵也是最后一道安全保護裝置。制動器的作用是使起重裝備運動機構或其他設備能按照作業者的要求達到減速、停止，同時具有保證起重機運動機構或機器起到狀態停止的要求。起重裝備制動系統制動性能的好與壞直接關系到起重裝備運行的可靠性、安全性。如果某一臺起重裝備在工作的過程中出現故障，而又沒有及時進行制動并且排除解決故障問題，則不僅有可能會導致起重裝備制動器本身損壞，更嚴重的可能會造成機毀人亡的慘重事故。
二、制動器典型失效模式及失效機理分析
1.制動器典型失效模式
起重裝備常用的制動器種類很多，但其基本原理基本相同，因此失效模式也大同小異。本篇以港口起重機常用的電力液壓盤式制動器為研究對象分析制動器典型失效模式。
通過對國內大型港口起重裝備運輸廠及制動器的設計制造單位的調研，分析電力液壓盤式制動器系統組成，參照國內外標準、手冊和制動器使用維修記錄，從結構出發，建立了電力液壓盤式制動器典型結構失效層次圖，如圖1所示。
圖1 電力液壓盤式制動器典型結構失效層次圖
從制動器結構失效圖可以看出，制動器失效主要是由機械部分失效和推動器系統失效兩大因素引起的，而推動器系統與控制系統有直接的關系，因此制動器機械部分的失效是最容易表征出來的。
對國內外相關制動器失效事故進行一定的分析，發現大部分制動器失效主要表現在兩個方面，一是控制信號發出但制動器不開閘，即制動器不正常工作；二是制動轉矩不足，當設備出現緊急情況需要急停時，制動器的制動轉矩不足而使其不能安全制動（或者在減速階段不能使卷筒的速度減小）。從圖2可以看出，制動器主要的失效模式有制動器不開閘、制動轉矩不足、閘瓦磨損不均、空運時間過長及溫度過高。
圖2 制動器主要的失效模式
2.制動器失效機理分析
1)制動器不開閘
起重機上常用的制動器為常閉式，當起重機從斷電停機狀態到起動開始工作的狀態時，制動器必須解除制動。起重機開始工作時，電動機起動，制動器推桿向上移動，制動臂離開制動盤直到閘瓦完全松開。因此當起重機開始工作，制動器不開閘，其主要原因為控制信號失效、液缸油液不足不能推動制動推桿、活動鉸點卡死不能動作以及推動器電動機故障。
制動器不開閘與控制信號失效有著密切的關聯。在役起重機尤其對工作十年以上的起重機而言，制動器的電氣控制問題故障較多，由GB 7588—2003標準可知，制動器的兩個接觸器應獨立分開控制閘瓦的開合。然而，在現實中，常存在以下情況：制動器的兩個控制裝置并沒有分開；接觸器的連接方式為并聯。
2)制動轉矩不足
在制動器工作時，可以將制動轉矩看成由兩部分構成，一部分是制動彈簧預緊力產生的制動轉矩，用Mt來表示，其值為正；另外一部分是推動器的推力產生的制動轉矩，方向與Mt相反，用Md來表示，其值為正。則制動轉距M可表示為
另由推動器推力F產生的制動轉矩為
式中，N為正壓力；F為推力；i為驅動杠桿比；d1為有效摩擦直徑；Mt為額定制動轉矩；μ為摩擦系數。
由電力液壓盤式制動器構造可知，泵的壓力與轉速、轉速與功率都是二次方的關系，而轉速與流量是正比例關系，故推動器產生的推力F與制動器電動機轉速n的二次方成正比關系，如圖3所示。
圖3 制動轉矩與制動電動機轉速關系
式中，ne為電動機額定轉速；Fe為推動器在電動機額定轉速下的推力。
故制動轉矩可表示為
