基于變頻調速技術的棘輪式安全制動器觸發速度測量方法*

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、物流運輸等行業。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標準對安全制動器制動時的觸發速度也未作要求[2-3]。因此，對鋼絲繩電動葫蘆棘輪式安全制動器的觸發速度、制動性能的檢測試驗方法進行研究具有重要的現實意義。

圖1 棘輪棘爪機構

1 觸發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由錐形制動電機、爪型聯軸器、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）

（2）棘輪棘爪嚙合后，卷筒因系統慣性繼續旋轉，摩擦片與卷筒摩擦產生熱能，化解掉系統的機械能。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速系統的性能具有重要影響[6]。

對于鋼絲繩電動葫蘆，觸發速度v動是指卷筒超速下降工況下，棘輪棘爪穩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；s為電動機轉差率。

因此，在工頻50 Hz以上調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，測量棘輪棘爪觸發速度。鋼絲繩電動葫蘆驅動系統是開環控制，無速度反饋功能。因此，需要將電動葫蘆原有的驅動系統進行升級改造，選取變頻調速方式，并加裝轉速傳感器。

1.3 錐形制動電機應用變頻系統的關鍵技術

根據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，保證在頻率調定范圍內，錐形轉子軸向磁拉力始終能克服彈簧的彈力，是變頻調速系統應用的關鍵。

根據文獻[8]，錐形異步電動機的軸向磁拉力：

式中：K為常數，?m為主磁通，Wb。

可知軸向磁拉力Fsm正比于?2m。在應用變頻調速時若能保持主磁通?m不變，Fsm就不會減小，制動器可以順利開閘。50 Hz以下調速屬于恒磁通變頻調速，電壓頻率比值近似恒定。50 Hz以上變頻調速屬于恒功率調速，電壓值無法繼續升高，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，轉速由于內部損耗相應降低，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松，使彈簧處于釋放狀態，實現了50 Hz以上變頻調速模擬超速下降工況的目的。

2 測試系統與測試方法

2.1 測試系統

變頻調速測試系統由變頻調速、速度采集、頻率調定與顯示、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、數顯轉速表、計時器等構成。其中，電位器調節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 變頻調速測試系統示意圖

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頻率調定范圍內，使用經檢定的光電式數字轉速表（檢定結論1.0級合格）與數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。待電機運轉平穩后，光電式數字轉速表與數顯轉速表顯示屏上的示值穩定后讀取測量值。表1所示為3次測量的平均值。試驗表明，變頻調速測試裝置中數顯轉速表與光電式數字轉速表測量數據接近一致，測量數據可信。

表1 電機轉速測量比對數據

2.3 觸發速度測量方法

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

（3）負載墜落試驗。確認錐形制動器處于松閘狀態，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，并測量觸發速度、加速時間、制停時間、觸發制動距離。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種工況測試數據

3.3 測試結果分析

分析測試數據可知，空載工況下，利用變頻調速測試裝置驅動起升電機加速，可以實現棘輪式安全制動器觸發速度的測量。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生超速下降時，剛度較小的彈簧更有利于調高棘輪棘爪機構觸發的靈敏度，建議制造單位在安全制動器設計、調試時對拉伸彈簧應謹慎對待，科學選用。

4 結束語

本文針對現行標準中棘輪式安全制動器檢測項目缺失的現狀，提出利用變頻調速技術測試棘輪棘爪機構觸發速度的檢測方法，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松，實現了棘輪棘爪機構觸發速度的定量測量。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的出廠調試及檢驗檢測機構的型式試驗提供借鑒。