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0 引言
鋼絲繩電動葫蘆通常采用帶製動裝置的錐形轉子電動機，其製動原理是：電(dian)機(ji)不(bu)工(gong)作(zuo)時(shi)，彈(dan)簧(huang)產(chan)生(sheng)軸(zhou)向(xiang)推(tui)力(li)，使(shi)製(zhi)動(dong)環(huan)緊(jin)壓(ya)在(zai)製(zhi)動(dong)器(qi)端(duan)蓋(gai)上(shang)，整(zheng)機(ji)處(chu)於(yu)製(zhi)動(dong)狀(zhuang)態(tai)。電(dian)機(ji)通(tong)電(dian)工(gong)作(zuo)時(shi)，錐(zhui)形(xing)轉(zhuan)子(zi)產(chan)生(sheng)的(de)軸(zhou)向(xiang)磁(ci)拉(la)力(li)克(ke)服(fu)彈(dan)簧(huang)的(de)軸(zhou)向(xiang)推(tui)力(li)，使(shi)轉(zhuan)子(zi)軸(zhou)向(xiang)移(yi)動(dong)，製(zhi)動(dong)輪(lun)上(shang)的(de)製(zhi)動(dong)環(huan)脫(tuo)離(li)製(zhi)動(dong)器(qi)端(duan)蓋(gai)，電(dian)機(ji)旋(xuan)轉(zhuan)帶(dai)動(dong)卷(juan)筒(tong)旋(xuan)轉(zhuan)鋼(gang)絲(si)繩(sheng)實(shi)現(xian)升(sheng)降(jiang)功(gong)能(neng)。對(dui)鋼(gang)絲(si)繩(sheng)電(dian)動(dong)葫(hu)蘆(lu)，隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)工(gong)作(zuo)製(zhi)動(dong)器(qi)存(cun)在(zai)潛(qian)在(zai)風(feng)險(xian)：起升機構在提升負載過程中如出現製動力矩不足或傳動環節失效，將發生失速溜鉤現象, yinfaanquanshigu。weimanzugenggaodeanquanxuqiu，gangsishengdiandonghuluzhizaoshangzaichuandonghuanjiemoduanjijuantongshangshezhilejilunjizhaojigouzuoanquanzhidongqi，dangdiandonghuluchaosuxiajiangshichufajizhaoyujilunniehe，shixianjuantongdejiansuzhiting。
GB/T 3811—2008 《起重機設計規範》要求：安全製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。JB/T9008.1—2004《鋼絲繩電動葫蘆第1 部分：型式與基本參數、技術條件》要求安全製動器在正常情況下不起作用；當工作製動器失靈時，它能可靠地支持住額定載荷且製動下滑量應不大於v /100（v 為額定載荷下1 min 內穩定起升的距離），且不大於200 mm。
gangsishengdiandonghuluzhizaoshangzaichanpindechuchangjianyanzhong，duianquanzhidongqideshiyanfangfayibancaiyongzaiheshiyanfa，jitishengedingzaihehou，tongguorenweitiaozhengzhuixingzhidongqiziyouzhuiluoguochengzhongchufaanquanzhidongqi，guanchafuzaishifoukekaozhiting。zhezhongshiyanfangfazhiguanjiandan，yiyuguanchazhitingxiaoguo，danduianquanzhidongqidechufadongzuosudu、製停時間等參數難以采集並量化分析。
現行特種設備安全技術規範和行業標準中未涉及到電動葫蘆安全製動器詳細、具體的檢驗檢測方法，致使現場檢驗與型式試驗缺乏理論指導與技術支持。
1 安全製動器的構成與觸發原理
1.1 機構構成
鋼絲繩電動葫蘆安全製動器典型結構形式如圖1 所示。該機構由棘輪導軌組合、滾輪棘爪組合、拉伸彈簧3 部分構成，其中卷筒、棘輪導軌組合為原動件，滾輪棘爪組合、拉伸彈簧為從動件，電動葫蘆箱體為機架。
