文茂堂，運向勇

（深圳市特種設備安全檢驗研究院，廣東深圳 518029）

0 引言

以鋼絲繩電動葫蘆為起升機構的起重機，廣泛應用于裝備制造、物流運輸?shù)刃袠I(yè)。棘輪棘爪機構具有單向逆止功能，是鋼絲繩電動葫蘆安全制動器的常見型式。制動電機是鋼絲繩電動葫蘆的工作制動器。安全制動器在制動電機失效或傳動裝置損壞時，發(fā)揮超速下降保護作用，其緊急保護功能直接關系到人員和設備的生命財產(chǎn)安全，重要性不言而喻。國家標準對安全制動器緊急制動時的超速范圍提出明確要求[1]，而安全技術規(guī)范中制動器型式試驗項目未能覆蓋棘輪式安全制動器，同時，鋼絲繩電動葫蘆行業(yè)標準對安全制動器制動時的觸發(fā)速度也未作要求[2-3]。因此，對鋼絲繩電動葫蘆棘輪式安全制動器的觸發(fā)速度、制動性能的檢測試驗方法進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 棘輪棘爪機構

1 觸發(fā)速度的測試原理與關鍵技術

1.1 棘輪式安全制動器

鋼絲繩電動葫蘆的傳動系統(tǒng)由錐形制動電機、爪型聯(lián)軸器、行星減速器、卷筒構成，棘輪棘爪機構安裝在卷筒上，如圖1和2所示。棘輪與凸輪固定連接，通過內(nèi)圈的摩擦片與卷筒緊密貼合。棘爪與滾輪連接在棘爪軸上，棘爪軸與卷筒外殼（機架）連接。棘輪棘爪機構的觸發(fā)制動原理如下。

（1）卷筒在下降方向（逆時針）超速旋轉時，凸輪8隨卷筒一起旋轉，當凸輪與滾輪接觸時，滾輪隨凸輪沿順時針擺動，棘爪順時針擺動。因離心力不斷增大，其擺幅也逐漸增大，直至克服拉伸彈簧6的約束，帶動棘爪與棘輪1穩(wěn)定嚙合[4-5]。凸輪與滾輪是速度檢測元件。

圖2 鋼絲繩電動葫蘆安全制動器（嚙合狀態(tài)）

（2）棘輪棘爪嚙合后，卷筒因系統(tǒng)慣性繼續(xù)旋轉，摩擦片與卷筒摩擦產(chǎn)生熱能，化解掉系統(tǒng)的機械能。卷筒、摩擦片、棘輪、棘爪、棘爪軸是制動元件。

1.2 測試原理

交流電機常用測速方法主要有定時測角法（M法）、定角測時法（T法）及M/T法，轉速測量的精確度與實時性對調(diào)速系統(tǒng)的性能具有重要影響[6]。

對于鋼絲繩電動葫蘆，觸發(fā)速度v動是指卷筒超速下降工況下，棘輪棘爪穩(wěn)定嚙合時鋼絲繩繞出卷筒的線速度，可得出：

式（1）、（2）中：n為電動機轉速，r/min；D為電動葫蘆有效計算半徑，m；i為電動葫蘆減速比；f為供電電源頻率，Hz；p為電動機極對數(shù)；s為電動機轉差率。

因此，在工頻50 Hz以上調(diào)整電動葫蘆起升電機頻率，驅動卷筒加速，可模擬超速下降工況，測量棘輪棘爪觸發(fā)速度。鋼絲繩電動葫蘆驅動系統(tǒng)是開環(huán)控制，無速度反饋功能。因此，需要將電動葫蘆原有的驅動系統(tǒng)進行升級改造，選取變頻調(diào)速方式，并加裝轉速傳感器。

1.3 錐形制動電機應用變頻系統(tǒng)的關鍵技術

根據(jù)錐形異步電動機工作特性可知，定子三相繞組接通電源時產(chǎn)生軸向磁拉力，順利推開制動器從而使其正常運行[7]。因此，保證在頻率調(diào)定范圍內(nèi)，錐形轉子軸向磁拉力始終能克服彈簧的彈力，是變頻調(diào)速系統(tǒng)應用的關鍵。

根據(jù)文獻[8]，錐形異步電動機的軸向磁拉力：

式中：K為常數(shù)，?m為主磁通，Wb。

可知軸向磁拉力Fsm正比于?2m。在應用變頻調(diào)速時若能保持主磁通?m不變，F(xiàn)sm就不會減小，制動器可以順利開閘。50 Hz以下調(diào)速屬于恒磁通變頻調(diào)速，電壓頻率比值近似恒定。50 Hz以上變頻調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，電壓值無法繼續(xù)升高，頻率增加將引起磁通量?m減少，可能導致軸向磁拉力無法推開彈簧完全開閘，電機處于堵轉狀態(tài)，轉速由于內(nèi)部損耗相應降低，無法模擬超速工況。

通過將電動葫蘆錐形電機風扇制動輪后的鎖緊螺母人為調(diào)松，使彈簧處于釋放狀態(tài)，實現(xiàn)了50 Hz以上變頻調(diào)速模擬超速下降工況的目的。

2 測試系統(tǒng)與測試方法

2.1 測試系統(tǒng)

變頻調(diào)速測試系統(tǒng)由變頻調(diào)速、速度采集、頻率調(diào)定與顯示、運行操作各單元組成，如圖3所示。測試裝置主要由變頻器、制動電阻、電位器、旋轉碼盤、轉速傳感器、數(shù)顯轉速表、計時器等構成。其中，電位器調(diào)節(jié)旋鈕可控制變頻器輸出頻率，使電機超速旋轉；測速元件由磁阻式齒輪轉速傳感器與旋轉碼盤構成，如圖4所示。

