电动葫芦安全制动器的触发原理及制动性能分析
文茂堂 运向勇 潘海宁 刘敬东
0 引言
钢丝绳电动葫芦通常采用带制动装置的锥形转子电动机，其制动原理是：电机不工作时，弹簧产生轴向推力，使制动环紧压在制动器端盖上，整机处于制动状态。电机通电工作时，锥形转子产生的轴向磁拉力克服弹簧的轴向推力，使转子轴向移动，制动轮上的制动环脱离制动器端盖，电机旋转带动卷筒旋转钢丝绳实现升降功能。对钢丝绳电动葫芦，只有一个工作制动器存在潜在风险：起升机构在提升负载过程中如出现制动力矩不足或传动环节失效，将发生失速溜钩现象, 引发安全事故。为满足更高的安全需求，钢丝绳电动葫芦制造商在传动环节末端即卷筒上设置了棘轮棘爪机构作安全制动器，当电动葫芦超速下降时触发棘爪与棘轮啮合，实现卷筒的减速制停。
GB/T 3811—2008 《起重机设计规范》要求：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。JB/T9008.1—2004《钢丝绳电动葫芦第1 部分：型式与基本参数、技术条件》要求安全制动器在正常情况下不起作用；当工作制动器失灵时，它能可靠地支持住额定载荷且制动下滑量应不大于v /100（v 为额定载荷下1 min 内稳定起升的距离），且不大于200 mm。
钢丝绳电动葫芦制造商在产品的出厂检验中，对安全制动器的试验方法一般采用载荷试验法，即提升额定载荷后，通过人为调整锥形制动器自由坠落过程中触发安全制动器，观察负载是否可靠制停。这种试验方法直观简单，易于观察制停效果，但对安全制动器的触发动作速度、制停时间等参数难以采集并量化分析。
现行特种设备安全技术规范和行业标准中未涉及到电动葫芦安全制动器详细、具体的检验检测方法，致使现场检验与型式试验缺乏理论指导与技术支持。
1 安全制动器的构成与触发原理
1.1 机构构成
钢丝绳电动葫芦安全制动器典型结构形式如图1 所示。该机构由棘轮导轨组合、滚轮棘爪组合、拉伸弹簧3 部分构成，其中卷筒、棘轮导轨组合为原动件，滚轮棘爪组合、拉伸弹簧为从动件，电动葫芦箱体为机架。
1）棘轮导轨组合 每一段弧形导轨对应一个棘齿，棘轮与弧形导轨采用螺栓连接或焊接方式固定连接；棘轮内圈利用环氧树脂粘接摩擦材料，2 个半圆形的棘轮导轨组合通过螺栓连接方式紧固在电动葫芦卷筒上。
2）滚轮棘爪组合 滚轮与棘爪构成活动铰臂，可饶固定销轴摆动，销轴同时固定在电动葫芦的箱体上。滚轮与弧形导轨接触并产生相对运动。滚轮的滚动可减小因相对运动产生的摩擦与磨损。接触期间铰臂的角速度与导轨的角速度相同。
3）拉伸弹簧 当棘爪与滚轮组合摆动时，弹簧受拉，限制摆动幅度，保证棘爪及时复位。
1.2 机构的触发原理
1）正常作业工况 当电动葫芦以额定起升速度进行上升或下降作业时，弧形导轨与卷筒一起转动，带动滚轮，使滚轮棘爪组合饶固定销轴摆动，摆动到一定倾角后受弹簧拉力与自身重力的作用向反方向摆动。因棘轮机构具有单向逆止属性，上升方向不会啮合；下降方向因铰臂的摆动倾角较小，棘轮与棘爪也不会啮合。
2）超速下降工况 当电动葫芦锥形制动器失灵或传动环节出现断轴情况下，卷筒超速下降，卷筒带动弧形导轨一直加速旋转，滚轮棘爪组合随之加速摆动，摆动倾角加大，棘爪与棘齿之间的间隙减小；当倾角增大到一定角度后，滚轮偏离导轨外形轨迹，安全制动器的棘爪与棘轮啮合。此时机构的自由度为0，棘轮压紧摩擦片并对卷筒产生摩擦阻力消耗能量，直至卷筒完全停。
当棘轮棘爪啮合时，滚轮按顺时针方向向外旋转，带动其下方的小销轴触发电气开关，断开电动葫芦下降方向的控制回路。
