文茂堂，运向勇

（深圳市特种设备安全检验研究院，广东深圳 518029）

0 引言

以钢丝绳电动葫芦为起升机构的起重机，广泛应用于装备制造、物流运输等行业。棘轮棘爪机构具有单向逆止功能，是钢丝绳电动葫芦安全制动器的常见型式。制动电机是钢丝绳电动葫芦的工作制动器。安全制动器在制动电机失效或传动装置损坏时，发挥超速下降保护作用，其紧急保护功能直接关系到人员和设备的生命财产安全，重要性不言而喻。国家标准对安全制动器紧急制动时的超速范围提出明确要求[1]，而安全技术规范中制动器型式试验项目未能覆盖棘轮式安全制动器，同时，钢丝绳电动葫芦行业标准对安全制动器制动时的触发速度也未作要求[2-3]。因此，对钢丝绳电动葫芦棘轮式安全制动器的触发速度、制动性能的检测试验方法进行研究具有重要的现实意义。

图1 棘轮棘爪机构

1 触发速度的测试原理与关键技术

1.1 棘轮式安全制动器

钢丝绳电动葫芦的传动系统由锥形制动电机、爪型联轴器、行星减速器、卷筒构成，棘轮棘爪机构安装在卷筒上，如图1和2所示。棘轮与凸轮固定连接，通过内圈的摩擦片与卷筒紧密贴合。棘爪与滚轮连接在棘爪轴上，棘爪轴与卷筒外壳（机架）连接。棘轮棘爪机构的触发制动原理如下。

（1）卷筒在下降方向（逆时针）超速旋转时，凸轮8随卷筒一起旋转，当凸轮与滚轮接触时，滚轮随凸轮沿顺时针摆动，棘爪顺时针摆动。因离心力不断增大，其摆幅也逐渐增大，直至克服拉伸弹簧6的约束，带动棘爪与棘轮1稳定啮合[4-5]。凸轮与滚轮是速度检测元件。

图2 钢丝绳电动葫芦安全制动器（啮合状态）

（2）棘轮棘爪啮合后，卷筒因系统惯性继续旋转，摩擦片与卷筒摩擦产生热能，化解掉系统的机械能。卷筒、摩擦片、棘轮、棘爪、棘爪轴是制动元件。

1.2 测试原理

交流电机常用测速方法主要有定时测角法（M法）、定角测时法（T法）及M/T法，转速测量的精确度与实时性对调速系统的性能具有重要影响[6]。

对于钢丝绳电动葫芦，触发速度v动是指卷筒超速下降工况下，棘轮棘爪稳定啮合时钢丝绳绕出卷筒的线速度，可得出：

式（1）、（2）中：n为电动机转速，r/min；D为电动葫芦有效计算半径，m；i为电动葫芦减速比；f为供电电源频率，Hz；p为电动机极对数；s为电动机转差率。

因此，在工频50 Hz以上调整电动葫芦起升电机频率，驱动卷筒加速，可模拟超速下降工况，测量棘轮棘爪触发速度。钢丝绳电动葫芦驱动系统是开环控制，无速度反馈功能。因此，需要将电动葫芦原有的驱动系统进行升级改造，选取变频调速方式，并加装转速传感器。

1.3 锥形制动电机应用变频系统的关键技术

根据锥形异步电动机工作特性可知，定子三相绕组接通电源时产生轴向磁拉力，顺利推开制动器从而使其正常运行[7]。因此，保证在频率调定范围内，锥形转子轴向磁拉力始终能克服弹簧的弹力，是变频调速系统应用的关键。

根据文献[8]，锥形异步电动机的轴向磁拉力：

式中：K为常数，ϕm为主磁通，Wb。

可知轴向磁拉力Fsm正比于ϕ2m。在应用变频调速时若能保持主磁通ϕm不变，Fsm就不会减小，制动器可以顺利开闸。50 Hz以下调速属于恒磁通变频调速，电压频率比值近似恒定。50 Hz以上变频调速属于恒功率调速，电压值无法继续升高，频率增加将引起磁通量ϕm减少，可能导致轴向磁拉力无法推开弹簧完全开闸，电机处于堵转状态，转速由于内部损耗相应降低，无法模拟超速工况。

通过将电动葫芦锥形电机风扇制动轮后的锁紧螺母人为调松，使弹簧处于释放状态，实现了50 Hz以上变频调速模拟超速下降工况的目的。

2 测试系统与测试方法

2.1 测试系统

变频调速测试系统由变频调速、速度采集、频率调定与显示、运行操作各单元组成，如图3所示。测试装置主要由变频器、制动电阻、电位器、旋转码盘、转速传感器、数显转速表、计时器等构成。其中，电位器调节旋钮可控制变频器输出频率，使电机超速旋转；测速元件由磁阻式齿轮转速传感器与旋转码盘构成，如图4所示。

