王松雷 王欣仁
1 工業(yè)制動(dòng)器能效測(cè)試研究的意義
鼓式制動(dòng)器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫九環(huán)2020年10月29日訊 節(jié)約能源是我國(guó)的基本國(guó)策，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。我國(guó)是世界上能源消耗最大的國(guó)家之一，2008 年單位GDP 能耗為1.1 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/ 萬(wàn)元，世界主要國(guó)家單位GDP 能耗排名僅次于南非，單位GDP 耗能超過世界平均水平的2 倍。2015 年我國(guó)能源能耗總量43 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，單位GDP 能耗0.64 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/ 萬(wàn)元，雖然單位GDP能耗有所下降，但仍然超過世界平均水平的2 倍。特種設(shè)備節(jié)能是節(jié)能工作重要的一環(huán)，我國(guó)80% 的能源是被特種設(shè)備消耗的，我國(guó)在用起重機(jī)械超過210.44萬(wàn)臺(tái)，據(jù)推算，我國(guó)起重機(jī)年用電量超過370 億kW 時(shí)，制動(dòng)器約占整個(gè)起重機(jī)耗電量的2%，單臺(tái)制動(dòng)器的電機(jī)功率已達(dá)1 000 W，有的甚至更大，制動(dòng)器年耗電量超過7.4 億kW·h。開展工業(yè)制動(dòng)器能效測(cè)試的研究，對(duì)工業(yè)制動(dòng)器能效檢測(cè)和節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能監(jiān)管等環(huán)節(jié)都具有重要意義。
2 能效測(cè)試臺(tái)架
按照GB/T 30221—2013《工業(yè)制動(dòng)器能效測(cè)試方法》要求的測(cè)試儀器和測(cè)試方法，測(cè)試最基本的儀器設(shè)備有電壓表、電能表、制動(dòng)器力矩試驗(yàn)臺(tái)（總制動(dòng)力不大于6 3 000 N 的制動(dòng)器測(cè)試動(dòng)態(tài)制動(dòng)力，需要?jiǎng)討B(tài)慣性試驗(yàn)臺(tái)；總制動(dòng)力大于6 3 000 N 的制動(dòng)器測(cè)試靜態(tài)制動(dòng)力，需要靜力矩試驗(yàn)臺(tái)）。除了這些必須的測(cè)試儀器，為了測(cè)試方便還可以搭建推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)、制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)、夾緊力測(cè)試儀等。
2.1 低速軸制動(dòng)器動(dòng)態(tài)慣性試驗(yàn)臺(tái)
低速軸制動(dòng)器是指安裝位置位于減速器之后的位置，制動(dòng)初速度低，正常制動(dòng)時(shí)初轉(zhuǎn)速接近0，緊急制動(dòng)時(shí)也僅是高速軸轉(zhuǎn)速的幾十分之一，或更小。制動(dòng)力矩大一般超過63 000 N，工作時(shí)一般需要配備液壓站開閘，強(qiáng)度要求高，結(jié)構(gòu)件大多由鍛造鋼板制造，最常見的作為安全制動(dòng)器使用，直接制動(dòng)卷筒法蘭。主要有液壓鉗盤式制動(dòng)器、電磁鉗盤式制動(dòng)器等。低速軸制動(dòng)器動(dòng)態(tài)慣性試驗(yàn)臺(tái)用來測(cè)試超出高速軸試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰Φ闹苿?dòng)器，一般為低速軸制動(dòng)器，通過式（1）計(jì)算有效制動(dòng)力矩。
式中：F b 為單臺(tái)制動(dòng)器的有效制動(dòng)力，N；Mb 為單臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩，當(dāng)試驗(yàn)測(cè)得的制動(dòng)力矩大于產(chǎn)品銘牌標(biāo)定的制動(dòng)力矩；Mb 為產(chǎn)品銘牌標(biāo)定的制動(dòng)力矩，否則，Mb 為實(shí)測(cè)制動(dòng)力矩，N·m；R 為理論制動(dòng)半徑，m。
低速軸制動(dòng)器動(dòng)態(tài)制動(dòng)力測(cè)試，在圖1 所示的動(dòng)態(tài)慣性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。將被測(cè)制動(dòng)器安裝在升降平臺(tái)上。根據(jù)制動(dòng)器的力矩標(biāo)尺調(diào)整制動(dòng)器制動(dòng)彈簧，將制動(dòng)力矩調(diào)到額定制動(dòng)力矩。根據(jù)額定制動(dòng)力矩的大小按式（2）來確定加載的慣量大小，通過不同慣量盤的組合來滿足需要加載的慣量，制動(dòng)初速度數(shù)值根據(jù)額定制動(dòng)力矩的大小參照J(rèn)B/T 10917—2008《鉗盤式制動(dòng)器》等制動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)來選取。測(cè)試結(jié)果可得到能效計(jì)算所需要的動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩 Mb，還可得到動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)等有用參數(shù)。
1. 制動(dòng)器安裝底座 2. 制動(dòng)偶件 3、5、6. 慣量盤 4. 軸承
圖1 低速軸制動(dòng)器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)