由以上公式可見，影響制動轉矩的主要因素有制動電動機轉速、推動器的推力、閘瓦與制動盤之間的摩擦系數、閘瓦間隙、主彈簧預壓量等，而造成制動轉矩不足主要有三個方面的原因，即正壓力不足、摩擦系數下降、制動盤接觸面不足。
引起正壓力不足的原因主要有四點：一是閘瓦間隙過大造成正壓力不足；二是制動器主彈簧疲勞或斷裂而引起的性能降低或失效；三是推動器活塞和液壓缸卡住；四是由于推動器液壓缸漏油造成制動電動機燒壞。造成摩擦系數下降的原因主要有制動盤污染、制動盤過熱和摩擦片磨損嚴重。制動盤接觸面不足的原因主要有兩方面：一是制動盤偏擺，由于制動裝置安裝存在誤差、加工誤差、周圍環境（如振動）的影響，制動裝置會存在偏擺；二是由于閘瓦制動時溫度過高，而發生疲勞變形，即閘瓦溫度的循環變化引起內應力變化并產生疲勞破壞。
3.空運時間過長
制動器開始起動到投入有效制動轉矩的時間為上閘時間，制動器理論響應時間為0.3～0.5s。由于制動器開閘間隙大、油液回流慢、彈簧疲勞或者拉桿鉸點故障等，易造成空運時間過長，使制動距離太長，引發起重機安全事故，即為制動失效。
其原因主要有以下三點：
第一是退距距離過長。這樣會造成制動器閉合時閘瓦的行程變大，從而造成閉合時間過長。
第二是制動器液壓缸阻力過大。當制動器在閉合時，推桿向下移動，此時液壓缸的油液會對推桿有阻力作用，如果液壓缸阻力過大，推桿復位的時間就會加長，容易造成空運時間過長。
第三是密封圈損壞。制動器上閘瞬間推動器液壓缸回路存在一定的壓力，如果密封圈損壞，則會造成壓力不足而影響推桿移動的時間，因此會影響空運時間。
三、制動器運行狀態監測內容
1.推桿位移監測
推桿位移是評價制動器性能好壞的重要指標，監測推桿位移就是監測推桿上下制動位移量S，制動器每次在制動時有向上的位移量S，根據JB/T 10603—2006對推動器額定行程S的規定，當推力為1250N時，S為60mm或120mm；起重機工作時，推動器工作推動制動器推桿向上移動，推桿位移量是反映制動器是否正常工作最直觀的參數，因此推桿位移是最佳的選擇監測點。圖4所示為推桿位移監測量示意圖。
圖4 推桿位移監測量示意圖
由于電力液壓盤式制動器為常閉式制動器，在起重機不工作時，常閉式制動器的支持制動可使各機構正常工作斷電停止時，克服重力或風載等外力作用，進行制動防溜保持停止。當推桿沒有向上移動即保持制動狀態時，測得的位移量X=0，由于制動器在X=0的狀態下為制動狀態，則監測系統顯示為制動狀態；當起重機起動后，電動機起動，制動器開閘，推桿向上移動X，當X=S時，制動器閘瓦完全打開，卷筒開始工作，則監測系統顯示為制動開閘狀態。
2.制動溫度監測
制動盤面和摩擦襯片摩擦時產生的溫度影響制動器性能。由于制動盤與摩擦片直接相接觸，制動時靠摩擦力制動溫度越高，表示摩擦得越好，制動效果越好，但是溫度不是越高越好，而是有一定的范圍。當溫度達到摩擦材料失效的臨界值時，材料本身的性能會退化，從而造成制動時制動效果衰退。因此溫度監測是判斷制動器制動盤是否損傷的一個重要指標。
3.制動退距監測
制動退距是指制動閘瓦與制動臂連接，內圓柱面上可安裝制動襯墊的零部件后退距離。起重機規程中明確要求檢查制動器的退距，即制動輪松開時，制動閘瓦與制動輪各處間隙應基本相等。制動器驅動裝置的工作行程調整與制動襯墊的總退距有直接的關系，制動器起動時，如果出現一邊退距大，一邊打不開而始終摩擦，則會造成單邊摩擦溫度過高，降低制動器的制動性能，同時也會使制動襯墊磨損加快。因此退距是評價制動器制動性能的重要指標參數。
