钢丝绳电动葫芦安全制动器测试方法*

文茂堂 运向勇 刘敬东 潘海宁深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518029摘 要：棘轮棘爪装置是钢丝绳电动葫芦安全制动器的主要形式，触发速度与触发制停距离是其重要性能参数。文中介绍了该装置的触发原理，提出空载变频加速测试与负载坠落试验相结合，测量制停时间与制停距离的试验方法，并开发了一套变频调速测试系统。对HZ 型钢丝绳电动葫芦的安全制动器进行试验，结果表明：变频调速测试系统可以完成空载状态下的触发速度检测, 负载超速下降时安全制动器可以起到制停或减速作用。关键词：钢丝绳电动葫芦；安全制动器；变频调速；触发速度; 触发制动距离中图分类号：TH211+.3 文献标识码：A 文章编号:1001-0785(2018)07-0125-040 引言钢丝绳电动葫芦用于冶金、防爆等安全性要求极高的使用环境时，要求设置安全制动器。当锥形制动电机的制动力矩不足或传动环节破断引起负载加速下降时，安全制动器应发挥紧急制动保护功能。棘轮棘爪装置是钢丝绳电动葫芦安全制动器的主要形式，卷筒超速旋转将触发棘爪与棘齿啮合，实现制动。TSG Q002—2008《起重机械安全监察规程—桥式起重机》与TSG Q7012—2008《轻小型起重设备型式试验细则》等安全技术规范中，对电动葫芦安全制动器的配置作出明确规定，对检测及试验方法未作详细阐述[1,2]。行业标准JBT 9008.2—2004《钢丝绳电动葫芦第2 部分：试验方法》要求额定负载下降时人为打开工作制动器，观察安全制动器能否可靠制停，现场操作存在较大的安全风险[3,4]。安全制动器是起重机安全保护的最后一道防线，关系到使用人员的生命财产安全，对其触发原理与性能参数进行测试研究，具有重要的现实意义。1 棘轮棘爪装置触发原理1.1 结构形式棘轮棘爪装置结构形式如图1 所示。卷筒、棘齿与弧形导轨沿卷筒均匀分布，两者通过焊接或螺栓连接，构成棘轮。棘轮由连接螺栓连接，内部粘接或铆固摩擦片，紧密贴合在卷筒上。滚轮与棘爪组合成一个摆臂，可绕棘爪轴摆动, 摆臂后端被拉伸弹簧拉住。1.2 触发原理当负载以稳定起升速度下降时，卷筒沿逆时针方向旋转，导轨带动摆臂做周期性摆动。当滚轮脱离导轨后，由于惯性继续摆动，拉伸弹簧逐渐拉长，弹力加大，将摆臂复位到初始状态，进入下一摆动周期。弹簧作用使棘爪的摆动幅度不足以与棘齿啮合。当负载加速下降时，滚轮加快摆动，摆动倾角逐渐加大直至带动棘爪与棘齿啮合，棘轮压紧摩擦片产生摩擦阻力实现减速制停。当棘轮棘爪啮合时，滚轮顺时针向外摆动，带动下方打杆触发电气开关，断开下降方向的控制回路，锥形制动器快速制动。按下起升按钮后，棘爪由于弹簧的拉力，将自动脱离棘轮，电气开关随即复位[5]。因此，棘轮机构由加速度触发。1. 棘轮 2. 棘爪 3. 电气开关 4. 拉动弹簧 5. 滚轮 6. 弧形导轨 7. 卷筒 8. 连接螺栓 9. 摩擦片图1 棘轮棘爪装置结构形式1.3 触发工况1）如果制动力矩不足，当负载在空中悬停时由于电机转矩消失，负载自身重力与传动系统的摩擦阻力产生向下的合力，使负载向下加速坠落。在起升或下降过程中，负载由于电机转矩的支持，不会出现超速下降。2）负载在起升、下降或空中悬停过程中，传动装置发生破断，将会产生“溜钩”现象。溜钩能否触发安全制动器，取决于负载产生的加速度。因此，获取下降方向的加速度是试验方法的关键。2 测试方法与试验内容结合文献[3] 与文献[4]，提出两种加速方法：空载变频调速测试法与负载坠落试验法。空载试验时，将变频调速技术应用于锥形制动电机。