式中：Md 為額定制動(dòng)力矩，N·m；i 為減速器速比；n 1 為制動(dòng)初速度，r/min。
2.2 制動(dòng)器靜態(tài)制動(dòng)力矩試驗(yàn)臺(tái)
GB/T 30221—2013《工業(yè)制動(dòng)器能效測(cè)試方法》指出，當(dāng)總制動(dòng)力大于63 000 N 時(shí)可測(cè)試靜態(tài)制動(dòng)力。因此，對(duì)于制動(dòng)力大于63 000 N 的制動(dòng)器可以不用測(cè)試動(dòng)態(tài)制動(dòng)力，可以在靜態(tài)制動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)，對(duì)于制動(dòng)力大于低速軸制動(dòng)器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試能力的制動(dòng)器，也只能在靜態(tài)制動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)。制動(dòng)器靜態(tài)制動(dòng)矩試驗(yàn)臺(tái)如圖2 所示。
1. 慣量盤 2. 齒形結(jié)構(gòu) 3. 齒形塊 4. 杠桿 5. 液壓桿 6. 測(cè)力裝置
圖2 制動(dòng)器靜態(tài)制動(dòng)矩試驗(yàn)臺(tái)
制動(dòng)盤相當(dāng)于卷筒法蘭，鉗盤式制動(dòng)器鉗口加緊制動(dòng)盤。液壓桿推動(dòng)曲柄，通過半齒嚙合，推動(dòng)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)力計(jì)算仍按式（1）計(jì)算，靜態(tài)制動(dòng)力矩
式中：Mbs 為靜態(tài)制動(dòng)力矩，N·m；p 為液壓缸壓力，N/mm2；A 為液壓缸活塞面積，mm2；G 為杠桿質(zhì)量，kg；L 為液壓缸中心至制動(dòng)中心的距離，m；a 為杠桿質(zhì)心至制動(dòng)中心的距離，m。
2.3 高速軸制動(dòng)器動(dòng)態(tài)慣性試驗(yàn)臺(tái)
高速軸制動(dòng)器是指安裝于減速器之前，制動(dòng)初速度高、制動(dòng)力矩不大、制動(dòng)力一般小于63 000 N、結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度要求低，普遍用作起重機(jī)的工作制動(dòng)器。主要有電力液壓鼓式制動(dòng)器、電力液壓盤式制動(dòng)器、電磁鼓式制動(dòng)器、電磁盤式制動(dòng)器等。 動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩測(cè)試臺(tái)與圖1 的慣性試驗(yàn)臺(tái)類似，只是沒有減速器。根據(jù)額定制動(dòng)力矩的大小按式（4）來確定加載的慣量大小，制動(dòng)初速度數(shù)值根據(jù)額定制動(dòng)力矩的大小參照J(rèn)B/T 6406—2006、JB/T 7020—2006、JB/T 7685—2006 等制動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)來選取。
式中：ΣJ 為慣性試驗(yàn)臺(tái)主軸上模擬總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Md 為額定制動(dòng)力矩，N·m；n 1 為制動(dòng)初速度，r/min。
2.4 推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)
推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)是專為測(cè)試推動(dòng)器推力和耗能的試驗(yàn)
裝置，如圖3 所示。目前市場(chǎng)上95% 以上的工業(yè)制動(dòng)
器驅(qū)動(dòng)裝置采用的是推動(dòng)器，主要是電力液壓推動(dòng)器，
也有極少量的電磁推動(dòng)器。對(duì)于同型號(hào)電力液壓制動(dòng)器
能效的高低主要取決于推動(dòng)器的耗能，因此，制動(dòng)器能
效可以在推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試推動(dòng)器的能耗，推動(dòng)器的
負(fù)載按式（6）計(jì)算。
圖3 推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)
式中：F 為推動(dòng)力推力負(fù)載，N；D 對(duì)于鼓式制動(dòng)器為制動(dòng)器輪直徑，對(duì)于盤式制動(dòng)器為有效制動(dòng)直徑，mm；μ 為摩擦因數(shù)，一般為0.35~0.4，也可為實(shí)測(cè)數(shù)值；η 為機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)效率，取0.85；Φ 為推力利用系數(shù)（由設(shè)計(jì)規(guī)定），一般取0.95；i 為驅(qū)動(dòng)裝置輸出推力至制動(dòng)瓦的總杠桿比，對(duì)于電磁制動(dòng)器一般為0.8~2.5，對(duì)于電力液壓制動(dòng)器一般為8~16，具體可看設(shè)計(jì)圖紙或根據(jù)結(jié)構(gòu)形式計(jì)算；Me 為制動(dòng)器的額定制動(dòng)力矩，也可為實(shí)測(cè)制動(dòng)力矩，N·m。推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于研究不同制動(dòng)力下制動(dòng)器的能效極為方便，只需要改變推動(dòng)器負(fù)載（砝碼）的重量即可，不用在制動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)上不斷調(diào)整制動(dòng)彈簧和重復(fù)測(cè)試制動(dòng)力矩，對(duì)于研究推動(dòng)器耗能和制動(dòng)器能耗非常方便。