4.制動轉矩監測
當推動器電動機驅使離心泵旋轉，利用油壓推動活塞桿上下移動，由于力具有傳遞性，油壓活塞的推力傳遞到制動器推桿，經制動臂作用在軸瓦與摩擦副的表面，從而形成正壓力。
電力液壓盤式制動器依靠摩擦片與制動盤的摩擦力的作用達到制動效果，由于制動力是判斷制動器能否制動的一個重要指標，但由于閘瓦摩擦片與制動盤直接接觸，則制動閘瓦的正壓力需要采用潛埋式壓力傳感器，長期監測效果并不是很理想。因此采用間接法監測推桿的推力F。圖5所示為電力液壓盤式制動器簡圖。
圖5 電力液壓盤式制動器簡圖
制動輪的正壓力與推桿推力之間的關系為
制動轉矩為
式中，N為對制動輪的正壓力（單位為N）；F為推桿推力（單位為N）；D為制動輪直徑（單位為mm）；f為摩擦系數；NM為最大額定彈簧閘力（單位為N）。
5.制動盤偏擺監測
制動盤的偏擺量是一項重要的監測參數，一般而言，偏擺量對制動器的好壞沒有什么直接的反映，但是，制動盤的偏擺量的大小值卻可以從另一方面反映制動臂與制動盤能夠有效接觸的面積大小。如果在起重機進行制動時，制動摩擦片與制動盤不能夠有效地接觸，則制動器的制動轉矩有可能會小于標準值，從而使起重機無法及時地制動，容易發生安全事故。此外，如果制動盤偏擺量過大，也會導致制動片磨損過大，從而降低制動臂摩擦片的使用壽命。因此，對制動器制動盤偏擺量進行實時在線監測，具有重要的意義。為了使偏擺傳感器的安裝方便，同時為了能夠長期監測并得到準確的數值，結合電力液壓盤式制動器的構造，傳感器安裝在制動臂架內并與制動盤平行。
四、起重裝備制動器性能監測系統
1.監測系統整體設計
監測系統的硬件總體結構示意圖如圖6所示。硬件系統主要包括主機部分、信號采集卡、信號調理部分、傳感器等。
圖6 監測系統的硬件總體結構示意圖
1)壓力傳感器
轉矩是評價制動性能的重要參數，但根據制動器的結構可知，如果直接安裝轉矩傳感器在制動器上是很困難的，因此間接監測制動主彈簧的正壓力，再換算成相應制動時刻的轉矩。
力學傳感器種類很多，結合制動器的結構特點、監測位置特性，選用壓阻式壓力傳感器。如圖7所示，壓阻式壓力傳感器結構是采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內，引出電極引線。
圖7 壓力傳感器結構示意圖
2)位移傳感器
（1）制動推桿所用傳感器
根據制動器推桿的結構特點，考慮行程量的精度，選用新型的非接觸式電感傳感器，如圖8所示。傳感器測量采用非接觸、無磨損的測量方式，其特點就是精確度高、線性度好，并能保證其使用壽命和制動推桿在任何情況下無妨礙工作。
圖8 非接觸式電感傳感器
非接觸式電感傳感器采用電壓信號測量。線圈特殊的布置方式確保PLC電路和傳感器信號的穩定性，即便在允許范圍內（0～4mm）出現縱向或橫向的移動，信號通過16位高分辨率處理后傳到輸出。所選的傳感器內有兩個電子線圈電路板，第一個電路板上布滿了感應線圈元件，它的位置在傳感器表面的下方。第二個電路板上分布的是電路的信號處理部分，位于第一個電路板的下方。因此，選擇此型號的傳感器其盲區非常小。
