棘輪棘爪型安全制動器動態制動性能的試驗研究

文茂堂 邱康勇 運向勇

（深圳市質量安全檢驗檢測研究院 深圳 518029）

安全制動器又稱緊急制動器，通常設置在傳動環節的末端。當傳動環節出現破斷或工作制動器失效導致超速、逆轉時，安全制動器能夠迅速觸發制動，是保障設備使用安全、防止人員傷亡事故的最后一道防線。對機電類特種設備，安全制動器的種類比較多，如曳引電梯的安全鉗，自動扶梯的附加制動器，施工升降機的防墜安全器，鋼絲繩電動葫蘆中的棘輪棘爪型安全制動器，大型橋門式起重機中的卷筒制動器等[1-2]。

在防爆、冶金、精密吊裝等重要應用場景中，對于以鋼絲繩電動葫蘆為起升機構的起重機，除工作制動器——錐形制動電機外，卷筒上還配置一套棘輪棘爪型安全制動器，見圖1。

圖1 電動葫蘆棘輪棘爪型安全制動器

1 棘輪棘爪型安全制動器的觸發制動原理

鋼絲繩電動葫蘆棘輪棘爪型安全制動器的結構型式如圖2所示。當電動葫蘆進行正常升、降作業時，圓弧凸輪與卷筒一起轉動，帶動滾子，使滾子棘爪組合繞固定軸擺動。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，擺動幅度較小，棘輪與棘爪無法接觸嚙合。當電動葫蘆的錐形制動器失靈或傳動環節出現破斷時，卷筒帶動圓弧凸輪6加速旋轉，負載超速下降。滾子脫離圓弧輪廓時，慣性力加大，擺動傾角加大，棘爪與棘齒之間的間隙減小；當卷筒持續加速，慣性力不斷加大，擺動傾角增大直至棘爪2與棘輪1瞬間嚙合。此時機構的自由度為0，棘輪1壓緊摩擦片9并對卷筒產生摩擦阻力消耗能量，直至卷筒完全制停。當棘輪棘爪嚙合時，滾輪5按圖中順時針方向旋轉，帶動其下方的小銷軸觸發電氣開關3，斷開電動葫蘆下降方向的控制回路[1]。

圖2 棘輪棘爪型安全制動器結構示意圖

2 動態制動性能測試方法與測試系統

對電動葫蘆棘輪棘爪型制動器動態觸發的靈敏性、制動性能的可靠性評價指標可以通過測試如下參數表征：1）觸發速度；2）觸發時間與制停時間；3）觸發距離與制停距離[3-4]。基于試驗臺架設計的電動葫蘆測試控制系統如圖3所示。

圖3 測試控制系統示意圖

以下簡要描述測量方法：

2）觸發、制停時間檢測。測量錐形制動電機從零速或穩定起升速度持續加速至棘輪棘爪觸發時的時間即為觸發時間。連續測量3次，取其平均值。在PLC程序中設置定時器，以電機開始旋轉開始計時，棘輪制動器的電氣開關動作時終止計時。觸發時間可在顯示屏中顯示、記錄。空載變頻測試方法不適用于制停時間的測量，該參數測量須在負載試驗下進行。在PLC程序中從棘輪制動器的電氣開關被觸發開始計時，至電動機轉速為0時終止計時，期間經歷時間即為制停時間。制停時間同樣可在顯示屏中顯示、記錄，觸發、制停的總時間，可以反映出棘輪棘爪型制動器動態響應的靈敏性。

3）觸發、制停距離檢測。采用旋轉編碼器可實現觸發距離與制停距離的測量。動態負載試驗下，觸發、制停距離過大，或者無法實現制動功能，表明棘輪棘爪型安全制動器可靠性無法滿足要求。

測試裝置主要由鋼結構試驗臺架、測試控制系統、輔助吊運裝置、梯子平臺等構成，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葫蘆進行靜態和動態試驗（不含小車行走功能）；2）測量、顯示并記錄空載變頻調速下電動葫蘆棘輪制動器的觸發速度；3）測量、顯示并記錄負載墜落試驗下電動葫蘆棘輪制動器的觸發速度、觸發制停時間、觸發后的制動下滑量。

圖4 試驗臺架結構框架

3 動態制動性能試驗測試實例

3.1 樣品及技術參數

選取國內某鋼絲繩電動葫蘆制造廠家生產的HYJII型冶金用鋼絲繩電動葫蘆作為測試實例。樣品數量1臺，樣品編號A，性能參數：起升電機為ZD141-4型錐形制動電機，電機功率為7.5 kW，額定轉速為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，卷筒有效計算直徑D=300 mm，凸輪圓弧14段等分。實測空載起升速度為0.14 m／s，超速比以空載起升速度為參照。

