文茂堂 運(yùn)向勇 潘海寧 劉敬東

0 引言
鋼絲繩電動(dòng)葫蘆通常采用帶制動(dòng)裝置的錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，其制動(dòng)原理是：電機(jī)不工作時(shí)，彈簧產(chǎn)生軸向推力，使制動(dòng)環(huán)緊壓在制動(dòng)器端蓋上，整機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)通電工作時(shí)，錐形轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向磁拉力克服彈簧的軸向推力，使轉(zhuǎn)子軸向移動(dòng)，制動(dòng)輪上的制動(dòng)環(huán)脫離制動(dòng)器端蓋，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)升降功能。對(duì)鋼絲繩電動(dòng)葫蘆，只有一個(gè)工作制動(dòng)器存在潛在風(fēng)險(xiǎn)：起升機(jī)構(gòu)在提升負(fù)載過程中如出現(xiàn)制動(dòng)力矩不足或傳動(dòng)環(huán)節(jié)失效，將發(fā)生失速溜鉤現(xiàn)象, 引發(fā)安全事故。為滿足更高的安全需求，鋼絲繩電動(dòng)葫蘆制造商在傳動(dòng)環(huán)節(jié)末端即卷筒上設(shè)置了棘輪棘爪機(jī)構(gòu)作安全制動(dòng)器，當(dāng)電動(dòng)葫蘆超速下降時(shí)觸發(fā)棘爪與棘輪嚙合，實(shí)現(xiàn)卷筒的減速制停。

GB/T 3811—2008 《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：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。JB/T9008.1—2004《鋼絲繩電動(dòng)葫蘆第1 部分：型式與基本參數(shù)、技術(shù)條件》要求安全制動(dòng)器在正常情況下不起作用；當(dāng)工作制動(dòng)器失靈時(shí)，它能可靠地支持住額定載荷且制動(dòng)下滑量應(yīng)不大于v /100（v 為額定載荷下1 min 內(nèi)穩(wěn)定起升的距離），且不大于200 mm。

鋼絲繩電動(dòng)葫蘆制造商在產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)中，對(duì)安全制動(dòng)器的試驗(yàn)方法一般采用載荷試驗(yàn)法，即提升額定載荷后，通過人為調(diào)整錐形制動(dòng)器自由墜落過程中觸發(fā)安全制動(dòng)器，觀察負(fù)載是否可靠制停。這種試驗(yàn)方法直觀簡(jiǎn)單，易于觀察制停效果，但對(duì)安全制動(dòng)器的觸發(fā)動(dòng)作速度、制停時(shí)間等參數(shù)難以采集并量化分析。

現(xiàn)行特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中未涉及到電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)器詳細(xì)、具體的檢驗(yàn)檢測(cè)方法，致使現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)與型式試驗(yàn)缺乏理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

1 安全制動(dòng)器的構(gòu)成與觸發(fā)原理
1.1 機(jī)構(gòu)構(gòu)成
鋼絲繩電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)器典型結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。該機(jī)構(gòu)由棘輪導(dǎo)軌組合、滾輪棘爪組合、拉伸彈簧3 部分構(gòu)成，其中卷筒、棘輪導(dǎo)軌組合為原動(dòng)件，滾輪棘爪組合、拉伸彈簧為從動(dòng)件，電動(dòng)葫蘆箱體為機(jī)架。
1）棘輪導(dǎo)軌組合 每一段弧形導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)一個(gè)棘齒，棘輪與弧形導(dǎo)軌采用螺栓連接或焊接方式固定連接；棘輪內(nèi)圈利用環(huán)氧樹脂粘接摩擦材料，2 個(gè)半圓形的棘輪導(dǎo)軌組合通過螺栓連接方式緊固在電動(dòng)葫蘆卷筒上。

2）滾輪棘爪組合 滾輪與棘爪構(gòu)成活動(dòng)鉸臂，可饒固定銷軸擺動(dòng)，銷軸同時(shí)固定在電動(dòng)葫蘆的箱體上。滾輪與弧形導(dǎo)軌接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。滾輪的滾動(dòng)可減小因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦與磨損。接觸期間鉸臂的角速度與導(dǎo)軌的角速度相同。