（2）制動退距所用傳感器
在退距監測中選用非接觸式電渦流傳感器，因為本類傳感器的感應探頭依靠交變磁場的變化可以測得金屬表面的距離變化，感應靈敏，測量中引起的振蕩電壓的變化轉化為電壓或電流信號，從而將機械位移轉化為電信號的變化。
非接觸式電感位移傳感器安裝在制動器推動器的頂端，位移傳感器的感應探頭固定在頂端隨之與推桿一起運動。電渦流傳感器測量退距安裝在制動臂內側，傳感器的探頭對準制動盤，其安裝示意圖如圖9所示。
圖9 位移傳感器安裝示意圖（退距）
1—制動臂 2—傳感器安裝點 3—摩擦片 4—制動盤溫度傳感器
3)溫度傳感器
制動器制動過程中由于摩擦導致溫度較高，如果在制動時摩擦材料或制動盤溫度過高，會降低制動器的制動性能，有可能造成嚴重的事故。在對制動器制動溫度監測時考慮散熱性，在制動盤與摩擦襯片剛好非接觸的時刻應為最理想的溫度，但由于臨界接觸狀態很難直接測得，因此采用非接觸式溫度傳感器。
4)工控機與采集卡
一個完整的監測狀態診斷系統必須由監控軟件和硬件系統組合而成。監控軟件的主要功能是在系統獲得外界信號后進行處理、分析，監測診斷現場設備的運行狀況。而硬件系統則是給監控軟件提供外界信息的主要來源，是監控軟件系統運行的基礎。設計一套技術先進、運行可靠、抗干擾能力強的硬件系統，是保障整個系統正常運行的關鍵。
（1）工控機
由于起重機現場工作環境比較復雜，工控機必須要求能夠適應振動、沖擊、灰塵等環境，因此選擇性能穩定、可靠性好的工控機作為系統的主機。
（2）采集卡
信號采集卡是計算機與外部設備進行信息交換的橋梁，各類采集信號都需要通過采集卡再輸送到計算機，為了能夠使系統得到更加穩定的、可靠的信號，應選擇高性能的采集卡。
2.基于多變量傳感器的制動器性能監測系統
基于多變量傳感器的制動器性能監測系統基本結構可分為三部分，第一部分是由計算機和監測軟件構成的上位機監測系統；第二部分是通信接口卡；第三部分是由單片機以及外圍部件構成的下位機數據采集的智能節點。總體設計框圖如圖10所示。
圖10 總體設計框圖
上位機監測系統由一臺帶有標準串口的工控機組成，系統工作過程中下位機智能節點對制動推桿位移、制動溫度、退距、正壓力等模擬量進行數據采集和處理，并把處理后的數據通過總線傳給通信接口卡，再由通信接口卡把數據轉換為相應數據格式后送向監控工控機。監控工控機發送下來的總線格式的數據經通信接口卡轉換成總線協議格式送向下位機智能節點。上位機的軟件主要是實現系統的參數設置、顯示、數據保存、記錄各閘的運行情況和監測制動器的運行狀態等功能。顯示的數據可以與制動器的技術指標進行比較，若超出限定值，則系統報警；保存的數據應用于后續的BP神經網絡的訓練，從而達到預診斷的目的。
下位機智能節點主要是對如制動推桿位移、制動溫度、退距、正壓力等模擬量進行數據采集和處理，將處理后的數據上傳，同時將數據與程序中預設數據進行比較，若超出限定值，則系統報警，通過對制動系統電控部分的控制達到對起重機制動器的緊急保護功能。
進入制動器健康狀態監測系統的主顯示界面，如圖11所示。反映制動器各性能參數的狀態信息均可在主界面顯示，可較直觀地診斷制動器的健康運行狀態。
圖11 系統顯示界面
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