張 磊，高大明，黎東輝，陳 剛，張 鈺

（水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州 310012）

1 立項背景

水電站起重機在水利工程項目上擔(dān)負(fù)著極為重要的作用。起升機構(gòu)是起重機最重要的部件，特別是水電站起重機，一旦起升機構(gòu)失效，將會造成不可估量的事故。為保證水電站起重機的安全性和可靠性，起升機構(gòu)具備一套安全可靠制動系統(tǒng)是必要的。

通常為保證水電站起重機起升機構(gòu)的安全性，除常規(guī)設(shè)置在高速軸的常閉式支持制動器外，還會在卷筒端設(shè)置一套常閉式安全制動器[1]。這樣一旦起升機構(gòu)在吊運過程中失電或工作制動器制動失效，設(shè)置在卷筒端的安全制動器就會立刻失電抱死卷筒，起到緊急制動作用，防止起吊物墜落。目前卷筒端部使用的安全制動器為摩擦型液壓盤式制動器。其工作原理為：液壓盤式安全制動器由碟形彈簧產(chǎn)生制動力，靠液壓站提供的油壓松閘。當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸左側(cè)時，在壓力油的作用下推動活塞移動而壓縮碟形彈簧，并帶動兩邊制動臂向兩邊移動，閘瓦離開制動盤，制動閘成敞開狀態(tài)。當(dāng)油缸內(nèi)的油壓降低時，碟形彈簧復(fù)位，其在松閘狀態(tài)下的壓縮變形，推動活塞移動。同時帶動制動臂移動，使閘瓦壓向制動盤實現(xiàn)抱閘，形成制動狀態(tài)。

雖然液壓盤式安全制動器的使用增加了起升機構(gòu)的整體安全性，但這種形式的安全制動器工作原理還是存在一定的弊端。

（1）由于其是作用在卷筒端，制動力矩較大，通常卷筒端部設(shè)置的制動盤尺寸也相對較大，而且還需配套提供一套液壓泵站作為松閘驅(qū)動。整套起升機構(gòu)的體積會增加，從而會增加起升小車和門、橋架的制作成本，整機物料成本會增加。

（2）液壓盤式安全制動器其制動原理是摩擦襯墊依靠彈簧彈力夾緊卷筒端制動盤，依靠襯墊與制動盤間的摩擦力制動。由于制動力矩非常大，而且是在重物下落，卷筒快速轉(zhuǎn)動的情況下緊急快速制動。制動的瞬時沖擊荷載是非常大的，極易造成起升機構(gòu)的損壞或制動失效。

（3）平時維保不到位，制動盤表面沾有油污，極易造成緊急時刻制動失效。

（4）一般卷筒聯(lián)軸器和卷筒使用的軸承都具備調(diào)心作用，而且一般卷筒聯(lián)軸器還有一定的徑向竄動補償；起升機構(gòu)吊載時，構(gòu)件也會有一定的彈性變形；為保證制動器具備一定的夾緊力，通常要求制動瓦退距只有1～3 mm，卷筒端部制動盤尺寸又相對較大。多重因素綜合下來，通常會出現(xiàn)吊裝過程中制動盤左右不規(guī)則磨擦制動襯瓦的情況，詳情如圖1所示。

圖1 液壓盤式安全制動器

（5）一旦制動器松閘傳感器故障，制動器未松閘，起升機構(gòu)會在安全制動器制動的情況下運行，極易造成設(shè)備損壞甚至造成嚴(yán)重的事故。設(shè)備未斷電的情況下，工作制動器未起作用的話，通常需人為斷電，這對操作人員反應(yīng)速度要求較高。設(shè)備未實現(xiàn)本質(zhì)安全設(shè)計。

（6）安全制動器液壓泵站液壓元器件較多，需定期維護更換，不然極易造成液壓元器件漏油失壓情況。關(guān)鍵時刻水電站起重機如果發(fā)生這種情況，后果將會很嚴(yán)重。