3）拉伸彈簧 當(dāng)棘爪與滾輪組合擺動(dòng)時(shí)，彈簧受拉，限制擺動(dòng)幅度，保證棘爪及時(shí)復(fù)位。

1.2 機(jī)構(gòu)的觸發(fā)原理
1）正常作業(yè)工況 當(dāng)電動(dòng)葫蘆以額定起升速度進(jìn)行上升或下降作業(yè)時(shí)，弧形導(dǎo)軌與卷筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滾輪，使?jié)L輪棘爪組合饒固定銷軸擺動(dòng)，擺動(dòng)到一定傾角后受彈簧拉力與自身重力的作用向反方向擺動(dòng)。因棘輪機(jī)構(gòu)具有單向逆止屬性，上升方向不會(huì)嚙合；下降方向因鉸臂的擺動(dòng)傾角較小，棘輪與棘爪也不會(huì)嚙合。

2）超速下降工況 當(dāng)電動(dòng)葫蘆錐形制動(dòng)器失靈或傳動(dòng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)斷軸情況下，卷筒超速下降，卷筒帶動(dòng)弧形導(dǎo)軌一直加速旋轉(zhuǎn)，滾輪棘爪組合隨之加速擺動(dòng)，擺動(dòng)傾角加大，棘爪與棘齒之間的間隙減??；當(dāng)傾角增大到一定角度后，滾輪偏離導(dǎo)軌外形軌跡，安全制動(dòng)器的棘爪與棘輪嚙合。此時(shí)機(jī)構(gòu)的自由度為0，棘輪壓緊摩擦片并對(duì)卷筒產(chǎn)生摩擦阻力消耗能量，直至卷筒完全停。

當(dāng)棘輪棘爪嚙合時(shí)，滾輪按順時(shí)針方向向外旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其下方的小銷軸觸發(fā)電氣開關(guān)，斷開電動(dòng)葫蘆下降方向的控制回路。

1．棘輪 2. 棘爪 3. 電氣開關(guān) 4. 拉動(dòng)彈簧 5. 滾輪
6. 弧形導(dǎo)軌 7. 卷筒 8. 連接螺栓 9. 摩擦片
圖1 安全制動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式

2 安全制動(dòng)器超速工況下的制動(dòng)力學(xué)模型
電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)器是一種機(jī)械制停裝置，其超速保護(hù)功能在以下兩種緊急工況下發(fā)揮作用：1）錐形制動(dòng)器制動(dòng)力矩不足時(shí)( 完全失效是其最不利情形)，當(dāng)電動(dòng)葫蘆起升額定載荷下降過程或空中懸停時(shí)整機(jī)突然斷電，負(fù)載在重力作用下超速下降；2）當(dāng)電動(dòng)葫蘆起升額定載荷下降過程或空中懸停時(shí)，傳動(dòng)環(huán)節(jié)中的電機(jī)軸或減速器內(nèi)的齒輪軸發(fā)生斷軸時(shí)。兩種工況的區(qū)別在于，安全制動(dòng)器發(fā)揮制動(dòng)作用時(shí)需要克服的各運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的慣性力矩不同。

2.1 觸發(fā)動(dòng)作速度V 動(dòng)與制停距離S
考慮到傳動(dòng)環(huán)節(jié)較多，斷軸或斷齒情形下制動(dòng)工況更為復(fù)雜，僅選取第1 種工況進(jìn)行分析，設(shè)定錐形制動(dòng)器完全失效，電動(dòng)葫蘆起吊額定載荷處于下降過程中，整機(jī)突然斷電。制停距離S 為安全制動(dòng)器發(fā)揮作用前負(fù)載加速下降的距離S 1 及安全制動(dòng)器發(fā)揮作用到停止運(yùn)動(dòng)期間減速制動(dòng)距離S 2 之和，即S =S 1+S 2。負(fù)載以額定起升速度v 0 加速下降到棘輪觸發(fā)動(dòng)作速度v 動(dòng)期間經(jīng)歷的時(shí)間t 1，此階段為加速過程，將t 1定義為觸發(fā)動(dòng)作時(shí)間；安全制動(dòng)器發(fā)揮作用后負(fù)載速度
由v 動(dòng)減速至0 期間經(jīng)歷時(shí)間t 2，此階段為減速過程，可視為等減速運(yùn)動(dòng)，將t 2 定義為減速制停時(shí)間。制停時(shí)間t 包含2 部分，即t=t 1+t 2。

為便于分析，將觸發(fā)動(dòng)作速度v 動(dòng)明確定義為卷筒超出額定起升速度下降，引起棘輪棘爪觸發(fā)嚙合時(shí)鋼絲繩繞出卷筒的線速度，可知

