岸桥盘式制动器有限元分析及检验研究

徐红春

（上海冠东国际集装箱码头有限公司，上海  200120）

摘  要：制动器是港口机械的关键组成部分，在岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）中表现更为突出。本文基于Workbench对岸桥主起升环节中的高速制动器进行了有限元分析、得到了应力和应变在各结构件的分布、探讨了液压盘式制动器制动故障分析以及后续的维护与保养。

关键词：岸桥；液压盘式制动器；有限元分析；维护

0 引言

岸桥有四大驱动环节：主起升环节、前大梁俯仰环节、大车行走环节、小车牵引环节，这些环节所使用的制动器通常是不相同的，本文选取了主起升环节的高速制动器：液压盘式制动器如图1。

 图1 制动器实物

制动器的存在能够保证岸桥作业中的准确性，进而保证岸桥在集装箱作业中的安全性。近年来，随着我国港口经济的快速发展，集装箱的货运量逐年快速增加，岸边集装箱起重机的工作量也大大增加，但是高负荷的工作量往往使岸桥制动器出现故障或失效，给港口带来不必要的经济损失，严重的会造成安全事故。因此为了保障岸桥的安全运行，需要对岸桥的主起升环节所使用的液压盘式制动器进行有限元分析，以及分析其故障或失效原因，并对以后进行有效的维护与预防。

1 盘式制动器的组成及工作原理

选取型号YP41-4500-900×30液压盘式制动器，其参数见表1，起重机类型

表1 制动器参数

中，较为常用的制动设备是盘式制动器，它是通过制动将机械能转换成热能的一种装置，主要包括机架、制动臂、制动衬垫、传动臂、杠杆组件、连杆机构、液压推动器和开闸限位行程开关机构，其制动工作原理如下：制动液压缸输出力经传动臂和连杆作用到制动臂上产生制动力矩，一对制动臂相对缓慢运动，靠近中间的制动盘，衬垫与制动盘接触摩擦,实施停车制动。放松制动液压缸，泵内的回位弹簧将柱塞推回原位，油路中的压力迅速降低，液压缸带动摩擦片恢复到原位，从而停止制动。

2 有限元分析

2.1 有限元法

ANSYS软件的分析过程可以分为三个步骤：有限元模型的建立、施加载荷和求解、编辑查看结果，对应的分为前处理器、求解处理器和后处理器三个模块，如图2所示。

图2 ANSYS有限元分析步骤

本文的分析步骤第一步是在Soildworks中建立三维缩尺模型如图3所示，然后进行模型简化使后续的有限元分析中能够精确的划分模型网格，如图4所示。

图3制动器三维模型                 图4制动器简化

选取的制动器的金属结构材料为Q345B钢，其材料性能如下：密度：；屈服极限；泊松比：P=0.3；弹性模量：E=2.1×105Mpa。通过密度调整的方法将其他结构的重量平均到各个单元中，其密度调节公式为：

其中：为模型的设置密度，为制动器金属结构总质量，为单元总质量，为有限元模型总质量。

基于ANSYS有限元分析中的一个模块Workbench，对制动器进行分析，采用六面体网格划分单元如图5，通常对不同的构件进行网格调整。从图可以观察到，关节的构件部位往往网格划分的更为密集，这是为了使有限元分析更为准确。在仿真中，对液压缸施加一个2000N的力，经过传动臂和连杆将力传给制动臂，制动臂相对运动，靠近两制动衬垫间隙中的制动盘来进行摩擦制动。

图5 制动器网格划分

2.2 有限元分析的结果

通过对液压盘式制动器施加约束、对网格进行划分、固定底座，在荷载作用下，对制动进行有限元分析，研究制动器整体和部分构件的应变和应力图，最后得出结论。有限元分析如图6-图8所示，图6、图7分别是整个制动器的应变和应力图。

图6 制动器应变                           图7 应力

图8 零部件应变和应力

有限元分析可知，液压盘式制动器的应力和应变都在减小，应变和应力值比较大的地方通常是在制动器构件的连接处。列入制动臂和连杆连接处的应变和应力比较大，这是由于选取钢材的材质比它的屈服强度要高，由此可以看出制动处于一个相对静止状态，另外液压缸和底座的应力和应变相对较小甚至没有。综上在今后的维护与保养中要注重构件连接部位、制动臂，防止出现出现钢结构的变形，严重的话甚至产生断裂，以及连杆的时常观测检查，防止变形。

