文茂堂，運(yùn)向勇

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東深圳 518029）

0 引言

以鋼絲繩電動(dòng)葫蘆為起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)，廣泛應(yīng)用于裝備制造、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。棘輪棘爪機(jī)構(gòu)具有單向逆止功能，是鋼絲繩電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)器的常見型式。制動(dòng)電機(jī)是鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的工作制動(dòng)器。安全制動(dòng)器在制動(dòng)電機(jī)失效或傳動(dòng)裝置損壞時(shí)，發(fā)揮超速下降保護(hù)作用，其緊急保護(hù)功能直接關(guān)系到人員和設(shè)備的生命財(cái)產(chǎn)安全，重要性不言而喻。國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全制動(dòng)器緊急制動(dòng)時(shí)的超速范圍提出明確要求[1]，而安全技術(shù)規(guī)范中制動(dòng)器型式試驗(yàn)項(xiàng)目未能覆蓋棘輪式安全制動(dòng)器，同時(shí)，鋼絲繩電動(dòng)葫蘆行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)的觸發(fā)速度也未作要求[2-3]。因此，對(duì)鋼絲繩電動(dòng)葫蘆棘輪式安全制動(dòng)器的觸發(fā)速度、制動(dòng)性能的檢測(cè)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 棘輪棘爪機(jī)構(gòu)

1 觸發(fā)速度的測(cè)試原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 棘輪式安全制動(dòng)器

鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的傳動(dòng)系統(tǒng)由錐形制動(dòng)電機(jī)、爪型聯(lián)軸器、行星減速器、卷筒構(gòu)成，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)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(jī)架）連接。棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的觸發(fā)制動(dòng)原理如下。

（1）卷筒在下降方向（逆時(shí)針）超速旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪8隨卷筒一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪與滾輪接觸時(shí)，滾輪隨凸輪沿順時(shí)針擺動(dòng)，棘爪順時(shí)針擺動(dòng)。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(dòng)棘爪與棘輪1穩(wěn)定嚙合[4-5]。凸輪與滾輪是速度檢測(cè)元件。

圖2 鋼絲繩電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)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(zhuǎn)，摩擦片與卷筒摩擦產(chǎn)生熱能，化解掉系統(tǒng)的機(jī)械能。卷筒、摩擦片、棘輪、棘爪、棘爪軸是制動(dòng)元件。

1.2 測(cè)試原理

交流電機(jī)常用測(cè)速方法主要有定時(shí)測(cè)角法（M法）、定角測(cè)時(shí)法（T法）及M/T法，轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確度與實(shí)時(shí)性對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的性能具有重要影響[6]。

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

式（1）、（2）中：n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；D為電動(dòng)葫蘆有效計(jì)算半徑，m；i為電動(dòng)葫蘆減速比；f為供電電源頻率，Hz；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

因此，在工頻50 Hz以上調(diào)整電動(dòng)葫蘆起升電機(jī)頻率，驅(qū)動(dòng)卷筒加速，可模擬超速下降工況，測(cè)量棘輪棘爪觸發(fā)速度。鋼絲繩電動(dòng)葫蘆驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是開環(huán)控制，無速度反饋功能。因此，需要將電動(dòng)葫蘆原有的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，選取變頻調(diào)速方式，并加裝轉(zhuǎn)速傳感器。

1.3 錐形制動(dòng)電機(jī)應(yīng)用變頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)錐形異步電動(dòng)機(jī)工作特性可知，定子三相繞組接通電源時(shí)產(chǎn)生軸向磁拉力，順利推開制動(dòng)器從而使其正常運(yùn)行[7]。因此，保證在頻率調(diào)定范圍內(nèi)，錐形轉(zhuǎn)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(yīng)用的關(guān)鍵。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，錐形異步電動(dòng)機(jī)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(yīng)用變頻調(diào)速時(shí)若能保持主磁通?m不變，F(xiàn)sm就不會(huì)減小，制動(dòng)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(dǎo)致軸向磁拉力無法推開彈簧完全開閘，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速由于內(nèi)部損耗相應(yīng)降低，無法模擬超速工況。

通過將電動(dòng)葫蘆錐形電機(jī)風(fēng)扇制動(dòng)輪后的鎖緊螺母人為調(diào)松，使彈簧處于釋放狀態(tài)，實(shí)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(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試方法

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

變頻調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)由變頻調(diào)速、速度采集、頻率調(diào)定與顯示、運(yùn)行操作各單元組成，如圖3所示。測(cè)試裝置主要由變頻器、制動(dòng)電阻、電位器、旋轉(zhuǎn)碼盤、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)顯轉(zhuǎn)速表、計(jì)時(shí)器等構(gòu)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(jī)超速旋轉(zhuǎn)；測(cè)速元件由磁阻式齒輪轉(zhuǎn)速傳感器與旋轉(zhuǎn)碼盤構(gòu)成，如圖4所示。

圖3 變頻調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖4 旋轉(zhuǎn)碼盤與轉(zhuǎn)速傳感器

2.2 比對(duì)試驗(yàn)

為驗(yàn)證測(cè)試裝置中數(shù)顯轉(zhuǎn)速表測(cè)量的準(zhǔn)確可靠性，設(shè)計(jì)一組比對(duì)試驗(yàn)。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(zhuǎn)速表（檢定結(jié)論1.0級(jí)合格）與數(shù)顯轉(zhuǎn)速表進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速比對(duì)。試驗(yàn)前在錐形電機(jī)風(fēng)扇制動(dòng)輪上粘貼1個(gè)熒光紙作為反射標(biāo)記，如圖4所示。待電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表與數(shù)顯轉(zhuǎn)速表顯示屏上的示值穩(wěn)定后讀取測(cè)量值。表1所示為3次測(cè)量的平均值。試驗(yàn)表明，變頻調(diào)速測(cè)試裝置中數(shù)顯轉(zhuǎn)速表與光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表測(cè)量數(shù)據(jù)接近一致，測(cè)量數(shù)據(jù)可信。