式中：n 為棘輪觸發(fā)動(dòng)作時(shí)電機(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。設(shè)起升電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為n 0，求解電動(dòng)葫蘆起吊額定載荷時(shí)負(fù)載的額定速度V0，可知
式中：k 為滑輪組倍率。
求解負(fù)載在棘輪觸發(fā)動(dòng)作制停時(shí)下降速度V1，可知
求解負(fù)載超速下降停止過程中2 階段的滑動(dòng)距離，可知

制停距離是安全制動(dòng)器制動(dòng)性能的重要考核指標(biāo)。測(cè)量制停距離的方法較多，式（3）表明，通過間接測(cè)量觸發(fā)動(dòng)作時(shí)間t 1，減速制停時(shí)間t 2，以及起升電機(jī)在觸發(fā)動(dòng)作時(shí)的轉(zhuǎn)速n 可求得此參數(shù)。

2.2 安全制動(dòng)器制動(dòng)力矩M 制
安全制動(dòng)器依靠摩擦片與卷筒之間產(chǎn)生的摩擦力使負(fù)載減速制停，其制動(dòng)力矩M 制需同時(shí)克服負(fù)載對(duì)卷筒產(chǎn)生的負(fù)載力矩M 載，負(fù)載在觸發(fā)動(dòng)作速度V 動(dòng)時(shí)對(duì)卷筒產(chǎn)生的慣性力矩M 載慣，以及傳動(dòng)系統(tǒng)中各旋轉(zhuǎn)部件（電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、各級(jí)齒輪軸、齒輪、卷筒）因慣性產(chǎn)生的慣性力矩M 轉(zhuǎn)慣，即

式（5）和式（6）中Q 為電動(dòng)葫蘆額定起升載荷，N；W 為卷筒角速度，rad/s ；t 2 為棘輪減速制停時(shí)間， s；J 卷為卷筒負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。求解各旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的慣性力矩M 轉(zhuǎn)慣，應(yīng)先將各
旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到卷筒上。電動(dòng)葫蘆為3 級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)（見圖2），設(shè)各級(jí)傳動(dòng)比依次為u 1、u 2、u 3，不計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗，根據(jù)動(dòng)能守恒定理

等式中左邊代表電機(jī)軸傳遞動(dòng)能，右邊代表卷筒傳遞動(dòng)能，則

式中：J 0 為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i 為電動(dòng)葫蘆減速比。同理可求得系統(tǒng)中各旋轉(zhuǎn)部件折算到卷筒上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和為

根據(jù)式（4）～式（7），求解安全制動(dòng)器投入的制動(dòng)力矩

1. 起升電機(jī) 2. 安全制動(dòng)器 3. 卷筒 4. 傳動(dòng)軸Ⅳ 5. 傳動(dòng)軸Ⅰ6. 傳動(dòng)軸Ⅱ 7. 傳動(dòng)軸Ⅲ
圖2 電動(dòng)葫蘆傳動(dòng)示意圖

由式（8）可知，1）起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算僅考慮到額定起升載荷傳遞到制動(dòng)軸上所需的靜力矩，以靜力矩與制動(dòng)安全系數(shù)的乘積進(jìn)行驗(yàn)算，這對(duì)安全制動(dòng)器制動(dòng)力矩的校驗(yàn)僅具備一般參考意義，設(shè)計(jì)者必須更多地考慮到系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及額定起升載荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳遞到卷筒上慣性力矩。2）對(duì)于給定的電動(dòng)葫蘆，除n 、t 2 為變量外，其余參數(shù)均為常量，n/t 2 可視為電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化率。對(duì)于空載制動(dòng)，M 制=M 轉(zhuǎn)慣=nJ 總/9.55it 2，即僅需要克服系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)末端卷筒的慣性力矩。

3）對(duì)于給定的電動(dòng)葫蘆，其裝配調(diào)試完成后，安全制動(dòng)器可投入的制動(dòng)力矩的調(diào)定值可以用n/t 2 體現(xiàn)出，如何測(cè)量棘輪動(dòng)作時(shí)起升電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 、減速制停時(shí)間t 2這2 個(gè)變量，是安全制動(dòng)器測(cè)試方法的關(guān)鍵。

3 安全制動(dòng)器制動(dòng)性能的影響因素

棘輪棘爪機(jī)構(gòu)用作電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)器，其制動(dòng)特性具有以下特點(diǎn)：1）嚙合動(dòng)作依靠卷筒下降過程中轉(zhuǎn)速超速觸發(fā)；2）棘輪棘爪嚙合動(dòng)作后發(fā)揮制動(dòng)效用，依靠卷筒與摩擦片的摩擦產(chǎn)生熱能，化解掉系統(tǒng)的機(jī)械能。

