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34大扭矩范围制动器动态试验台的设计张海波，刘艺，肖传芳，李骥(中国船舶重工集团公司第704研究所，上海200031)摘要:本文介绍了一种大扭矩范围制动器动态试验台的试验原理，阐述了试验台的设计依据，以及飞轮组转动惯量的确定与分配方法，并用实例详细说明设计过程.关键词:制动器;试验台;惯性飞轮;转动惯量中图分类号:TH133.31文献标识码:A文章编号:1005-8354(2010)05-0034-04DesignoftheBrakeDynamicTorqueTest-bedZHANGHai-bo，LIUYi，XIAOChuan-fang，LIJi(No.704ResearchInstitute，CSIC，Shanghai200031，China)Abstract:Thisarticledescribestheexperimentprincipleofadynamictorquetest-bed.Thedesignbasisandthemethodfordeterminingandallocatingtherotaryinertiaofflywheelarepresent，andthedesignprocessisintro-ducedwithinstance.Keywords:brake;test-bed;flywheel;rotaryinertiaofflywheel0概述随着世界经济全球化愈演愈烈，商品的贸易愈发繁荣，各国的港口机械设备也越来越多，对其安全性能的要求也越来越高.各类制动器被广泛地运用在港口起重设备中，其制动性能如何，直接影响到港口起重设备的安全和人的生命与财产安全.制动器最重要的性能是设备在运行中，它的动制动力矩是否达到设计值.为了保证制动器的制动性能，国家制定了《JB/T7020-2006电力液压盘式制动器》、《JB/T6406-2006电力液压鼓式制动器》、《JB/T7865-2006电磁鼓式制动器》等规范标准，其中明确规定了制动器动态制动力矩的试验方法，本文介绍的大扭矩范围制动器动态试验台就是基于上述国家制定的规范标准设计的，用于对各类制动器(包括鼓式和盘式)进行动态制动力矩的测试.1试验原理试验原理:根据能量守恒原理，制动能量与机构运动能量相等.制动器动态试验台通过调节飞轮组的不同组合和转速，模拟起重机械机构的运动能量，当制动器动作后，制动器的制动能量与制动器动态试验台的运动能量相等.因此，通过试验台上的转矩转速传感器和计算机系统，从而测量出制动器的动态制动力矩.根据规范标准规定检测制动器动态制动力矩时，制动盘(轮)直径小于或等于400mm时，测试设备测试初始转速为1000r/min;制动盘(轮)直径大于400mm时，测试设备测试初始转速为750r/min(见表1).所以我们设计了两套设备，一套用来检测制动盘(轮)直径小于或等于400mm的设备(2000Nm制动器试验台);另一套用来检测制动盘(轮)直径大于400mm的设备(35000Nm制动器试验台).设备视图如下：:图12000Nm制动器动态试验台测试范围为(80～2000)Nm的制动器，初制动转速为1000r/min收稿日期:2010-08-09作者简介:张海波(1976-)，男，工程师，从事机械设计工作35表1测试动态制动力矩时制动初始转速规定图235000Nm制动器动态试验台测试范围为(1500～35000)Nm的制动器，初制动转速为750r/min2设计依据规范标准规定:1)根据给定的制动器的规格选择表1中对应制动初始转速并计算许用单次制动功，计算公式如下:160dnMW(1)式中:W为许用单次制动功，单位J;1n为制动初转速，单位r/min;dM为额定制动力矩，单位N.m.2)计算确定出被试制动器对应模拟转动惯量，计算公式如下:21182WJn(2)式中:∑J为制动轴上模拟总转动惯量，单位kg.2m;1n为制动初转速，单位r/min;W为许用单次制动功，单位J.3)根据计算的模拟总转动惯量为试验台配备转动惯量，实际配置转动惯量时可在计算所需的转动惯量的±20%范围内浮动.4)将制动器调整至额定弹簧工作力和额定制动瓦退距状态，根据以上确定的模拟总转动惯量和制动轴的制动初始转速进行三次制动试验，每次试验取平均值作为试验结果，也可按式3验算每次试验的实际平均制动力矩.19.55dsnJMt(3)式中，为动态制动力矩，单位N.m;ts为有效制动时间，单位s.3转动惯量的确定与分配不同型号的制动器有不同的额定制动力矩，也就要求有不同的许用单次制动功.在制动初转速确定的情况下，单次制动功也就只能靠飞轮的转动惯量来确定.要测试不同型号的制动器，就需要设计成转动惯量可以按照要求来进行组合的机械结构，以满足测试的要求.1)1确定测试设备的最大转动惯量∑Jmax:根据要求得知设备测试的制动器最大制动力矩maxdM，根据该力矩计算最大单次制动功1maxmax60dnMW，再根据最大单次制动功计算出相应的模拟总转动惯量maxmin1182WJn.该转动惯量就是设备的最大转动惯量.2)2确定测试设备的最小转动惯量minJ根据要求得知设备测试的制动器最小制动力矩maxdM，根据该力矩计算最小单次制动功，1maxmax60dnMW再根据最小单次制动功计算出相应的模拟转动惯量minmin21182WJn.