基于滚珠丝杆推动松闸的电子机械式轮边制动器的研制与试验

基于滚珠丝杆推动松闸的电子机械式轮边制动器的研制与试验长沙三占惯性制动有限公司杨国平摘要：介绍一种基于滚珠丝杆推动松闸的电子机械式轮边制动器的设计特点、应用范围、防风机理及试验情况。

该新型轮边制动器的应用，将有助于进一步提高轨道式大型港口起重机在工作状态突发阵风袭击下的抗风防滑能力。

关键词：滚珠丝杆、松闸、突发阵风、抗风防滑、电子机械式轮边制动器、动载应力释放、延时分批制动。

前言：近年来，随着国际航运中船舶大型化和泊位的深水化，港口起重机械正日益向大型化发展。

然而，由于设备的高度和迎风面积不断增大，起重机在工作状态下受突发阵风、强风袭击而被吹动滑移，甚至倒塌损毁的重大安全事故时有发生。

这些事故在造成巨大损失的同时也给起重机设计、设备管理和防风装置研制单位提出了新的研究课题。

为此，我们经过多年的研究和实验，设计开发出一种新的一种基于滚珠丝杆推动松闸的电子机械式轮边制动器。

经试验证明，它能有效克服传统液压式松闸轮边制动器需要配置液压泵站的不便之处及维护困难，同时通过机械、电子和系统联机互锁集中控制等功能设计，可以进一步提高大型港口起重机在工作状态突发阵风袭击下的抗风防滑能力。

1.港口起重机的大型化发展，对防风装置提出了更高要求港口装卸用门座式起重机从10T30M、16T33M、过渡到25T33M、40T35M。

适用于当今超巴拿马船型的岸边集装箱起重机的高度和外伸距已达７０米。

现代化船厂门座式起重机的起重量达到250T、300T，龙门式起重机的起重量达到600T、900T。

装卸船机装卸能力达到7500吨／小时以上。

随着起重机的大型化和超大型化发展，防风问题、尤其是工作状态下的防风问题，显得非常突出。

过去中、小型设备迎风面积较小，做好主动轮制动就能基本上解决防突发阵风的问题。

现在设备向大型化发展，起重机高度和迎风面积都有很大的增加，计算表明，像大型岸边集装箱起重机这一类设备，仅靠主动轮制动已不能满足工作状态下的防风的安全性要求，若从动轮能有效制动，则能进一步提高设备防突发阵风能力。

基于滚珠丝杆推动松闸的电子机械式轮边制动器研制成功，为轨道式大型港口起重机防风抗滑装置的设计与选用提供了一种新的选择。

2.电子机械式轮边制动器的设计特点２.１总体设计思路这种新型的电子机械式轮边制动器在开发设计时就已充分吸取液压夹轮器的优点，采用紧凑的夹钳结构、高性能的摩擦材料；为了避免液压油缸式松闸装置的固有缺点和不足,本设计创新采用了由大力矩，可频繁启动且电流小，过载能力强且具有一定堵转能力的高性能交流力矩电机驱动的滚珠丝杆机构作为松闸装置,同时采用由低压直流电磁铁控制的具有单向逆止、分离功能的电磁保持器作为松闸保持装置,从而形成结构独特、性能优越、可靠性高的松闸装置。

２.２装置结构及工作原理DLBZ电子机械式轮边制动器（专利申请号：200920064418.3）如图1所示由微电机、减速传动装置、具有单向逆止和分离功能的电磁保持器、滚珠丝杆幅、凸轮增力机构、弹簧制动缸、制动夹钳和电控系统组成。

由微电机带动滚珠丝杆幅压缩弹簧松闸，电磁保持器维持松闸状态，通过控制电磁保持器释放压缩弹簧使制动夹钳上闸。

工作时，由微电机驱动减速传动装置,使滚珠丝杆幅输出推力，通过凸轮增力机构来消除制动弹簧作用力,将制动夹钳松闸。

松闸后，电机停止工作，由电磁保持器逆止减速传动装置反转，维持松闸状态。

制动时，电磁保持器通电吸合分离保持器，减速传动装置反转，由压缩的制动弹簧作用力使制动夹钳上闸，产工程图１：电子机械式轮边制动器结构图1.微电机2. 电磁保持器3. 减速传动装置4.滚珠丝杆幅5.凸轮增力机构6.弹簧制动缸7.制动夹钳生制动作用。

