文茂堂 邱康勇 運(yùn)向勇

（深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測研究院 深圳 518029）

安全制動(dòng)器又稱緊急制動(dòng)器，通常設(shè)置在傳動(dòng)環(huán)節(jié)的末端。當(dāng)傳動(dòng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)破斷或工作制動(dòng)器失效導(dǎo)致超速、逆轉(zhuǎn)時(shí)，安全制動(dòng)器能夠迅速觸發(fā)制動(dòng)，是保障設(shè)備使用安全、防止人員傷亡事故的最后一道防線。對機(jī)電類特種設(shè)備，安全制動(dòng)器的種類比較多，如曳引電梯的安全鉗，自動(dòng)扶梯的附加制動(dòng)器，施工升降機(jī)的防墜安全器，鋼絲繩電動(dòng)葫蘆中的棘輪棘爪型安全制動(dòng)器，大型橋門式起重機(jī)中的卷筒制動(dòng)器等[1-2]。

在防爆、冶金、精密吊裝等重要應(yīng)用場景中，對于以鋼絲繩電動(dòng)葫蘆為起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)，除工作制動(dòng)器——錐形制動(dòng)電機(jī)外，卷筒上還配置一套棘輪棘爪型安全制動(dòng)器，見圖1。

圖1 電動(dòng)葫蘆棘輪棘爪型安全制動(dòng)器

1 棘輪棘爪型安全制動(dòng)器的觸發(fā)制動(dòng)原理

鋼絲繩電動(dòng)葫蘆棘輪棘爪型安全制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。當(dāng)電動(dòng)葫蘆進(jìn)行正常升、降作業(yè)時(shí)，圓弧凸輪與卷筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滾子，使?jié)L子棘爪組合繞固定軸擺動(dòng)。由于彈簧拉力與滾子自身重力作用，滾子始終同圓弧輪廓接觸，擺動(dòng)幅度較小，棘輪與棘爪無法接觸嚙合。當(dāng)電動(dòng)葫蘆的錐形制動(dòng)器失靈或傳動(dòng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)破斷時(shí)，卷筒帶動(dòng)圓弧凸輪6加速旋轉(zhuǎn)，負(fù)載超速下降。滾子脫離圓弧輪廓時(shí)，慣性力加大，擺動(dòng)傾角加大，棘爪與棘齒之間的間隙減小；當(dāng)卷筒持續(xù)加速，慣性力不斷加大，擺動(dòng)傾角增大直至棘爪2與棘輪1瞬間嚙合。此時(shí)機(jī)構(gòu)的自由度為0，棘輪1壓緊摩擦片9并對卷筒產(chǎn)生摩擦阻力消耗能量，直至卷筒完全制停。當(dāng)棘輪棘爪嚙合時(shí)，滾輪5按圖中順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其下方的小銷軸觸發(fā)電氣開關(guān)3，斷開電動(dòng)葫蘆下降方向的控制回路[1]。

圖2 棘輪棘爪型安全制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2 動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能測試方法與測試系統(tǒng)

對電動(dòng)葫蘆棘輪棘爪型制動(dòng)器動(dòng)態(tài)觸發(fā)的靈敏性、制動(dòng)性能的可靠性評價(jià)指標(biāo)可以通過測試如下參數(shù)表征：1）觸發(fā)速度；2）觸發(fā)時(shí)間與制停時(shí)間；3）觸發(fā)距離與制停距離[3-4]?；谠囼?yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)的電動(dòng)葫蘆測試控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 測試控制系統(tǒng)示意圖

以下簡要描述測量方法：

2）觸發(fā)、制停時(shí)間檢測。測量錐形制動(dòng)電機(jī)從零速或穩(wěn)定起升速度持續(xù)加速至棘輪棘爪觸發(fā)時(shí)的時(shí)間即為觸發(fā)時(shí)間。連續(xù)測量3次，取其平均值。在PLC程序中設(shè)置定時(shí)器，以電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)開始計(jì)時(shí)，棘輪制動(dòng)器的電氣開關(guān)動(dòng)作時(shí)終止計(jì)時(shí)。觸發(fā)時(shí)間可在顯示屏中顯示、記錄?？蛰d變頻測試方法不適用于制停時(shí)間的測量，該參數(shù)測量須在負(fù)載試驗(yàn)下進(jìn)行。在PLC程序中從棘輪制動(dòng)器的電氣開關(guān)被觸發(fā)開始計(jì)時(shí)，至電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)終止計(jì)時(shí)，期間經(jīng)歷時(shí)間即為制停時(shí)間。制停時(shí)間同樣可在顯示屏中顯示、記錄，觸發(fā)、制停的總時(shí)間，可以反映出棘輪棘爪型制動(dòng)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的靈敏性。

3）觸發(fā)、制停距離檢測。采用旋轉(zhuǎn)編碼器可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)距離與制停距離的測量。動(dòng)態(tài)負(fù)載試驗(yàn)下，觸發(fā)、制停距離過大，或者無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能，表明棘輪棘爪型安全制動(dòng)器可靠性無法滿足要求。