3盘式制动器的检验与失效分析

制动器的制动力矩可用下列公式表达：

：制动衬垫作用于制动盘上的制动力，单位N；

：制动盘与制动衬垫之间的摩擦系数；

：制动盘摩擦半径，单位m；

：制动衬垫的个数。

由公式可知，制动衬垫的个数和制动盘的摩擦半径是已知的，所以制动力矩主要与制动衬垫作用在制动盘上的制动力有关。

3.1 制动升温

在作业过程中，由于制动器长期制动，产生大量的热量，使衬垫与制动盘之间的间隙变大，制动阻力系数下降，进而制动力矩减少，不能及时有效的进行制动，较为严重的是造成金属疲劳产生断裂，出现制动失效的情况。所以在实际作业工况中要减少长期、频繁的使用制动装置，来减少此类事件的发生。

3.2 结构件故障

长时间的作业操作，再加上集装箱起重机所使用的制动器本身包含很多零部件，只要一个器件发生故障就会牵连导致整个制动器失效。通过对制动器故障进行理论与实际的深入研究，就会知道每个环节的问题。比如液压缸器件出现渗油情况，就会引起部分组件出现硬化现象以及碟簧开裂受损，进而影响液压缸的弹性能力，造成制动器正压力和制动能力下降。

3.3 制动衬垫磨损、位移

长期的间断的作业下，制动衬垫会发生磨损，甚至会变形，衬垫与衬垫之间的间隙会越来越大，制动的扭矩会降低。所以对衬垫的磨损要经常检测，定期更换。这样才能保证制动器的安全，保证岸桥的正常作业，以免造成不必要的经济损失。

3.4 其他原因

岸桥在作业中，工作人员的操作失误，也会使制动器出现问题。列如，使用单位日常安全意识不到位，在发现有些制动器的零部件出现安全隐患后，没有做到即时的处理解决，而是一直违规的使用岸桥。对于制动这一方面，通常默认岸桥操作人员是使用反车制动，并没有即使的纠正。使用单位也没有进行安全操作培训，岸桥作业者在作业中进行反向操作、斜拉等违规操作，而且发现岸桥机械出现安全隐患也没有即使记录上报，安全意识不强，认为岸桥作业总是没有问题，忽略安全隐患造成的后果。

4 盘式制动器的维护与保养

在作业前，需要对制动器检查各活动连杆的灵活性，螺母螺栓是否出现脱落或松动的现象，启动时两衬垫与制动盘的间隙是否相等，制动盘的表面是否有油污，液压系统是否正常。当制动器的零部件出现下述情况之一时，其零件应更换:

(1)推动器推力达不到松闸要求或无推力；

(2)主要摆动铵点出现严重的磨损，并且磨损导致制动器驱动行程损失达原驱动行程20%以上；

(3)制动衬垫的表面出现炭化或剥脱面积达到衬垫面积的30%；

(4)制动衬垫的表面出现严重的龟裂现象或裂纹；

4.1 更换衬垫

制动衬垫是一个容易受损的构件，在更换时，要注意尽量选择同一厂家的产品，不能低于之前制动片的规格要求。而且再更换时还要注意与初始位置要小于0.5mm，以免造成后续制动作业中将衬垫移位或脱离。

4.2 液压缸维护

液压缸出现渗油情况，要及时进行处理，更换密封组件时，需要对液压缸清洗处理。先要用汽油清洁活塞、缸内部件、缸体内壁等密封件的位置，接着用高压水枪清洗，最后再使用压缩空气吹干。维护完毕时，需要快速安装在制动器上进行制动测试，来确保制动效果达到标准的制动力矩。

4.3 制动器健康监测

制动器健康监测子系统如图9是属于岸桥整个检测系统的一部分。制动器健康监测子系统主要是达到对制动位移监测以及制动衬垫温度的实时在线监测。

图9 制动器健康监测系统

于制动盘与衬垫直接相接触，制动时靠摩擦力制动，热传导具有延迟性，热量在短时间内来不急传导之间温度越高，会导致靠近摩擦区域的地方温度很高。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。

5 结论

本文对岸桥的主起升液压盘式制动器进行了有限元分析，在一般情况下，制动臂和构件连接处存在较大应力和应变；各个构件的屈服强度均远大于应力，说明其静态处于安全状态；在日常的维护与保养中要着重于关节部位、制动升温、衬垫磨损、液压缸渗油、结构件老化以及作业人员操作等全工况的相关工作，制动器健康监测系统也是后续工作更为关注的方面。