增加变频器输出电压的频率，控制加速时间，开环调节电机转速从而驱动卷筒加速旋转，可以测试安全制动器能否在调速范围内触发。根据锥形制动电机工作特性，应保证50~100 Hz 时轴向磁拉力始终能克服弹簧的弹力，否则磁拉力不足易引起电机堵转，甚至可能烧毁电机[6]。将电机风扇制动轮后的锁紧螺母调松，使其处于松闸状态，可以解决此问题。负载试验时，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，安全制动器是否触发，并检测触发速度、加速时间、制停时间、触发制停距离。安全制动器触发后，操作起升按钮，使其复位。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。提升载荷时宜低速，可利用变频调速测试装置以较低频率起动（20 Hz 较适宜）。2.1 触发速度检测将安全制动器触发速度V动定义为卷筒加速下降，引起棘轮棘爪啮合时钢丝绳绕出卷筒的线速度。空载状态下对电动葫芦的起升电机在基频50 Hz 以上进行加速，当棘轮棘爪触发啮合时，棘爪装置上的电气开关被触发，传感器采集电机转子的实时转速n1，通过计算得出触发速度。连续测量4 次，取其平均值。触发速度由变频调速测试系统检测并显示。2.2 加速时间检测测量锥形制动电机从零速或稳定起升速度持续加速至棘轮触发时的时间。连续测量4 次，取其平均值。用秒表测量，空载试验时从电机启动（零速）开始计时，负载试验时从电机断电开始计时，至棘轮触发时停止计时。2.3 制停时间检测从电气开关被触发开始计时，至电动机转速为零时，期间经历的时间即为制停时间。制停时间可由变频调速测试系统检测并显示。2.4 触发制停距离检测触发制停包括两个过程：触发过程负载从零速或稳定起升速度加速下降至棘轮触发；制停过程从棘轮啮合后摩擦片发挥制动作用到停止运动。两个过程载荷滑行总距离即为触发制停距离。用钢卷尺测量。树立2 m 标尺在1.5 m 起升高度处做明显水平标记，负载起升至与标记齐平时断电，待负载完全制停后测量负载与标记之间的距离，即为触发制停距离。3 测试系统组成变频调速测试原理框图如图2 所示，测试系统主要由变频器、制动电阻、电位器、旋转码盘、转速传感器、数字转速表、计时器等构成。变频器频率调定范围为0~300 Hz，额定输出功率为15 kW，适配额定功率为7.5 kW 的ZD141-4 型锥形制动电机。测速元件由2 个磁阻式齿轮转速传感器与1 个旋转码盘构成。功能简述：1）通过电位器手动旋钮控制变频器的输出频率，从而控制电机转速。对ZD1 电机多次测试观察，松闸状态下测试系统频率调定范围控制为10~100 Hz，调速范围1:10。2）旋转码盘随电机转子一起旋转，兼具固定风扇制动轮与转速检测作用。2 组转速传感器布置于距离旋转码盘2.5 mm 范围内。一组传感器与数字转速表连接；另一组传感器与计时器连接。3）PID 控制器的高清数码管可实时显示电机转速。当棘爪装置上的电气开关触发时，产生一个闭合脉冲信号，数字转速表将锁定此时电机转速并在数码屏上显示，同时发出声光报警，切断电机动力电源。4）计时器自电气开关触发时开始计时，到电机停止旋转时结束计时。计时器可锁定制停时间并在数码屏上显示。图2 变频调速测试系统功能框图4 测试实例4.1 测试样品HZ 型钢丝绳电动葫芦参数如下：额定起重量为5 000 kg，起升速度为8 m/min，起升高度为9 m，2 倍率卷绕，起升电机为ZD141-4 型锥形制动电机，电机功率7.5 kW，额定转速1 400 r/min，减速比82.5, 卷筒有效计算直径305 mm。棘轮棘爪装置：棘轮上布置14个棘齿，拉伸弹簧中径5.4 mm，自由长度50 mm，弹簧刚度0.22 N/mm。