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 安全制动器结构形式
2 安全制动器超速工况下的制动力学模型
电动葫芦安全制动器是一种机械制停装置，其超速保护功能在以下两种紧急工况下发挥作用：1）锥形制动器制动力矩不足时( 完全失效是其最不利情形)，当电动葫芦起升额定载荷下降过程或空中悬停时整机突然断电，负载在重力作用下超速下降；2）当电动葫芦起升额定载荷下降过程或空中悬停时，传动环节中的电机轴或减速器内的齿轮轴发生断轴时。两种工况的区别在于，安全制动器发挥制动作用时需要克服的各运动部件的转动惯量引起的惯性力矩不同。
2.1 触发动作速度V 动与制停距离S
考虑到传动环节较多，断轴或断齿情形下制动工况更为复杂，仅选取第1 种工况进行分析，设定锥形制动器完全失效，电动葫芦起吊额定载荷处于下降过程中，整机突然断电。制停距离S 为安全制动器发挥作用前负载加速下降的距离S 1 及安全制动器发挥作用到停止运动期间减速制动距离S 2 之和，即S =S 1+S 2。负载以额定起升速度v 0 加速下降到棘轮触发动作速度v 动期间经历的时间t 1，此阶段为加速过程，将t 1定义为触发动作时间；安全制动器发挥作用后负载速度
由v 动减速至0 期间经历时间t 2，此阶段为减速过程，可视为等减速运动，将t 2 定义为减速制停时间。制停时间t 包含2 部分，即t=t 1+t 2。
为便于分析，将触发动作速度v 动明确定义为卷筒超出额定起升速度下降，引起棘轮棘爪触发啮合时钢丝绳绕出卷筒的线速度，可知
式中：n 为棘轮触发动作时电机转速， r / min ；D为电动葫芦有效计算半径，m；i 为电动葫芦减速比。设起升电机的额定转速为n 0，求解电动葫芦起吊额定载荷时负载的额定速度V0，可知
式中：k 为滑轮组倍率。
求解负载在棘轮触发动作制停时下降速度V1，可知
求解负载超速下降停止过程中2 阶段的滑动距离，可知
制停距离是安全制动器制动性能的重要考核指标。测量制停距离的方法较多，式（3）表明，通过间接测量触发动作时间t 1，减速制停时间t 2，以及起升电机在触发动作时的转速n 可求得此参数。
2.2 安全制动器制动力矩M 制
安全制动器依靠摩擦片与卷筒之间产生的摩擦力使负载减速制停，其制动力矩M 制需同时克服负载对卷筒产生的负载力矩M 载，负载在触发动作速度V 动时对卷筒产生的惯性力矩M 载惯，以及传动系统中各旋转部件（电机转子系统、各级齿轮轴、齿轮、卷筒）因惯性产生的惯性力矩M 转惯，即
式（5）和式（6）中Q 为电动葫芦额定起升载荷，N；W 为卷筒角速度，rad/s ；t 2 为棘轮减速制停时间， s；J 卷为卷筒负载转动惯量。求解各旋转部件产生的惯性力矩M 转惯，应先将各
旋转部件转动惯量折算到卷筒上。电动葫芦为3 级传动系统（见图2），设各级传动比依次为u 1、u 2、u 3，不计传动机构损耗，根据动能守恒定理
等式中左边代表电机轴传递动能，右边代表卷筒传递动能，则
式中：J 0 为电机转子转动惯量，i 为电动葫芦减速比。同理可求得系统中各旋转部件折算到卷筒上的转动惯量之和为
根据式（4）～式（7），求解安全制动器投入的制动力矩
1. 起升电机 2. 安全制动器 3. 卷筒 4. 传动轴Ⅳ 5. 传动轴Ⅰ6. 传动轴Ⅱ 7. 传动轴Ⅲ
图2 电动葫芦传动示意图