该转动惯量就是设备的最小转动惯量.3)确定测试设备固有的转动惯量J固在设计完成后需要对设备进行固有转动惯量J固进行计算，如果minJJ固，只要对固有的转动惯量进行修正即可;如果minJJ固，并且minmin20%JJJ固，该设计也满足要求;否则就要进行重新设计，或者确认方案不合理.4)确定设备飞轮组的设计运用组合的方法我们可以设计成不同转动惯量的飞轮，然后将它们进行组合就可以得到我们计算的模拟转动惯量最为接近的转动惯量.根据需要我们可以确定n组飞轮盘，并按照20:21:22:……:2n比例分配飞轮盘的转动惯量，这样就可以得到1niniC种组合.也可以得到转动惯量级差为maxn1niiJJJC固35然后验算JJ固20%即可.4设计实例下面以2000Nm制动器动态试验台的飞轮转动惯量分配为例进行说明.该设备主要用于测试小制动力矩的制动器(即:制动盘或轮直径小于400mm)，制动初转速为n1=1000r/min.1)确定最大转动惯量∑Jmax:该制动器动态试验台测试的最大制动力矩为dmax2000.MNm，根据式1可得最大单制动功:51maxmax100020001.05106060dnMWJ根据式2，由上面计算的最大单次制动功，可得最大模拟转动惯量:5maxmax2211.051018218219.111000WJn2)3确定最小转动惯量∑Jmin:该制动器动态试验台测试的最小制动力矩为max80.dMNm，根据式1可得最小单次制动功:31maxmin1000804.19106060dnMWJ根据式2，由上面计算的最小单次制动功，可得最小模拟转动惯量:32minmin2214.19101821820.76.1000WJkgmn3)4校核固有的转动惯量经设计完成后对2000Nm制动器动态试验台固有的转动惯量的重新计算得到min2min0.870.760.87kg..14.5%20%0.76JJJmJ固固，满足标准规范要求.4)5确定设备飞轮组的设计2000Nm制动器动态试验台采用6个惯性盘，并按1:2:4:8:16:32的比例进行惯性转矩的组合，这样可以得到66064iiC种(包括空转)制动力矩的组合.惯性盘惯性的级差为:min219.110.870.29kg.m64163JJJ固除开飞轮全加载与全不加载(空转)两种情况外，假设其中任意一种加载情况下的转动惯量为∑J，都可以根据公式1d0.33JnM(该公式由1，2推导出)来确定该转动惯量测试的扭矩范围.测试扭矩下限为:min0.2975020.33dJM;测试扭矩下限为:min0.2975020.33dJM具体分配如下表:表2各飞轮组的转动惯量和制动转矩分配355结语目前已在使用的制动器动态扭矩测试设备中，因为基于不同的目的而有不同的测试方法.比如常州某制动器厂家在测试制动器的动态制动力矩时，采用大功率的电机经过减速机减速后，提供足够大的转矩，使制动器在制动的状态下，制动盘或轮仍然转动，然后通过传感器测出制动器的动态制动力矩;又或者武汉某科研大学的制动器动态试验台是根据制动时间为2s而设计的储能装置，让制动器在2s的时间内制动，从而测出制动器的动态制动力矩.这些测试设备虽然也能考核制动器的制动性能，但没有完全符合国家标准的规范要求，不能用统一标准考核制动器的动态制动力矩的性能.我们研制的大扭矩范围制动器动态试验台符合国家对制动器动态制动力矩的统一考核标准，能检测的制动力矩范围覆盖广泛.它既能测试各类鼓式制动器，也能测试各类盘式制动器，制动力矩覆盖范围达到(80～35000)N.m.我们研制的大扭矩范围制动器动态试验台已在上海特种设备技术研究院得到了实际应用，使用效果较好.参考文献:———————————————［1］中华人民共和国机械行业标准.JB/T7020-2006电力液压盘式制动器［S］.2006.［2］中华人民共和国机械行业标准.JB/T6406-2006电力液压鼓式制动器［S］.2006.［3］中华人民共和国机械行业标准.JB/T7865-2006电磁鼓式制动器［S］.2006.［4］韦树宝，徐长生.惯性负载制动器试验台设计及虚拟样机仿真分析［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2006(6):988-990.［5］成大先.《机械设计手册》第二卷［M］.北京:化学工业出版社，2009.(上接第19页)装、维护.机械性能设计需要满足电气性能和环境性能的要求，电气性能和环境性能需要靠机械性能来保证.船用光伏接线盒产品要综合考虑了上述设计要点进行设计.目前我国光伏接线盒生产厂家参差不齐，国内还没有相应的标准规范.CNCA/CTS0003-2010《地面用太阳电池组件主要部件技术条件第1部分:接线盒》于2010年5月正式发文，这是我国目前第一个在国家主管部门批准备案的光伏组件用接线盒的认证技术规范，为国内开展光伏组件用接线盒认证工作提供了标准和依据.随着我国船用太阳能技术的发展和利用，船用光伏接线盒标准规范也需要尽快制定.参考文献:[1]童忠良，张淑谦，杨京京.新能源材料与应用［M］.北京:国防科技大学出版社，2008.[2]肖慧杰，王凯，刘颀颖.浅析太阳能发电技术［J］.内蒙古石油化工，2010(3):93-94.[3]宋泽新，李新伟，赵成军.增安型高压电机接线盒的设计［J］.电气防爆，2004(2):22-23.[4]李大勇，陈如亮，崔岩等.基于Pspice的光伏组件热斑现象仿真［J］.哈尔滨工业大学学报，2006(11):1888-1890[5]MartinA.Green著，狄大卫，曹昭阳，李秀文等译，太阳。电池工作原理、技术和系统应用［M］。.上海:上海交通大学出版社，2010.