棘轮连接螺栓规格M10，预紧力矩70 N·m。负载坠落试验载荷分别为1 600 kg，5 200kg，约为额定起重量的30%、105%。4.2 测试前准备工作1）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。2）检查棘轮棘爪装置，棘爪绕轴应转动灵活，拉伸弹簧无严重锈蚀或塑性形变。3）负载试验场地应铺设沙包或其他缓冲减振材料，防止负载下落对地面造成剧烈冲击。每次负载试验前都用力矩扳手检查，确保连接螺栓预紧力矩达标。4.3 测试结果及分析对HZ 型电动葫芦分别进行空载变频加速测试，1 600 kg 与5 200 kg 负载测试。表1~ 表3 中标* 数值根据测量数据计算，触发速度根据公式计算，角加速度按角速度在触发时间内加速变化平均值计算。斜体加粗数值为4 次测量及计算的平均值。空载试验的触发制停距离与制停时间不具备实际意义，未在表1 显示。1）在制动器松闸状态下，空载变频加速测试与1 600 kg 负载坠落试验，棘轮棘爪装置都可以触发，使卷筒完全制停。与变频加速试验相比，负载试验触发所需的加速时间更短，卷筒的角加速度更大，验证了棘轮棘爪装置主要由加速度触发的作用原理。2）空载试验加速时间长，角加速度较小，可能与50 Hz 以上弱磁调速时电机的转速频率动态响应延迟、电机内部损耗加大有关。3）负载坠落试验触发速度约为正常起升时速度的1.4 倍，符合文献[7] 中6.1.1.3.3 安全制动要求。4）5 200 kg 负载坠落试验负载以额定频率50 Hz 起升，离地1.2 m 切断电机动力电源，松闸状态下，载荷因惯性向上冲出不足0.1 m 时停止，随即加速向下坠落，棘轮棘爪装置动作，负载悬空停止2 s，触发制停距离0.4 m。随后缓慢下落，30 s 后落地，平均下降速度为，减速至起升速度8 m/min 的20%。安全制动器起到制停、减速效果。触发制停距离与1 600 kg 负载相比无明显变化。5 结束语1）变频调速测试装置可完成触发速度与制停时间的检测，尚不具备加速时间与触发制停距离的检测与显示功能，且调速范围受限，加速度不易控制，功能优化还需持续改进。增加电动葫芦棘轮棘爪装置的测试样品，积累大量测试数据，进行可靠性分析也是今后的研究方向。2）安全制动器触发后，摩擦材料磨损且不具备自动补偿功能，容易造成棘轮连接螺栓松动，预紧力矩下降将影响制动性能。实际生产应用中如发生安全制动器触发，待棘轮复位后应联系电动葫芦制造厂家，确认是否可重复使用。参考文献[1]TSG Q002—2008 起重机械安全监察规程—桥式起重机[S].[2]TSG Q7012—2008 轻小型起重设备型式试验细则[S].[3]JBT 9008.2—2004 钢丝绳电动葫芦第2 部分：试验方法[S].[4] 王小平, 贾文明. 吊运熔融金属用钢丝绳电动葫芦安全制动器的设置与检验[J]. 起重运输机械，2015（7）:101-103.[5] 陈登云. 电动葫芦安全制动器的正确使用与设计[J] 起重运输机械，2010（1）:105-107.[6] 傅军平. 锥形异步电动机变频调速理论的探讨[J] 轻工机械，2006（2）:129-131.[7]GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章想自己组装一台穿越机如何选配配置？电机中心高相同，功率却不同，差别主要表现在哪些方面？拿捏好电机产品的温度与温升，真正能体现电机的质量水平！无纺布机全自动收卷张力控制器智能门锁直流减速电机的特点

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