測試裝置主要由鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架、測試控制系統(tǒng)、輔助吊運(yùn)裝置、梯子平臺(tái)等構(gòu)成，見圖4。該測試裝置功能包括：1）對5 t及以下單軌小車式及雙梁小車式鋼絲繩電動(dòng)葫蘆進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)（不含小車行走功能）；2）測量、顯示并記錄空載變頻調(diào)速下電動(dòng)葫蘆棘輪制動(dòng)器的觸發(fā)速度；3）測量、顯示并記錄負(fù)載墜落試驗(yàn)下電動(dòng)葫蘆棘輪制動(dòng)器的觸發(fā)速度、觸發(fā)制停時(shí)間、觸發(fā)后的制動(dòng)下滑量。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)框架

3 動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能試驗(yàn)測試實(shí)例

3.1 樣品及技術(shù)參數(shù)

選取國內(nèi)某鋼絲繩電動(dòng)葫蘆制造廠家生產(chǎn)的HYJII型冶金用鋼絲繩電動(dòng)葫蘆作為測試實(shí)例。樣品數(shù)量1臺(tái)，樣品編號(hào)A，性能參數(shù)：起升電機(jī)為ZD141-4型錐形制動(dòng)電機(jī)，電機(jī)功率為7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 380 r／min；額定起重量為5 000 kg，起升速度為8 m／min，起升高度為9 m，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)測空載起升速度為0.14 m／s，超速比以空載起升速度為參照。

3.2 空載測試結(jié)果與分析

對樣品進(jìn)行空載測試，觸發(fā)速度、觸發(fā)時(shí)間、制停時(shí)間見表1。測量結(jié)果顯示，采用空載變頻加速方法，可以實(shí)現(xiàn)棘輪棘爪型制動(dòng)器的觸發(fā)，但是3次觸發(fā)速度無法滿足GB／T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，即無法實(shí)現(xiàn)“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。”同時(shí)，觸發(fā)速度的超速比越大，觸發(fā)制停時(shí)間越長，制動(dòng)響應(yīng)的靈敏性越低。

表1 編號(hào)A葫蘆空載變頻加速測試記錄表

3.3 負(fù)載測試結(jié)果與分析

1）1 500 kg（30%額載）墜落動(dòng)態(tài)測試：按照測試方案，進(jìn)行1 500 kg動(dòng)態(tài)負(fù)載墜落試驗(yàn)。觸發(fā)速度與觸發(fā)制停距離顯示在觸摸顯示屏上，具體數(shù)據(jù)見表2。在此負(fù)載下，棘輪制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)超速下降觸發(fā)制動(dòng)功能，但是3次測試的觸發(fā)速度同樣無法滿足超速下降時(shí)安全制動(dòng)器應(yīng)在下降速度達(dá)到1.5倍額定速度前觸發(fā)的要求。

表2 編號(hào)A葫蘆1 500 kg負(fù)載墜落測試記錄表

2）額定負(fù)載墜落測試：在30%額載動(dòng)態(tài)負(fù)載墜落試驗(yàn)1 h后進(jìn)行100%額定負(fù)載墜落測試，試驗(yàn)前檢查棘輪制動(dòng)器，調(diào)整緊固棘輪的連接螺栓。HYJII型電動(dòng)葫蘆在額定載荷超速下降時(shí)能夠觸發(fā)制動(dòng)，稍后卷筒出現(xiàn)“咕咕”聲響，負(fù)載隨即出現(xiàn)緩慢“溜鉤”現(xiàn)象，直至墜地。

對HYJII型電動(dòng)葫蘆的額定負(fù)載墜落測試表明，該型號(hào)安全制動(dòng)器動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能不穩(wěn)定，可靠性無法滿足要求。為此，筆者再次選取配置相同結(jié)構(gòu)型式的棘輪棘爪型制動(dòng)器的HGYJCD1型、YHII型進(jìn)行額定負(fù)載動(dòng)態(tài)墜落測試，安全制動(dòng)器無法可靠支持制動(dòng)的類似現(xiàn)象再次出現(xiàn)。為此，試驗(yàn)后對制動(dòng)器進(jìn)行拆解，對摩擦片的表面形態(tài)進(jìn)行外觀檢查與形貌分析。

4 摩擦片磨損的表面形態(tài)分析

對HYJII型、HGYJCD1型、YHII型 共 3種 型號(hào)的鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的棘輪制動(dòng)器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)其摩擦片均采用石棉橡膠材質(zhì)，主要原料成分為橡膠和石棉銅絲。摩擦片的固定方式均為鉚釘固定與膠水固定。