（7）通常在安裝調(diào)試安全制動器時，調(diào)試人員通常只根據(jù)調(diào)試說明書調(diào)整好安全制動器的退距間隙?？紤]其工況是非常規(guī)工況，而且制動瞬時沖擊荷載較大，對設(shè)備零部件具有一定破壞性，工況危險性較高，通常不去做額定荷載動作試驗。這樣安裝調(diào)試的安全制動器可靠性是不能保證的。因此，設(shè)計研發(fā)一套新型冗余安全制動系統(tǒng)非常有必要。

2 技術(shù)方案

2.1 研究內(nèi)容

新型冗余安全制動系統(tǒng)需解決的技術(shù)難點有以下4點。

（1）新型安全制動器實現(xiàn)冗余設(shè)計，在失電、減速器內(nèi)部齒輪或軸斷裂、傳感器失效和電氣系統(tǒng)故障的情況下，都能實現(xiàn)安全制動。

（2）安全制動器能實現(xiàn)柔性制動，降低制動瞬時沖擊荷載，降低制動沖擊荷載對設(shè)備的破壞。

（3）安全制動器安裝尺寸需可調(diào)節(jié)，與運動結(jié)構(gòu)能保持一定的尺寸裕度，能有效避免運行磨損和干涉。

（4）有復(fù)位保護功能，安全制動器只有在制動復(fù)位后，起升機構(gòu)才可重新工作。

2.2 技術(shù)方案實施

考慮安全制動器的實際功能，新型安全制動器系統(tǒng)制動模塊布置在低速軸卷筒端部，安全性和可靠性更佳。整套安全制動系統(tǒng)需考慮冗余設(shè)計，在某些電氣傳感器失效的特殊情況下，也能有備用機制觸發(fā)安全制動器實現(xiàn)制動保護功能?？紤]用機械結(jié)合電氣的雙重或多重觸發(fā)機制觸發(fā)安全制動器。采用棘輪制動，機械結(jié)構(gòu)上直接鎖死，制動形式可靠。整套制動系統(tǒng)需實現(xiàn)柔性制動，盡量降低制動瞬時沖擊荷載，以避免損壞設(shè)備，考慮機械結(jié)構(gòu)中使用彈簧結(jié)合摩擦副的形式來實現(xiàn)柔性制動。由于是機械結(jié)合電氣的觸發(fā)機制，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以安裝調(diào)試需做到尺寸可調(diào)。

最終設(shè)計的新型冗余安全制動系統(tǒng)[2]原理如圖2所示。該制動系統(tǒng)主要由棘輪、制動摩擦副、三頭螺紋副、彈性制動棘爪、就位信號感應(yīng)開關(guān)Ⅰ、就位信號感應(yīng)開關(guān)Ⅱ、電磁吸合裝置、離心滾輪和配重、弧形導(dǎo)軌、低速軸端超速開關(guān)、高速軸端超速開關(guān)、彈簧式離心力調(diào)節(jié)桿等部件組成。

圖2 新型冗余安全制動系統(tǒng)設(shè)計

新型冗余安全制動系統(tǒng)的制動原理為：弧形導(dǎo)軌與低速軸卷筒端部固接，棘輪與弧形導(dǎo)軌間用三頭螺紋副連接，且棘輪與弧形導(dǎo)軌的端部接觸面間裝有摩擦副，這些組成基本制動模塊。棘輪被棘爪抱死后，隨著卷筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動，棘輪弧形導(dǎo)軌間的三頭螺紋副開始收緊，棘輪與弧形導(dǎo)軌摩擦副壓力會越來越大，隨之摩擦阻力會越來越大，直至卷筒無法繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到柔性制動目的。

新型冗余安全制動系統(tǒng)的機械觸發(fā)機制為：當(dāng)負(fù)載以穩(wěn)定速度起升或下降時，離心滾輪在彈簧式離心力調(diào)節(jié)桿的拉力作用下沿著弧形導(dǎo)軌周期性擺動。彈簧式離心力調(diào)節(jié)桿的拉力作用使棘爪的擺動幅度不足以與棘齒嚙合。一旦起升機構(gòu)工作制動失效，吊物高速下降，卷筒轉(zhuǎn)速增加，那離心滾輪在弧形導(dǎo)軌上的滾動速度將會增加，離心力加大，離心滾輪擺動的角度也會加大，當(dāng)角度大到一定程度時，離心滾輪另一端的棘爪就會掛住棘輪，實現(xiàn)制動目的。