由式（8）可知，1）起重机设计规范对于制动器制动转矩的计算仅考虑到额定起升载荷传递到制动轴上所需的静力矩，以静力矩与制动安全系数的乘积进行验算，这对安全制动器制动力矩的校验仅具备一般参考意义，设计者必须更多地考虑到系统转动惯量及额定起升载荷转动惯量传递到卷筒上惯性力矩。2）对于给定的电动葫芦，除n 、t 2 为变量外，其余参数均为常量，n/t 2 可视为电机转速的变化率。对于空载制动，M 制=M 转惯=nJ 总/9.55it 2，即仅需要克服系统对传动末端卷筒的惯性力矩。
3）对于给定的电动葫芦，其装配调试完成后，安全制动器可投入的制动力矩的调定值可以用n/t 2 体现出，如何测量棘轮动作时起升电机的转速n 、减速制停时间t 2这2 个变量，是安全制动器测试方法的关键。
3 安全制动器制动性能的影响因素
棘轮棘爪机构用作电动葫芦安全制动器，其制动特性具有以下特点：1）啮合动作依靠卷筒下降过程中转速超速触发；2）棘轮棘爪啮合动作后发挥制动效用，依靠卷筒与摩擦片的摩擦产生热能，化解掉系统的机械能。
钢丝绳电动葫芦安全制动器的制动性能可用触发动作速度V 动，制停时间t ，制停距离S 进行考核。安全制动器的制动可靠性主要受触发动作速度V 动，棘轮连接螺栓的预紧力，摩擦片的摩擦因数及耐磨性、耐热性的影响。
如果在电动葫芦额定起升高度范围内超速下降时都无法触发棘轮棘爪啮合，则棘轮棘爪机构的安全制动作用形同虚设，无法起到减速制停保护作用。试验表明，棘轮棘爪的触发速度不但与卷筒转速相关，还与棘爪拉动弹簧的弹性系数相关。此外，棘轮棘爪的材料、外形尺寸，加工与装配质量，棘爪与葫芦箱体连接销轴润滑情况都会影响到触发动作时间与触发动作速度。《起重机设计规范》要求：负载在棘轮触发动作制停时下降速度V1 的上限值是1.5 倍的额定起升速度。
2 个半圆形的棘轮导轨组合之间的连接螺栓预紧力直接关系到摩擦副之间的接触压力，为此预紧力距必须保证制停距离满足S ≤V/100 且S ≤ 200 mm。当然，如果制停距离太小，由于传动系统的惯性力矩与额定起升载荷的惯性力矩较大，起升电机会承受很大的扭转应力。减速过急，还会引起载荷剧烈抖动扭摆，电动葫芦的承轨梁或小车架将承受特殊载荷。
安全制动器实际制动力矩的大小，还与摩擦片的摩擦因数及耐磨性、耐热性相关。紧急制动时大量动能转化为热能释放，摩擦材料表面温度迅速上升，摩擦因数降低，将使制动力矩下降[2]。4 空载时触发动作速度的测量方法交流电动机的转速为
式中：n 为电动机转速，r/min；为供电电源频率，HZ；p 为电动机极对数；s 为电动机转差率。交流电动机调速分为变转差率调速、变极调速、变频调速。为模拟电动葫芦超速下降工况，需要将驱动卷筒加速，直至安全制动器的棘爪棘轮啮合。为此，需要将电动葫芦原有控制系统进行升级改造，选取变频调速方式，通过人为调高供电电源频率实现起升电机加速旋转，从而驱动卷筒加速，触发安全制动器动作。钢丝绳电动葫芦起升电机为ZD1 系列电机，工作额定频率为50 HZ，基频以上调速为恒功率调速，测试时应注意电动葫芦为空载状况。
测试系统主要由变频调速控制系统和数据采集及显示系统构成。通过电位器手动旋钮给定起升电机输入频率，控制电机转速。测试系统可实现如下功能：
1）所有控制操作、参数设定及数据显示都在控制箱面板实现。
2）起升电机转速通过安装在风扇制动轮后面区域的光电传感器采集，并由PID 控制器的2 组高清数码管显示，一组显示电机当前转速，一组锁定卷筒超速棘爪动作的瞬间转速。
3）电动葫芦的上、下、停止、急停由控制按钮控制。
4）电机的实际转速由频率电位器手动旋转给定。
5）电机的工作实际频率、电压、电流、由变频器的分装操作工作面板显示。试验表明，该系统可驱动起升电机超速旋转，最高可达电机额定转速的1.9 倍，可用于空载时电动葫芦安全制动器触发动作速度的测试。