鋼絲繩電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)器的制動(dòng)性能可用觸發(fā)動(dòng)作速度V 動(dòng)，制停時(shí)間t ，制停距離S 進(jìn)行考核。安全制動(dòng)器的制動(dòng)可靠性主要受觸發(fā)動(dòng)作速度V 動(dòng)，棘輪連接螺栓的預(yù)緊力，摩擦片的摩擦因數(shù)及耐磨性、耐熱性的影響。

如果在電動(dòng)葫蘆額定起升高度范圍內(nèi)超速下降時(shí)都無法觸發(fā)棘輪棘爪嚙合，則棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的安全制動(dòng)作用形同虛設(shè)，無法起到減速制停保護(hù)作用。試驗(yàn)表明，棘輪棘爪的觸發(fā)速度不但與卷筒轉(zhuǎn)速相關(guān)，還與棘爪拉動(dòng)彈簧的彈性系數(shù)相關(guān)。此外，棘輪棘爪的材料、外形尺寸，加工與裝配質(zhì)量，棘爪與葫蘆箱體連接銷軸潤滑情況都會(huì)影響到觸發(fā)動(dòng)作時(shí)間與觸發(fā)動(dòng)作速度?！镀鹬貦C(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：負(fù)載在棘輪觸發(fā)動(dòng)作制停時(shí)下降速度V1 的上限值是1.5 倍的額定起升速度。

2 個(gè)半圓形的棘輪導(dǎo)軌組合之間的連接螺栓預(yù)緊力直接關(guān)系到摩擦副之間的接觸壓力，為此預(yù)緊力距必須保證制停距離滿足S ≤V/100 且S ≤ 200 mm。當(dāng)然，如果制停距離太小，由于傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性力矩與額定起升載荷的慣性力矩較大，起升電機(jī)會(huì)承受很大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。減速過急，還會(huì)引起載荷劇烈抖動(dòng)扭擺，電動(dòng)葫蘆的承軌梁或小車架將承受特殊載荷。

安全制動(dòng)器實(shí)際制動(dòng)力矩的大小，還與摩擦片的摩擦因數(shù)及耐磨性、耐熱性相關(guān)。緊急制動(dòng)時(shí)大量動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能釋放，摩擦材料表面溫度迅速上升，摩擦因數(shù)降低，將使制動(dòng)力矩下降[2]。4 空載時(shí)觸發(fā)動(dòng)作速度的測(cè)量方法交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為

式中：n 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；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。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速分為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、變極調(diào)速、變頻調(diào)速。為模擬電動(dòng)葫蘆超速下降工況，需要將驅(qū)動(dòng)卷筒加速，直至安全制動(dòng)器的棘爪棘輪嚙合。為此，需要將電動(dòng)葫蘆原有控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，選取變頻調(diào)速方式，通過人為調(diào)高供電電源頻率實(shí)現(xiàn)起升電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)卷筒加速，觸發(fā)安全制動(dòng)器動(dòng)作。鋼絲繩電動(dòng)葫蘆起升電機(jī)為ZD1 系列電機(jī)，工作額定頻率為50 HZ，基頻以上調(diào)速為恒功率調(diào)速，測(cè)試時(shí)應(yīng)注意電動(dòng)葫蘆為空載狀況。

測(cè)試系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)構(gòu)成。通過電位器手動(dòng)旋鈕給定起升電機(jī)輸入頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：
1）所有控制操作、參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)顯示都在控制箱面板實(shí)現(xiàn)。

2）起升電機(jī)轉(zhuǎn)速通過安裝在風(fēng)扇制動(dòng)輪后面區(qū)域的光電傳感器采集，并由PID 控制器的2 組高清數(shù)碼管顯示，一組顯示電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，一組鎖定卷筒超速棘爪動(dòng)作的瞬間轉(zhuǎn)速。

3）電動(dòng)葫蘆的上、下、停止、急停由控制按鈕控制。

4）電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由頻率電位器手動(dòng)旋轉(zhuǎn)給定。

5）電機(jī)的工作實(shí)際頻率、電壓、電流、由變頻器的分裝操作工作面板顯示。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)起升電機(jī)超速旋轉(zhuǎn)，最高可達(dá)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.9 倍，可用于空載時(shí)電動(dòng)葫蘆安全制動(dòng)器觸發(fā)動(dòng)作速度的測(cè)試。