新型冗余安全制動系統(tǒng)的電氣觸發(fā)機制為：當(dāng)設(shè)置在高速軸的超速開關(guān)或低速軸的超速開關(guān)一旦超速，電磁吸合裝置將會立刻通電吸合離心滾輪，棘爪隨之掛住棘輪完成制動。在棘爪掛住棘輪的同時，設(shè)置在棘爪端部的感應(yīng)開關(guān)會反饋一個信號，整套設(shè)備會立馬斷電。這里棘爪內(nèi)部設(shè)置有緩沖彈簧，在掛住棘輪的同時，也起到柔性制動目的，降低制動瞬時沖擊荷載。

新型冗余安全制動系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)離心滾輪的重量、彈簧式離心力調(diào)節(jié)桿的拉力值和制動棘爪的長度，可實現(xiàn)離心力大小和變化角度的調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)制動觸發(fā)速度。該套安全制動器的復(fù)位也較為便捷，在設(shè)備恢復(fù)正常后，起升機構(gòu)提起吊物，棘爪便在彈簧式離心力調(diào)節(jié)桿的拉力作用下完成復(fù)位。新型冗余安全制動系統(tǒng)是機械結(jié)合電氣多重觸發(fā)機制冗余安全制動系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的液壓盤式摩擦型制動器，其制動形式為棘輪棘爪結(jié)合摩擦副制動。實現(xiàn)柔性制動的同時，制動也更加徹底，安全性和可靠性更高。調(diào)試時可通過調(diào)整起升電機轉(zhuǎn)速，控制卷筒超速運轉(zhuǎn)來完成整套制動系統(tǒng)的調(diào)試，調(diào)試更加安全可靠，卷筒空運轉(zhuǎn)即可超速觸發(fā)，功能檢測更加安全。新型冗余安全制動系統(tǒng)有復(fù)位保護功能，一旦棘爪掛住了棘輪，棘爪上的就位信號感應(yīng)開關(guān)Ⅱ就會反饋一個信號，此時卷筒只能起升，不能下降，安全制動器只有在制動復(fù)位后，起升機構(gòu)才可重新工作。這種設(shè)計既防止了制動后操作人員誤操作，造成設(shè)備受拉損毀，又方便安全制動系統(tǒng)制動復(fù)位。

3 技術(shù)創(chuàng)新點

新型冗余安全制動系統(tǒng)的創(chuàng)新點有以下幾點。

（1）該套安全制動系統(tǒng)是機械結(jié)合電氣多重觸發(fā)機制冗余安全制動系統(tǒng)，設(shè)備安全性和可靠性[3]更高。

（2）結(jié)構(gòu)上采用棘輪棘爪、三頭螺紋副、摩擦副、彈簧等合理結(jié)構(gòu)設(shè)計。制動時，制動摩擦阻力會隨著卷筒旋轉(zhuǎn)而增大，最終達(dá)到柔性制動目的。

（3）結(jié)構(gòu)更加緊湊，不會增加起升機構(gòu)的布置尺寸，成本也更加低廉。

（4）通過調(diào)節(jié)離心滾輪的重量、彈簧式離心力調(diào)節(jié)桿的拉力值和彈性制動棘爪的長度，可實現(xiàn)離心力大小和變化角度的調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)制動觸發(fā)速度。

4 結(jié)束語

水電站起重機在水利水電工程上承擔(dān)著重要的作用，一旦水電站起重機失效，將會造成不可估量的事故。新型冗余安全制動系統(tǒng)機械結(jié)合電氣多重觸發(fā)機制，較為巧妙的柔性制動結(jié)構(gòu)設(shè)計和可調(diào)試結(jié)構(gòu)設(shè)計有效解決了液壓盤式安全制動器存在的安裝尺寸大、物料成本和維護成本高、制動瞬間沖擊荷載大、制動系統(tǒng)可靠性不足等弊端，增加了水電站起重機的安全性和可靠性。