試驗(yàn)后，HYJII型、YHII型這2種型號(hào)的電動(dòng)葫蘆的摩擦片均出現(xiàn)鉚釘磨損脫落等連接失效現(xiàn)象，見圖5。

圖5 棘輪制動(dòng)器的摩擦片固定鉚釘脫落

通過外觀檢查、顯微鏡形貌分析、能譜分析觀察摩擦片（磨屑）表面成分等方法，對緊急制動(dòng)工況的磨損機(jī)理進(jìn)行初步的研究，結(jié)果如下。

摩擦片沿圓周呈現(xiàn)焦灼碳化、大量黑色磨屑積聚現(xiàn)象，見圖6。體視顯微鏡下觀察石棉銅絲摩擦片，可見試驗(yàn)后磨屑堆積，石棉網(wǎng)格被磨屑不均勻覆蓋，且磨屑表層有制動(dòng)輪機(jī)加工槽狀痕跡，見圖7。觀察其對偶面卷筒制動(dòng)輪，均有磨屑黏著、積聚現(xiàn)象，見圖8。據(jù)此推測，制動(dòng)過程中溫度升高，石棉材料本身具有隔熱性，加之棘輪制動(dòng)器摩擦片散熱性差，磨屑無法排出，材料表面磨損加劇后磨屑積聚，使摩擦片產(chǎn)生熱衰退效應(yīng)，制動(dòng)效能下降。

圖6 石棉銅絲摩擦片試驗(yàn)后外觀形貌

圖7 顯微鏡下石棉銅絲摩擦片外觀形貌

圖8 對偶面卷筒制動(dòng)輪表面磨屑積聚

綜上，摩擦片與制動(dòng)輪在相對滑動(dòng)接觸過程中，摩擦力使得卷筒制動(dòng)輪表面的機(jī)加工痕跡對摩擦片表面發(fā)生剪切、犁皺和切削，產(chǎn)生槽狀磨痕，摩擦片材料的表面被擠壓出層狀或鱗片狀的剝落碎屑，發(fā)生磨粒磨損。當(dāng)摩擦副表面相對滑動(dòng)時(shí)，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，發(fā)生黏著磨損[5]。

結(jié)合表面形態(tài)分析可知，制動(dòng)過程中摩擦材料的磨損形式主要是磨粒磨損和黏著磨損，引起接觸面摩擦系統(tǒng)降低，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)制動(dòng)性能不穩(wěn)定，可靠性無法滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論與建議

緊急制動(dòng)過程中，摩擦片與制動(dòng)輪相對滑動(dòng)，摩擦過程產(chǎn)生的熱量巨大，摩擦材料產(chǎn)生磨粒磨損與黏著磨損，表面形態(tài)嚴(yán)重破壞，熱衰退現(xiàn)象導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，因此制動(dòng)力矩減小。如果不加以檢查調(diào)整，再次觸發(fā)時(shí)，安全制動(dòng)器極有可能無法發(fā)揮其最后一道防線的安全保護(hù)作用。

無論是對于自動(dòng)扶梯附加制動(dòng)器，還是鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的棘輪型制動(dòng)器，當(dāng)其負(fù)載試驗(yàn)動(dòng)作觸發(fā)后，調(diào)整或者更換均應(yīng)嚴(yán)格遵循制造廠家的技術(shù)指引。實(shí)際生產(chǎn)使用中如發(fā)生安全制動(dòng)器觸發(fā)，待棘輪復(fù)位后應(yīng)聯(lián)系電動(dòng)葫蘆制造廠家進(jìn)行檢修或更換。

因此，為保證棘輪式制動(dòng)器在發(fā)生超速墜落或逆轉(zhuǎn)時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，及時(shí)觸發(fā)，可靠制動(dòng)，在檢查維護(hù)保養(yǎng)環(huán)節(jié)提出以下建議：1）應(yīng)經(jīng)常對棘輪的連接螺栓予以檢查、緊固；2）對棘爪的固定銷軸及時(shí)清潔潤滑，保證其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；3）棘輪裝置中的拉伸彈簧如有嚴(yán)重銹蝕、松弛，滾輪如有嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，都應(yīng)及時(shí)聯(lián)系生產(chǎn)廠家予以更換；4）經(jīng)常性檢查觸發(fā)電氣開關(guān)，確保功能可靠有效。

值得一提的是，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)早在1980年就將石棉確定為一類致癌物。石棉中的細(xì)小纖維被人體吸入后，易在肺部沉積，長期吸入將誘發(fā)塵肺病、肺癌。強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5763—2018《汽車用制動(dòng)器襯片》在“涉及健康和安全的基本要求”中明確規(guī)定：“襯片中不得含有石棉”[6]。而機(jī)電類特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對制動(dòng)器的制動(dòng)襯（摩擦片）材料并無要求，石棉摩擦材料仍在廣泛使用，尤其是在國產(chǎn)鋼絲繩電動(dòng)葫蘆中[7]。在此呼吁起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)人員，從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用的角度出發(fā)，提高無石棉摩擦材料的研發(fā)投入，早日推廣應(yīng)用于起重機(jī)、電梯等設(shè)備中。