1）棘輪導軌組合 每一段弧形導軌對應一個棘齒，棘輪與弧形導軌采用螺栓連接或焊接方式固定連接；棘輪內圈利用環氧樹脂粘接摩擦材料，2 個半圓形的棘輪導軌組合通過螺栓連接方式緊固在電動葫蘆卷筒上。
2）滾輪棘爪組合 滾gun輪lun與yu棘ji爪zhao構gou成cheng活huo動dong鉸jiao臂bi，可ke饒rao固gu定ding銷xiao軸zhou擺bai動dong，銷xiao軸zhou同tong時shi固gu定ding在zai電dian動dong葫hu蘆lu的de箱xiang體ti上shang。滾gun輪lun與yu弧hu形xing導dao軌gui接jie觸chu並bing產chan生sheng相xiang對dui運yun動dong。滾gun輪lun的de滾gun動dong可ke減jian小xiao因yin相xiang對dui運yun動dong產chan生sheng的de摩mo擦ca與yu磨mo損sun。接jie觸chu期qi間jian鉸jiao臂bi的de角jiao速su度du與yu導dao軌gui的de角jiao速su度du相xiang同tong。
3）拉伸彈簧 當棘爪與滾輪組合擺動時，彈簧受拉，限製擺動幅度，保證棘爪及時複位。
1.2 機構的觸發原理
1）正常作業工況 當dang電dian動dong葫hu蘆lu以yi額e定ding起qi升sheng速su度du進jin行xing上shang升sheng或huo下xia降jiang作zuo業ye時shi，弧hu形xing導dao軌gui與yu卷juan筒tong一yi起qi轉zhuan動dong，帶dai動dong滾gun輪lun，使shi滾gun輪lun棘ji爪zhao組zu合he饒rao固gu定ding銷xiao軸zhou擺bai動dong，擺bai動dong到dao一yi定ding傾qing角jiao後hou受shou彈dan簧huang拉la力li與yu自zi身shen重zhong力li的de作zuo用yong向xiang反fan方fang向xiang擺bai動dong。因yin棘ji輪lun機ji構gou具ju有you單dan向xiang逆ni止zhi屬shu性xing，上shang升sheng方fang向xiang不bu會hui齧nie合he；下降方向因鉸臂的擺動傾角較小，棘輪與棘爪也不會齧合。
2）超速下降工況 當dang電dian動dong葫hu蘆lu錐zhui形xing製zhi動dong器qi失shi靈ling或huo傳chuan動dong環huan節jie出chu現xian斷duan軸zhou情qing況kuang下xia，卷juan筒tong超chao速su下xia降jiang，卷juan筒tong帶dai動dong弧hu形xing導dao軌gui一yi直zhi加jia速su旋xuan轉zhuan，滾gun輪lun棘ji爪zhao組zu合he隨sui之zhi加jia速su擺bai動dong，擺bai動dong傾qing角jiao加jia大da，棘ji爪zhao與yu棘ji齒chi之zhi間jian的de間jian隙xi減jian小xiao；當傾角增大到一定角度後，滾輪偏離導軌外形軌跡，安全製動器的棘爪與棘輪齧合。此時機構的自由度為0，棘輪壓緊摩擦片並對卷筒產生摩擦阻力消耗能量，直至卷筒完全停。
當棘輪棘爪齧合時，滾輪按順時針方向向外旋轉，帶動其下方的小銷軸觸發電氣開關，斷開電動葫蘆下降方向的控製回路。
1．棘輪 2. 棘爪 3. 電氣開關 4. 拉動彈簧 5. 滾輪
6. 弧形導軌 7. 卷筒 8. 連接螺栓 9. 摩擦片
圖1 安全製動器結構形式
2 安全製動器超速工況下的製動力學模型
電動葫蘆安全製動器是一種機械製停裝置，其超速保護功能在以下兩種緊急工況下發揮作用：1）錐形製動器製動力矩不足時( 完全失效是其最不利情形)，當電動葫蘆起升額定載荷下降過程或空中懸停時整機突然斷電，負載在重力作用下超速下降；2）dangdiandonghuluqishengedingzaihexiajiangguochenghuokongzhongxuantingshi，chuandonghuanjiezhongdedianjizhouhuojiansuqineidechilunzhoufashengduanzhoushi。liangzhonggongkuangdequbiezaiyu，anquanzhidongqifahuizhidongzuoyongshixuyaokefudegeyundongbujiandezhuandongguanliangyinqideguanxinglijubutong。
2.1 觸發動作速度V 動與製停距離S
考慮到傳動環節較多，斷軸或斷齒情形下製動工況更為複雜，僅選取第1 種工況進行分析，設定錐形製動器完全失效，電動葫蘆起吊額定載荷處於下降過程中，整機突然斷電。製停距離S 為安全製動器發揮作用前負載加速下降的距離S 1 及安全製動器發揮作用到停止運動期間減速製動距離S 2 之和，即S =S 1+S 2。負載以額定起升速度v 0 加速下降到棘輪觸發動作速度v 動期間經曆的時間t 1，此階段為加速過程，將t 1定義為觸發動作時間；安全製動器發揮作用後負載速度
