王松雷1,2 沈 寒3

1 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院 无锡 214174

2 国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心 无锡 214174

3 苏州柯纳特工业技术有限公司 苏州 215134

摘 要：针对一起欧式钢丝绳电动葫芦制动下滑量超标的问题，分析了引起制动下滑量超标的原因，给出了解决方案。并从机械、电气和控制等方面分析了缩短制动时间、减小制动下滑的方法，着重分析了整流器和制动器响应延时给制动减速时间和制动下滑量带来的影响。

关键词：欧式电动葫芦；溜钩；制动下滑；电磁制动器

中图分类号：TH211+.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）18-0077-04

Y 系列圆柱电机和电磁制动器组合而成的电磁制动电机是欧式电动葫芦的标准配置，随着电机极数和转速的不断创新，例如2 极/12 极双速电机的应用，电磁制动器经常不能与电机较好的匹配，造成电动葫芦在高、低速转换，突然制动等情况下，制动器不能保证标准要求的制动下滑量，造成溜钩。

1 存在的问题

在对一台20 t 欧式钢丝绳电动葫芦进行动载试验时，由于电气接线人员对欧式电动葫芦性能及电气控制不够熟悉，从而造成电动葫芦从低速转入高速运行、从高速转入低速运行、从高速运行过程中突然停车、以及运行过程中突然断电等操作中会出现溜钩。

该电动葫芦的配置为： 电动机型号LYP365.1/YHC160L1 － 12/2/B150，电动机为双速国产电动机，极数为2 极/12 极，功率为2.0/12.5 kW，转速分别为430/2 855 r/min，起升减速比216.6；制动器为进口直流电磁圆盘式制动器，动态制动扭矩150 N·m，静态制动扭矩225 N·m，制动器电压AC220V 转DC205V，配PMB 全波整流器，直流侧开关。

2 原因分析

针对上述故障，由于是新样机，技术人员根据经验，首先判定是电气控制问题，且锁定在电磁制动器的控制上。参照电动机说明书和电磁制动器说明书，现场对制动器和电控进行排查，发现电磁制动器整流模块的5 和6 端子之间的端接片未拆除，整流模块的5 和6 端子未按照图纸接到电气控制箱的153 和151 端子。

1）未将整流模块的5 和6 端子接入电气控制箱，不能通过电气控制控制电磁制动器的直流侧开关，不能实现制动器的快速制动。

2）制动器交流电源直接与电机接线柱连接，在不受直流侧开关控制的情况下，只受交流侧开关控制。电动葫芦无论在高速、低速、上升、下降、停止的各个状态，电磁制动器与电动机同时得电、同时失电。在没有直流侧开关控制实现快速制动的情况下，会出现在低速切换至高速的过程中，电磁制动器瞬间上闸，若此时制动器打开时间早于电动机得电时间，则造成高速电动机不能及时得电。相当于重物吊起后，制动器打开，而电动机未运转，产生的扭矩为零，导致电动机随重物作用反向旋转，从而造成溜钩。

3）在没有直流侧开关实现快速制动的情况下，当突然停止时，由于重力势能和惯性的作用，电动机并未能立即停止，电动机产生发电状态，制动器继续得电，不能立即制动，故产生溜钩。

4）在起升时，由于制动器与电动机同时得电，电动机尚未建立足够的向上转矩，制动器已开闸造成溜钩。

3 问题的解决

将电气原理图按照图1 和图2 进行改进，且满足：交流接触器KM13 通电延时整定时间为1.7 ～ 2 s，交流接触器KM15 断电延时整定时间为0.5 ～ 0.7 s。按图1 和图2 所示电气原理图接线，将电磁制动器的5 和6 端子连接电气控制箱的153 和151 接线端子。

图1 控制原理图

图2 接线原理图

4 缩短制动时间的方法研究

4.1 制动时间分析

电磁制动器的制动总时间是机械和电气综合影响的结果，制动总时间一般与控制方式、整流模块的响应时间、制动上闸时间以及制动力矩大小等因素有关。制动过程总时间可表示为

式中：tz 为制动过程总时间，指从制动器驱动装置断电开始至制动轴转速为零的时间；t1 为响应时间，指从制动器驱动装置断电开始至制动器开始动作的时间；t2 为制动器闭合动作时间，指制动器闭合动作开始至制动衬垫开始接触制动偶件并建立制动力矩的时间；t3 为制动减速时间，指制动器实施实际制动的时间。制动器制动弹簧的回弹速度为

式中：A、ψ 为与弹簧参数及位置有关的随机变量；ω 为弹性模量；

式中：J 为转动系统及负载的转动惯量，n 为制动偶件的制动初转速，Md 为动态制动力矩，Mz 为转动系统的阻力矩。

综上所述，制动器响应时间t1 取决于制动器控制方式以及电控系统和整流模块的响应时间；制动器闭合时间t2 取决于制动弹簧和释放行程，主要为弹簧的参数、压缩量、释放行程等；制动减速时间t3 主要取决于制动力矩。

4.2 缩短制动时间的方法

1）由直流电源直接供电，电磁制动器和电动机独立供电；

2）由电控箱将交流电转换成直流电给电磁制动器供电；

3）由交流电源供电，由整流模块转换为直流电给制动器供电。通常情况下，制动器连接交流侧开关，与电动机同时得电、同时失电，通过电动机开关控制，交流侧开关控制如图3 所示；为了实现快速制动，一般采用直流侧开关，直流侧开关控制直接有电控控制，与电动机之间独立控制，可以实现与电动机之间的时序控制，直流侧开关的吸合时间比交流侧吸合时间快约6 ～ 10倍。直流侧开关如图4 所示。