2.5 電參數(shù)測(cè)試儀
電壓表、電能表精度0.5 級(jí)，最小分辨力0.001 度。
3 能效測(cè)試實(shí)例
3.1 被測(cè)樣機(jī)基本參數(shù)
測(cè)試樣機(jī)為：YWZ8-700/E301，額定制動(dòng)力矩為8000 N·m，制動(dòng)輪直徑700 mm；推動(dòng)器型號(hào)Ed301/6，推動(dòng)器電機(jī)額定功率550 W，額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，額定推力3 000 N，額定行程60 mm，額定動(dòng)作頻率1 200 次/h，接電持續(xù)率40%。
3.2 有效制動(dòng)器力測(cè)試
由于該制動(dòng)器的額定制動(dòng)力矩為8 000 N·m，額定制動(dòng)力為22 857 N，小于63 000 N，因此，在高速軸制動(dòng)器動(dòng)態(tài)慣性試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩。測(cè)試如圖4所示。測(cè)試結(jié)果為8 455.2 N·m，大于額定制動(dòng)力矩。根據(jù)GB/T 30221—2013《工業(yè)制動(dòng)器能效測(cè)試方法》，制動(dòng)力選取額定制動(dòng)力8 000 N·m 參與計(jì)算，有效制動(dòng)力按式（1）計(jì)算的結(jié)果為22 857 N。
3.3 推動(dòng)器耗電量測(cè)試
1）斷續(xù)工作制耗電量測(cè)試40% 接電持續(xù)率，1 200 次/h 動(dòng)作頻率，測(cè)試電壓在390 V 左右，工作電流1.27 A 左右，1 h 耗電量0.2214 kW·h。
圖4 制動(dòng)器動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩測(cè)試
2）連續(xù)工作制推動(dòng)器耗電量測(cè)試100% 接電持續(xù)率，測(cè)試電壓在390 V 左右，工作電流1.28 A 左右，1 h 耗電量0.532 3 kW·h。
3.4 能效計(jì)算
推動(dòng)器1 h 與形式制動(dòng)器的耗能按式（7）計(jì)算，制動(dòng)器能效按式（8）計(jì)算。
式中：E 為制動(dòng)器消耗的總能量，J；D 為電能表測(cè)試值，kW·h。制動(dòng)器能效為
式中：ηi 為制動(dòng)器能效，i =1 時(shí)為連續(xù)工作制的能效，i =2 時(shí)為斷續(xù)工作制的能效，N/J；Ei 為推動(dòng)器耗能，i =1 時(shí)為連續(xù)工作制的耗能，i =2 時(shí)為斷續(xù)工作制的耗能，J。計(jì)算得：η 1=0.012 N/J，η 2=0.029 N/J
4 結(jié)論
1）制動(dòng)器能效取決于有效制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)裝置能耗，根據(jù)測(cè)試的便捷性和測(cè)試目的不同，測(cè)試方案可以有多種：①可以在動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩試驗(yàn)臺(tái)上直接完成全部測(cè)試，首先測(cè)試制動(dòng)力，然后用電能表測(cè)出能耗。缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)制動(dòng)力矩試驗(yàn)臺(tái)利用效率低；②直接在靜態(tài)制動(dòng)力矩試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)，缺點(diǎn)同樣是試驗(yàn)臺(tái)利用效率低；③在推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)能耗，理論計(jì)算或按銘牌選取制動(dòng)力矩，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試效率高，缺點(diǎn)是精度低；④可以在力矩試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)出制動(dòng)力矩，然后在推動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試能耗，缺點(diǎn)是需要重新裝卸和安裝，優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高，測(cè)試效率高。
2）制動(dòng)器能耗高低與制動(dòng)器產(chǎn)品銘牌標(biāo)定有關(guān)。能效計(jì)算中，實(shí)測(cè)制動(dòng)力矩大于產(chǎn)品銘牌標(biāo)定的，制動(dòng)力矩選取銘牌標(biāo)定值；實(shí)測(cè)制動(dòng)力矩小于等于銘牌標(biāo)定值的，按照實(shí)際測(cè)試制動(dòng)力矩。因此，產(chǎn)品出廠時(shí)，銘牌標(biāo)定的準(zhǔn)確性，對(duì)能效測(cè)試結(jié)果有一定的影響。
3）制動(dòng)器能效的高低與制動(dòng)器機(jī)械機(jī)構(gòu)及推動(dòng)器有關(guān)。制動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)影響因素主要有摩擦因數(shù)、傳動(dòng)比、機(jī)械傳動(dòng)效率等；推動(dòng)器影響因素主要有推動(dòng)器推力利用系數(shù)、推動(dòng)器電動(dòng)機(jī)效率等。
4）提高制動(dòng)器能效應(yīng)想辦法增大制動(dòng)力矩比如改進(jìn)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)（彈簧布置位置、杠桿比、增大摩擦因數(shù)、提高機(jī)械傳動(dòng)效率等）；降低驅(qū)動(dòng)裝置耗能（提高電機(jī)能效、提高液壓泵效率、采用兩步制動(dòng)、換液壓推動(dòng)器為電磁推動(dòng)器等）。