表1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量比對(duì)數(shù)據(jù)

2.3 觸發(fā)速度測(cè)量方法

（1）試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作。將錐形制動(dòng)器鎖緊螺母人為調(diào)松，直至風(fēng)扇葉輪可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，并將鎖緊螺母替換為旋轉(zhuǎn)測(cè)速碼盤。檢查棘輪棘爪機(jī)構(gòu)，棘爪繞軸應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，拉伸彈簧無嚴(yán)重銹蝕或塑性形變。

（2）空載試驗(yàn)。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器旋鈕，對(duì)電動(dòng)葫蘆起升電機(jī)在50 Hz以上進(jìn)行頻率調(diào)定，當(dāng)棘輪棘爪觸發(fā)嚙合時(shí)，棘輪棘爪裝置上的電氣開關(guān)被觸發(fā)，此時(shí)傳感器采集起升電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n1，根據(jù)式（2）可計(jì)算出觸發(fā)速度v動(dòng)。連續(xù)測(cè)量3次，取其平均值。觸發(fā)速度由變頻調(diào)速測(cè)試系統(tǒng)顯示屏顯示。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、觸發(fā)時(shí)間、制停時(shí)間等直接測(cè)量的參數(shù)錄入EXCEL表，經(jīng)過軟件計(jì)算，得出觸發(fā)速度、角加速度及超速比等數(shù)據(jù)。

（3）負(fù)載墜落試驗(yàn)。確認(rèn)錐形制動(dòng)器處于松閘狀態(tài)，提升負(fù)載至距離地面1.5 m處切斷電機(jī)電源，使負(fù)載加速墜落，測(cè)試在此高度范圍，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)是否觸發(fā)，并測(cè)量觸發(fā)速度、加速時(shí)間、制停時(shí)間、觸發(fā)制動(dòng)距離。測(cè)量完成后，操作起升按鈕，使棘輪機(jī)構(gòu)復(fù)位。操作下降按鈕，使負(fù)載平穩(wěn)著地。出于安全考慮，負(fù)載試驗(yàn)應(yīng)逐級(jí)加載，可按照30%、60%、100%額定載荷進(jìn)行。提升載荷時(shí)利用變頻調(diào)速測(cè)試裝置以較低頻率起動(dòng)。

3 測(cè)試實(shí)例與結(jié)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(dòng)葫蘆作為測(cè)試樣品，起升電機(jī)均為ZD141—4型錐形制動(dòng)電機(jī)，功率7.5 kW。安全制動(dòng)器均為棘輪棘爪型式。

3.1 HZ型鋼絲繩電動(dòng)葫蘆

測(cè)試樣品基本參數(shù)如下，起升電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min；2倍率卷繞；減速比i=82.5，卷筒有效計(jì)算直徑D=304.5 mm，凸輪圓弧12段等分。實(shí)測(cè)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(dòng)葫蘆

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

表3 HYJ II型電動(dòng)葫蘆空2種工況測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

分析測(cè)試數(shù)據(jù)可知，空載工況下，利用變頻調(diào)速測(cè)試裝置驅(qū)動(dòng)起升電機(jī)加速，可以實(shí)現(xiàn)棘輪式安全制動(dòng)器觸發(fā)速度的測(cè)量。對(duì)于HZ型和HYJII型電動(dòng)葫蘆，空載工況下棘輪棘爪機(jī)構(gòu)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(fù)載墜落工況下，兩種電動(dòng)葫蘆的平均觸發(fā)速度測(cè)量值均小于空載工況下測(cè)量值，這是由于負(fù)載工況下電動(dòng)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(dòng)葫蘆在負(fù)載工況下的超速比為1.59，不符合《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中安全制動(dòng)的要求，即“安全制動(dòng)器在機(jī)構(gòu)失效或傳動(dòng)裝置損壞導(dǎo)致物品超速下降，下降速度達(dá)到1.5倍額定速度前自動(dòng)起作用”[1]?？紤]到鋼絲繩電動(dòng)葫蘆發(fā)生超速下降時(shí)，剛度較小的彈簧更有利于調(diào)高棘輪棘爪機(jī)構(gòu)觸發(fā)的靈敏度，建議制造單位在安全制動(dòng)器設(shè)計(jì)、調(diào)試時(shí)對(duì)拉伸彈簧應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待，科學(xué)選用。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中棘輪式安全制動(dòng)器檢測(cè)項(xiàng)目缺失的現(xiàn)狀，提出利用變頻調(diào)速技術(shù)測(cè)試棘輪棘爪機(jī)構(gòu)觸發(fā)速度的檢測(cè)方法，分別應(yīng)用于空載模擬試驗(yàn)與負(fù)載墜落試驗(yàn)。通過將錐形制動(dòng)器人為調(diào)松，實(shí)現(xiàn)了棘輪棘爪機(jī)構(gòu)觸發(fā)速度的定量測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，該方法準(zhǔn)確可靠、方便實(shí)用，可為棘輪式安全制動(dòng)器制造企業(yè)的出廠調(diào)試及檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)提供借鑒。