由v 動減速至0 期間經曆時間t 2，此階段為減速過程，可視為等減速運動，將t 2 定義為減速製停時間。製停時間t 包含2 部分，即t=t 1+t 2。
為便於分析，將觸發動作速度v 動明確定義為卷筒超出額定起升速度下降，引起棘輪棘爪觸發齧合時鋼絲繩繞出卷筒的線速度，可知
式中：n 為棘輪觸發動作時電機轉速， r / min ；D為電動葫蘆有效計算半徑，m；i 為電動葫蘆減速比。設起升電機的額定轉速為n 0，求解電動葫蘆起吊額定載荷時負載的額定速度V0，可知
求解負載在棘輪觸發動作製停時下降速度V1，可知
求解負載超速下降停止過程中2 階段的滑動距離，可知
製停距離是安全製動器製動性能的重要考核指標。測量製停距離的方法較多，式（3）表明，通過間接測量觸發動作時間t 1，減速製停時間t 2，以及起升電機在觸發動作時的轉速n 可求得此參數。
2.2 安全製動器製動力矩M 製
安全製動器依靠摩擦片與卷筒之間產生的摩擦力使負載減速製停，其製動力矩M 製需同時克服負載對卷筒產生的負載力矩M 載，負載在觸發動作速度V 動時對卷筒產生的慣性力矩M 載慣，以及傳動係統中各旋轉部件（電機轉子係統、各級齒輪軸、齒輪、卷筒）因慣性產生的慣性力矩M 轉慣，即
式（5）和式（6）中Q 為電動葫蘆額定起升載荷，N；W 為卷筒角速度，rad/s ；t 2 為棘輪減速製停時間， s；J 卷為卷筒負載轉動慣量。求解各旋轉部件產生的慣性力矩M 轉慣，應先將各
旋轉部件轉動慣量折算到卷筒上。電動葫蘆為3 級傳動係統（見圖2），設各級傳動比依次為u 1、u 2、u 3，不計傳動機構損耗，根據動能守恒定理
等式中左邊代表電機軸傳遞動能，右邊代表卷筒傳遞動能，則
式中：J 0 為電機轉子轉動慣量，i 為電動葫蘆減速比。同理可求得係統中各旋轉部件折算到卷筒上的轉動慣量之和為
根據式（4）～式（7），求解安全製動器投入的製動力矩
1. 起升電機 2. 安全製動器 3. 卷筒 4. 傳動軸Ⅳ 5. 傳動軸Ⅰ6. 傳動軸Ⅱ 7. 傳動軸Ⅲ
圖2 電動葫蘆傳動示意圖
由式（8）可知，1）qizhongjishejiguifanduiyuzhidongqizhidongzhuanjudejisuanjinkaolvdaoedingqishengzaihechuandidaozhidongzhoushangsuoxudejingliju，yijinglijuyuzhidonganquanxishudechengjijinxingyansuan，zheduianquanzhidongqizhidonglijudexiaoyanjinjubeiyibancankaoyiyi，shejizhebixugengduodikaolvdaoxitongzhuandongguanliangjiedingqishengzaihezhuandongguanliangchuandidaojuantongshangguanxingliju。2）對於給定的電動葫蘆，除n 、t 2 為變量外，其餘參數均為常量，n/t 2 可視為電機轉速的變化率。對於空載製動，M 製=M 轉慣=nJ 總/9.55it 2，即僅需要克服係統對傳動末端卷筒的慣性力矩。
3）對於給定的電動葫蘆，其裝配調試完成後，安全製動器可投入的製動力矩的調定值可以用n/t 2 體現出，如何測量棘輪動作時起升電機的轉速n 、減速製停時間t 2這2 個變量，是安全製動器測試方法的關鍵。
3 安全製動器製動性能的影響因素
棘輪棘爪機構用作電動葫蘆安全製動器，其製動特性具有以下特點：1）齧合動作依靠卷筒下降過程中轉速超速觸發；2）棘輪棘爪齧合動作後發揮製動效用，依靠卷筒與摩擦片的摩擦產生熱能，化解掉係統的機械能。
鋼絲繩電動葫蘆安全製動器的製動性能可用觸發動作速度V 動，製停時間t ，製停距離S 進行考核。安全製動器的製動可靠性主要受觸發動作速度V 動，棘輪連接螺栓的預緊力，摩擦片的摩擦因數及耐磨性、耐熱性的影響。
ruguozaidiandonghuluedingqishenggaodufanweineichaosuxiajiangshidouwufachufajilunjizhaoniehe，zejilunjizhaojigoudeanquanzhidongzuoyongxingtongxushe，wufaqidaojiansuzhitingbaohuzuoyong。shiyanbiaoming，jilunjizhaodechufasudubudanyujuantongzhuansuxiangguan，haiyujizhaoladongdanhuangdedanxingxishuxiangguan。ciwai，jilunjizhaodecailiao、外形尺寸，加工與裝配質量，棘爪與葫蘆箱體連接銷軸潤滑情況都會影響到觸發動作時間與觸發動作速度。《起重機設計規範》要求：負載在棘輪觸發動作製停時下降速度V1 的上限值是1.5 倍的額定起升速度。