整理模块一般分为半波整流器、全波整流器和过励磁整流器，如需更快的响应时间，可选用过励磁整流器，过励磁整流器与标准半波整流器相比，释放时间要比正常的半波整流器要短50%，且制动器的耐磨损能力增加一倍，寿命延长；与标准全波争流器相比，制动时间缩短约30%, 发热量小，能耗降低约25%。

图3 交流侧开关

图4 直流侧开关

4.3 缩短闭合时间的方法

制动闭合时间与制动器间隙大小及弹簧力度有关，间隙大弹簧工作长度增加，制动力度减小，制动闭合时间长。间隙小弹簧工作长度减小，制动力度增加，制动闭合时间短，刹车效果好。间隙过小则易造成制动吸合后制动件与摩擦面互相摩擦、制动部分发热、摩擦片过度磨损和摩擦系数热衰减、制动力下降，延长制动减速时间。根据经验，一般间隙0.5 mm 左右比较合适。

4.4 缩短制动减速时间的方法

4.4.1 增大制动力矩

由式（3）可知，在其他条件不变的情况下，增大制动力矩可缩短制动减速时间，即有

式中：Me 为额定制动力矩，动态制动力矩一般为额定制动力矩的90% 左右；m 为弹簧个数；N 为摩擦副的个数；μ 为摩擦系数；R 为制动盘有效摩擦半径；P 为弹簧正压力；K 为弹簧弹性系数；Δ L 为弹簧压缩量。

增加制动力矩，减小制动时间，可增加弹簧的个数、增加弹簧的弹力、增大摩擦系数、增加摩擦副个数和增大摩擦盘有效摩擦半径等方法。

4.4.2 减少制动器拖磨

电动机启动时制动器开闸晚于电动机运转，制动器将造成拖磨，使得摩擦盘磨损变薄，制动力矩减小，延长了制动减速时间。减少制动器拖磨的方法有：

1）缩短整流模块的响应速度，提高制动器的开闸速度，避免制动器启动晚于电机运转，电机拖着制动器转动。选用整流速度快的整流模块，如过励磁整流器。

2）增大制动器电磁吸力，增大开闸速度。增大制动器电磁线圈的线径，减小制动器的工作气隙等。

3）优化控制方式，实现快速制动。采用独立开关控制，采用直流侧开关单独控制制动器的开闭。

4）制动器时序控制，控制好制动器和电动机启停的时间。通过时间继电器等控制逻辑，控制制动器和电动机的启动顺序和时间差。

5）增大制动力矩，减小制动减速时间，从而减少制动器拖磨时间。

5 制动下滑量研究

制动器的制动下滑量主要分为制动器断电到制动器上闸这一段时间（响应时间t1+ 闭合时间t2）的加速下滑量S1，和制动减速阶段的下滑量S2。

5.1 制动下滑时间

假设制动器断电到制动器上闸的这一段时间为△ t，由式（3）可知此时制动减速时间为

由于制动器上闸延时△ t 而引起的制动减速时间会大幅增加，则增加量

本文双速电机高速2 855 r/min，低速430 r/min，起升减速器速比i ＝ 216.6，取g ＝ 9.8 kg/m2，式（8）得0.74 △ t 和4.9 △ t，也就是说制动减速时间增加了0.74 △ t 倍和4.9 △ t 倍，如果延时时间△ t ＝ 1 s，则制动减速时间可以增加约5 倍。

5.2 制动下滑距离

制动下滑距离可表示为

式中：v0 为电机断电时重物的下降速度。D 为卷筒名义直径，m 为倍率，vmax 为制动减速的初速度。从上述公式可以看出，制动延时将造成很大的制动下滑距离。

6 结论

1）电磁制动器制动下滑主要原因是制动器的制动力矩、整流器的响应时间、制动器闭合动作时间、制动器和电机的时序控制等的综合因素。2）电气上缩短制动器制动时间，可以采用响应快的整流器，如过励磁整理器，可以采用直流电源直接供电，或电控箱交流转直流后给制动器供电。3）控制上缩短制动器制动时间，可以采用直流侧开关，可以由电控箱单独对制动器时序控制。

4）机械上缩短制动时间，可以增大制动器线圈的电磁力，增大制动力，减小制动器工作气隙。5）制动器上闸延时对制动器的制动减速时间和制动下滑量影响巨大。

参考文献

[1] 魏玉梅. 应用S7-300PLCSIMATIC 软件解决德马格电动葫芦溜钩等故障[J]. 有色设备，2016(6)：42-46.

[2] 陈金刚，申洪彬. 三相异步电动机用直流圆盘式电磁制动器[J]. 现代驱动与控制，2017(2)：24-26.

[3] JB/T64062006 电力液压鼓式制动器[S].

[4] GB/T 3811 － 2008 起重机设计规范[S].

[5] JB/T9008.12014 钢丝绳电动葫芦 第1 部分: 型式与基本参数、技术条件[S].

[6] Q/WH J34032016 ND 型钢丝绳电动葫芦[S].

[7] Q/NC J34032016 ND 型钢丝绳电动葫芦[S].