3.2 空載測試結果與分析

對樣品進行空載測試，觸發速度、觸發時間、制停時間見表1。測量結果顯示，采用空載變頻加速方法，可以實現棘輪棘爪型制動器的觸發，但是3次觸發速度無法滿足GB／T 3811—2008《起重機設計規范》的要求，即無法實現“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。”同時，觸發速度的超速比越大，觸發制停時間越長，制動響應的靈敏性越低。

表1 編號A葫蘆空載變頻加速測試記錄表

3.3 負載測試結果與分析

1）1 500 kg（30%額載）墜落動態測試：按照測試方案，進行1 500 kg動態負載墜落試驗。觸發速度與觸發制停距離顯示在觸摸顯示屏上，具體數據見表2。在此負載下，棘輪制動器可以實現超速下降觸發制動功能，但是3次測試的觸發速度同樣無法滿足超速下降時安全制動器應在下降速度達到1.5倍額定速度前觸發的要求。

表2 編號A葫蘆1 500 kg負載墜落測試記錄表

2）額定負載墜落測試：在30%額載動態負載墜落試驗1 h后進行100%額定負載墜落測試，試驗前檢查棘輪制動器，調整緊固棘輪的連接螺栓。HYJII型電動葫蘆在額定載荷超速下降時能夠觸發制動，稍后卷筒出現“咕咕”聲響，負載隨即出現緩慢“溜鉤”現象，直至墜地。

對HYJII型電動葫蘆的額定負載墜落測試表明，該型號安全制動器動態制動性能不穩定，可靠性無法滿足要求。為此，筆者再次選取配置相同結構型式的棘輪棘爪型制動器的HGYJCD1型、YHII型進行額定負載動態墜落測試，安全制動器無法可靠支持制動的類似現象再次出現。為此，試驗后對制動器進行拆解，對摩擦片的表面形態進行外觀檢查與形貌分析。

4 摩擦片磨損的表面形態分析

對HYJII型、HGYJCD1型、YHII型 共 3種 型號的鋼絲繩電動葫蘆的棘輪制動器進行拆解，發現其摩擦片均采用石棉橡膠材質，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。

試驗后，HYJII型、YHII型這2種型號的電動葫蘆的摩擦片均出現鉚釘磨損脫落等連接失效現象，見圖5。

圖5 棘輪制動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，對緊急制動工況的磨損機理進行初步的研究，結果如下。

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

圖6 石棉銅絲摩擦片試驗后外觀形貌

圖7 顯微鏡下石棉銅絲摩擦片外觀形貌

圖8 對偶面卷筒制動輪表面磨屑積聚

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

結合表面形態分析可知，制動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降低，導致動態制動性能不穩定，可靠性無法滿足設計要求。

5 結論與建議

緊急制動過程中，摩擦片與制動輪相對滑動，摩擦過程產生的熱量巨大，摩擦材料產生磨粒磨損與黏著磨損，表面形態嚴重破壞，熱衰退現象導致摩擦系數降低，因此制動力矩減小。如果不加以檢查調整，再次觸發時，安全制動器極有可能無法發揮其最后一道防線的安全保護作用。

無論是對于自動扶梯附加制動器，還是鋼絲繩電動葫蘆的棘輪型制動器，當其負載試驗動作觸發后，調整或者更換均應嚴格遵循制造廠家的技術指引。實際生產使用中如發生安全制動器觸發，待棘輪復位后應聯系電動葫蘆制造廠家進行檢修或更換。

因此，為保證棘輪式制動器在發生超速墜落或逆轉時具有良好的動態響應，及時觸發，可靠制動，在檢查維護保養環節提出以下建議：1）應經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清潔潤滑，保證其轉動靈活；3）棘輪裝置中的拉伸彈簧如有嚴重銹蝕、松弛，滾輪如有嚴重磨損現象，都應及時聯系生產廠家予以更換；4）經常性檢查觸發電氣開關，確保功能可靠有效。

值得一提的是，世界衛生組織國際癌癥研究機構早在1980年就將石棉確定為一類致癌物。石棉中的細小纖維被人體吸入后，易在肺部沉積，長期吸入將誘發塵肺病、肺癌。強制性國家標準GB 5763—2018《汽車用制動器襯片》在“涉及健康和安全的基本要求”中明確規定：“襯片中不得含有石棉”[6]。而機電類特種設備安全技術規范、國家標準以及行業標準中，對制動器的制動襯（摩擦片）材料并無要求，石棉摩擦材料仍在廣泛使用，尤其是在國產鋼絲繩電動葫蘆中[7]。在此呼吁起重運輸機械行業設計研發人員，從環保、經濟適用的角度出發，提高無石棉摩擦材料的研發投入，早日推廣應用于起重機、電梯等設備中。