圖3 變頻調(diào)速測試系統(tǒng)示意圖

圖4 旋轉碼盤與轉速傳感器

2.2 比對試驗

為驗證測試裝置中數(shù)顯轉速表測量的準確可靠性，設計一組比對試驗。在10～70 Hz頻率調(diào)定范圍內(nèi)，使用經(jīng)檢定的光電式數(shù)字轉速表（檢定結論1.0級合格）與數(shù)顯轉速表進行電機轉速比對。試驗前在錐形電機風扇制動輪上粘貼1個熒光紙作為反射標記，如圖4所示。待電機運轉平穩(wěn)后，光電式數(shù)字轉速表與數(shù)顯轉速表顯示屏上的示值穩(wěn)定后讀取測量值。表1所示為3次測量的平均值。試驗表明，變頻調(diào)速測試裝置中數(shù)顯轉速表與光電式數(shù)字轉速表測量數(shù)據(jù)接近一致，測量數(shù)據(jù)可信。

表1 電機轉速測量比對數(shù)據(jù)

2.3 觸發(fā)速度測量方法

（1）試驗前準備工作。將錐形制動器鎖緊螺母人為調(diào)松，直至風扇葉輪可靈活轉動，并將鎖緊螺母替換為旋轉測速碼盤。檢查棘輪棘爪機構，棘爪繞軸應轉動靈活，拉伸彈簧無嚴重銹蝕或塑性形變。

（2）空載試驗。通過手動調(diào)節(jié)電位器旋鈕，對電動葫蘆起升電機在50 Hz以上進行頻率調(diào)定，當棘輪棘爪觸發(fā)嚙合時，棘輪棘爪裝置上的電氣開關被觸發(fā)，此時傳感器采集起升電機轉子的實時轉速n1，根據(jù)式（2）可計算出觸發(fā)速度v動。連續(xù)測量3次，取其平均值。觸發(fā)速度由變頻調(diào)速測試系統(tǒng)顯示屏顯示。將驅動電機的實時轉速、觸發(fā)時間、制停時間等直接測量的參數(shù)錄入EXCEL表，經(jīng)過軟件計算，得出觸發(fā)速度、角加速度及超速比等數(shù)據(jù)。

（3）負載墜落試驗。確認錐形制動器處于松閘狀態(tài)，提升負載至距離地面1.5 m處切斷電機電源，使負載加速墜落，測試在此高度范圍，棘輪棘爪機構是否觸發(fā)，并測量觸發(fā)速度、加速時間、制停時間、觸發(fā)制動距離。測量完成后，操作起升按鈕，使棘輪機構復位。操作下降按鈕，使負載平穩(wěn)著地。出于安全考慮，負載試驗應逐級加載，可按照30%、60%、100%額定載荷進行。提升載荷時利用變頻調(diào)速測試裝置以較低頻率起動。

3 測試實例與結果分析

選取額定起重量為5 000 kg、起升高度為9 m，起升速度為8 m/min的HZ型、HYJII型兩種鋼絲繩電動葫蘆作為測試樣品，起升電機均為ZD141—4型錐形制動電機，功率7.5 kW。安全制動器均為棘輪棘爪型式。

3.1 HZ型鋼絲繩電動葫蘆

測試樣品基本參數(shù)如下，起升電機額定轉速1 400 r/min；2倍率卷繞；減速比i=82.5，卷筒有效計算直徑D=304.5 mm，凸輪圓弧12段等分。實測空載起升速度0.14 m/s，超速比以空載起升速度為參照。如表2所示。

3.2 HYJ II型鋼絲繩電動葫蘆

測試樣品基本參數(shù)如下，起升電機額定轉速1 380 r/min；2倍率卷繞；減速比i=82.3，卷筒有效計算直徑D=300 mm，凸輪圓弧14段等分。實測空載起升速度0.14 m/s。如表3所示。

表3 HYJ II型電動葫蘆空2種工況測試數(shù)據(jù)

3.3 測試結果分析

分析測試數(shù)據(jù)可知，空載工況下，利用變頻調(diào)速測試裝置驅動起升電機加速，可以實現(xiàn)棘輪式安全制動器觸發(fā)速度的測量。對于HZ型和HYJII型電動葫蘆，空載工況下棘輪棘爪機構的平均觸發(fā)速度均超過額定起升速度的1.8倍。1 600 kg負載墜落工況下，兩種電動葫蘆的平均觸發(fā)速度測量值均小于空載工況下測量值，這是由于負載工況下電動葫蘆卷筒獲取的角加速度值更大。尤其值得注意的是，HYJII型電動葫蘆在負載工況下的超速比為1.59，不符合《起重機設計規(guī)范》中安全制動的要求，即“安全制動器在機構失效或傳動裝置損壞導致物品超速下降，下降速度達到1.5倍額定速度前自動起作用”[1]。考慮到鋼絲繩電動葫蘆發(fā)生超速下降時，剛度較小的彈簧更有利于調(diào)高棘輪棘爪機構觸發(fā)的靈敏度，建議制造單位在安全制動器設計、調(diào)試時對拉伸彈簧應謹慎對待，科學選用。

4 結束語

本文針對現(xiàn)行標準中棘輪式安全制動器檢測項目缺失的現(xiàn)狀，提出利用變頻調(diào)速技術測試棘輪棘爪機構觸發(fā)速度的檢測方法，分別應用于空載模擬試驗與負載墜落試驗。通過將錐形制動器人為調(diào)松，實現(xiàn)了棘輪棘爪機構觸發(fā)速度的定量測量。測試結果表明，該方法準確可靠、方便實用，可為棘輪式安全制動器制造企業(yè)的出廠調(diào)試及檢驗檢測機構的型式試驗提供借鑒。