该防风装置采用了电子机械式驱动机构，可便捷地通过自动化控制手段来满足设备的各种防风工况要求，具有稳定可靠的防风效果。

电子机械式轮边制动器采用夹钳结构，通过高性能的摩擦衬垫与轮缘侧面摩擦产生抗风阻力。

具有非常稳定的摩擦性能和防风制动效果；它体积小，结构紧凑、安装简易，单台设备可设置多台轮边制动器。

并且具有在紧急状态下，实施动态紧急制动的功能，使整机具有较高的防突发阵风的能力。

２．３滚珠丝杆松闸装置的设计与使用特点滚珠丝杆松闸装置是本电子机械式轮边制动器区别于传统轮边制动器的关键性结构部件。

在设计中，我们采用了微型交流力矩电机驱动滚珠丝杆幅的结构作松闸装置，电磁保持器作为松闸保持装置。

微型交流力矩电机具有控制简捷，输出力矩大，过载能力强，可频繁启动，并且能堵转工作的特点是重载推动装置的最佳驱动器；滚珠丝杆幅传动效率高，运行平稳，承载能力强，使用寿命长，能将旋转力矩转换成直线推力，也能将直线推力反向转换成旋转力矩。

电磁保持器由低压低功率直流电磁铁、单向轴承和离合装置组成，独特的设计结构使其具有单向逆止和分离功能，并且启动迅速，逆止准确，分离可靠。

这种纯机械电子式的松闸装置经过试验证明，具有以下特点：①松闸推力大，动作迅速准确，效率高，使用成本低，维护简单，使用寿命长；②能使使用这种松闸装置的制动器具有长间保持松闸状态的功能，可以使轨道式大型港口起重机作业时大车运行机构处于自游状态，有利于起重机动载应力的释放，消除冲击，减少机构的疲劳损伤；③特别是它不同于传统液压松闸装置，没有液压系统容易出现的油管、密封件老化、液压件磨损、漏油、系统乏力、阀芯卡死等故障现象。

使用这种电子机械式轮边制动器相对于液压制动器有利于保护环境，节约能源。

２．４控制器及其与起重机联机互锁集中控制的功能设计２．４．１控制器模块本电子机械式轮边制动器采用机电一体化思路设计。

其自带控制系统DK1控制器由电源模块、松闸装置电机控制模块、松闸装置电磁铁控制模块、制动器动作控制及信号反馈模块和信号指示等部分组成。

电源模块可为系统提供具有UPS功能的DC48V电磁铁电源和DC24V控制电源，以保证供电系统断电时电子机械式轮边制动器能实现自动延时制动；松闸装置电机控制模块可对每个松闸装置电机独立控制，便于监视和故障排除，并带有松闸装置的额定行程、微电机温度和微电机单次接通时间保护；松闸装置电磁铁控制模块为系统制动时，设定制动延时时间及制动顺序；制动器动作控制及信号反馈模块和信号指示提供联机接口和状态指示。