2 個半圓形的棘輪導軌組合之間的連接螺栓預緊力直接關係到摩擦副之間的接觸壓力，為此預緊力距必須保證製停距離滿足S ≤V/100 且S ≤ 200 mm。當dang然ran，如ru果guo製zhi停ting距ju離li太tai小xiao，由you於yu傳chuan動dong係xi統tong的de慣guan性xing力li矩ju與yu額e定ding起qi升sheng載zai荷he的de慣guan性xing力li矩ju較jiao大da，起qi升sheng電dian機ji會hui承cheng受shou很hen大da的de扭niu轉zhuan應ying力li。減jian速su過guo急ji，還hai會hui引yin起qi載zai荷he劇ju烈lie抖dou動dong扭niu擺bai，電dian動dong葫hu蘆lu的de承cheng軌gui梁liang或huo小xiao車che架jia將jiang承cheng受shou特te殊shu載zai荷he。
安全製動器實際製動力矩的大小，還與摩擦片的摩擦因數及耐磨性、耐熱性相關。緊急製動時大量動能轉化為熱能釋放，摩擦材料表麵溫度迅速上升，摩擦因數降低，將使製動力矩下降[2]。4 空載時觸發動作速度的測量方法交流電動機的轉速為
式中：n 為電動機轉速，r/min；為供電電源頻率，HZ；p 為電動機極對數；s 為電動機轉差率。交流電動機調速分為變轉差率調速、變極調速、變bian頻pin調tiao速su。為wei模mo擬ni電dian動dong葫hu蘆lu超chao速su下xia降jiang工gong況kuang，需xu要yao將jiang驅qu動dong卷juan筒tong加jia速su，直zhi至zhi安an全quan製zhi動dong器qi的de棘ji爪zhao棘ji輪lun齧nie合he。為wei此ci，需xu要yao將jiang電dian動dong葫hu蘆lu原yuan有you控kong製zhi係xi統tong進jin行xing升sheng級ji改gai造zao，選xuan取qu變bian頻pin調tiao速su方fang式shi，通tong過guo人ren為wei調tiao高gao供gong電dian電dian源yuan頻pin率lv實shi現xian起qi升sheng電dian機ji加jia速su旋xuan轉zhuan，從cong而er驅qu動dong卷juan筒tong加jia速su，觸chu發fa安an全quan製zhi動dong器qi動dong作zuo。鋼gang絲si繩sheng電dian動dong葫hu蘆lu起qi升sheng電dian機ji為weiZD1 係列電機，工作額定頻率為50 HZ，基頻以上調速為恒功率調速，測試時應注意電動葫蘆為空載狀況。
測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)主(zhu)要(yao)由(you)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)和(he)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)及(ji)顯(xian)示(shi)係(xi)統(tong)構(gou)成(cheng)。通(tong)過(guo)電(dian)位(wei)器(qi)手(shou)動(dong)旋(xuan)鈕(niu)給(gei)定(ding)起(qi)升(sheng)電(dian)機(ji)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)，控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)轉(zhuan)速(su)。測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)可(ke)實(shi)現(xian)如(ru)下(xia)功(gong)能(neng)：
1）所有控製操作、參數設定及數據顯示都在控製箱麵板實現。
2）起升電機轉速通過安裝在風扇製動輪後麵區域的光電傳感器采集，並由PID 控製器的2 組高清數碼管顯示，一組顯示電機當前轉速，一組鎖定卷筒超速棘爪動作的瞬間轉速。
3）電動葫蘆的上、下、停止、急停由控製按鈕控製。
4）電機的實際轉速由頻率電位器手動旋轉給定。
5）電機的工作實際頻率、電壓、電流、由變頻器的分裝操作工作麵板顯示。試驗表明，該係統可驅動起升電機超速旋轉，最高可達電機額定轉速的1.9 倍，可用於空載時電動葫蘆安全製動器觸發動作速度的測試。