图3 变频调速测试系统示意图

图4 旋转码盘与转速传感器

2.2 比对试验

为验证测试装置中数显转速表测量的准确可靠性，设计一组比对试验。在10～70 Hz频率调定范围内，使用经检定的光电式数字转速表（检定结论1.0级合格）与数显转速表进行电机转速比对。试验前在锥形电机风扇制动轮上粘贴1个荧光纸作为反射标记，如图4所示。待电机运转平稳后，光电式数字转速表与数显转速表显示屏上的示值稳定后读取测量值。表1所示为3次测量的平均值。试验表明，变频调速测试装置中数显转速表与光电式数字转速表测量数据接近一致，测量数据可信。

表1 电机转速测量比对数据

2.3 触发速度测量方法

（1）试验前准备工作。将锥形制动器锁紧螺母人为调松，直至风扇叶轮可灵活转动，并将锁紧螺母替换为旋转测速码盘。检查棘轮棘爪机构，棘爪绕轴应转动灵活，拉伸弹簧无严重锈蚀或塑性形变。

（2）空载试验。通过手动调节电位器旋钮，对电动葫芦起升电机在50 Hz以上进行频率调定，当棘轮棘爪触发啮合时，棘轮棘爪装置上的电气开关被触发，此时传感器采集起升电机转子的实时转速n1，根据式（2）可计算出触发速度v动。连续测量3次，取其平均值。触发速度由变频调速测试系统显示屏显示。将驱动电机的实时转速、触发时间、制停时间等直接测量的参数录入EXCEL表，经过软件计算，得出触发速度、角加速度及超速比等数据。

（3）负载坠落试验。确认锥形制动器处于松闸状态，提升负载至距离地面1.5 m处切断电机电源，使负载加速坠落，测试在此高度范围，棘轮棘爪机构是否触发，并测量触发速度、加速时间、制停时间、触发制动距离。测量完成后，操作起升按钮，使棘轮机构复位。操作下降按钮，使负载平稳着地。出于安全考虑，负载试验应逐级加载，可按照30%、60%、100%额定载荷进行。提升载荷时利用变频调速测试装置以较低频率起动。

3 测试实例与结果分析

选取额定起重量为5 000 kg、起升高度为9 m，起升速度为8 m/min的HZ型、HYJII型两种钢丝绳电动葫芦作为测试样品，起升电机均为ZD141—4型锥形制动电机，功率7.5 kW。安全制动器均为棘轮棘爪型式。

3.1 HZ型钢丝绳电动葫芦

测试样品基本参数如下，起升电机额定转速1 400 r/min；2倍率卷绕；减速比i=82.5，卷筒有效计算直径D=304.5 mm，凸轮圆弧12段等分。实测空载起升速度0.14 m/s，超速比以空载起升速度为参照。如表2所示。

3.2 HYJ II型钢丝绳电动葫芦

测试样品基本参数如下，起升电机额定转速1 380 r/min；2倍率卷绕；减速比i=82.3，卷筒有效计算直径D=300 mm，凸轮圆弧14段等分。实测空载起升速度0.14 m/s。如表3所示。

表3 HYJ II型电动葫芦空2种工况测试数据

3.3 测试结果分析

分析测试数据可知，空载工况下，利用变频调速测试装置驱动起升电机加速，可以实现棘轮式安全制动器触发速度的测量。对于HZ型和HYJII型电动葫芦，空载工况下棘轮棘爪机构的平均触发速度均超过额定起升速度的1.8倍。1 600 kg负载坠落工况下，两种电动葫芦的平均触发速度测量值均小于空载工况下测量值，这是由于负载工况下电动葫芦卷筒获取的角加速度值更大。尤其值得注意的是，HYJII型电动葫芦在负载工况下的超速比为1.59，不符合《起重机设计规范》中安全制动的要求，即“安全制动器在机构失效或传动装置损坏导致物品超速下降，下降速度达到1.5倍额定速度前自动起作用”[1]。考虑到钢丝绳电动葫芦发生超速下降时，刚度较小的弹簧更有利于调高棘轮棘爪机构触发的灵敏度，建议制造单位在安全制动器设计、调试时对拉伸弹簧应谨慎对待，科学选用。

4 结束语

本文针对现行标准中棘轮式安全制动器检测项目缺失的现状，提出利用变频调速技术测试棘轮棘爪机构触发速度的检测方法，分别应用于空载模拟试验与负载坠落试验。通过将锥形制动器人为调松，实现了棘轮棘爪机构触发速度的定量测量。测试结果表明，该方法准确可靠、方便实用，可为棘轮式安全制动器制造企业的出厂调试及检验检测机构的型式试验提供借鉴。