这种控制器采用模块化设计，组合灵活。

DK1-4控制器为基本规格，它可以同时控制4台DLBZ电子机械式轮边制动器，并可分两批次制动，首次制动两台，延时后再制动两台。

需要配置更多制动点时可采用多台DK1-4控制器组合，也可定制多点控制器。

比如8个制动点可以采用2台DK1-4控制器并列控制或顺序控制，也可采用1台DK1-8控制器。

具体采用什么方式需根据设备现场布置情况确定，制动点布置集中时，一般采用多点控制器。

并列控制在制动时各控制器同时动作，所有制动点只能按各自控制器整定的时间延时分批制动。

顺序控制在制动时各控制器按联接顺序依次动作，制动点可按顺序依次延时分批制动。

２.４.２轮边制动器与起重机联机互锁集中控制及保护功能的实现电子机械式轮边制动器通过控制系统控制，可实现起重机作业时长时间保持松闸状态。

停车时可按电控系统整定的时间自动延时制动，在动态紧急制动时还可以实现按预先设定的制动点位置和延时时间顺序分批上闸。

一般可分两到三批上闸，延时时间为2~10秒。

即便是在供电系统断电时，也可通过控制系统自身所带的备用电源实现延时分批上闸，而不会在断电瞬间使全部的轮边制动器同时上闸造成设备产生巨大的冲击。

此外，通过与主机电控系统联锁，可实现各种自锁保护功能。

如：风速仪，速度传感器等设备控制的自动制动、手动制动、系统联机互锁集中控制制动等功能。

因此这种电子机械式轮边制动器可适用多种轨道式大型港口起重机的防风要求。

3.应用范围及防风能力DLBZ电子机械式轮边制动器可广泛适用于门座式起重机、龙门式起重机、岸桥、斗轮堆取料机、装卸船机等大型有轨起重装卸设备的从动轮防风制动。

DLBZ电子机械式轮边制动器在门座式起重机上使用时，可在设备工作时长时间松闸，适用行走机构自由游动，消除冲击,释放动载应力；在龙门式起重机上使用时，可在设备工作时长时间松闸，适用其行走机构频繁启制动工作的要求；在岸桥、斗轮堆取料机、装卸船机等大型起重设备上使用时,可与主机控制系统联机，制动器自动提前松闸、延时分批制动，也可采用手动操作由司机控制制动器松闸与制动。

遇风时可由风速信号或司机操作上闸，提供足够的抗风阻力。

DLBZ电子机械式轮边制动器可最大限度的利用设备的重量与轨道的相互作用提供最大的水平抗风阻力。

轮边制动器夹紧力按非工作状态最大轮压设计，能保证夹持住最大轮压的车轮，计算时可按平均轮压直接计算。

参照设计计算，多组车轮在被夹持下所能提供的平均水平抗风阻力一般可参照下表：在强风地区的重要设备，建议从动轮全部安装夹轮器。

4.试验情况为了全面的检测该产品性能、参数、功能是否达到设计技术要求和能否满足现场使用要求，研制小组对该产品进行了以下几项综合试验：４.1 夹持力检测试验，动态和静态制动力矩检测试验，制动拖磨试验４.2 制动器动作性能及寿命试验４.3 防风模拟检测试验试验现场如图2、3、4、5所示，防风模拟检测试验结果如图6所示。

图2 动态和静态制动力矩试验图3 制动器动作性能及寿命试验图4、5电子机械式轮边制动器进行防风安全模拟试验现场图6电子机械式轮边制动器进行防风安全模拟试验曲线图试验结纶：①电子机械式轮边制动器的动作时间为：打开不大于2秒，闭合不大于1秒；②样机的寿命试验松闸、上闸动作次数达到300000次以上；③DLBZ40-180型电子机械式轮边制动器经防风安全装置检测试验台检测，测得其与制动车轮外侧轮缘之间产生的最大静摩擦力为68.55kN，稳定滑动摩擦力为58.996kN，完全满足产品设计（额定静摩擦力63kN±5%）要求。

5.结论以上介绍的基于滚珠丝杆推动松闸的电子机械式轮边制动器是一种结构独特、安全可靠、环保节能、功能丰富、适用性强的新型防风制动装置。

它能很好的解决大型港口起重机和龙门式起重机等轨道式大型移动起重装卸设备的从动轮防风制动问题（工作时可长时间松闸，消除冲击,释放动载应力），提高大型起重机设备的防风能力并适用各种作业工况要求。

同时它也适用于斗轮堆取料机、桥吊、装卸船机的防风要求。

采用主动轮防风制动和电子机械式轮边制动器从动轮制动相结合的方式，能有效提高现有大型起重、装卸设备工作状态在突发强风袭击下的抗风防滑能力，进一步降低因突发强风引起的起重机损毁事故。