新型冗余安全制動系統的研發與應用

張 磊，高大明，黎東輝，陳 剛，張 鈺

（水利部產品質量標準研究所，浙江杭州 310012）

1 立項背景

水電站起重機在水利工程項目上擔負著極為重要的作用。起升機構是起重機最重要的部件，特別是水電站起重機，一旦起升機構失效，將會造成不可估量的事故。為保證水電站起重機的安全性和可靠性，起升機構具備一套安全可靠制動系統是必要的。

通常為保證水電站起重機起升機構的安全性，除常規設置在高速軸的常閉式支持制動器外，還會在卷筒端設置一套常閉式安全制動器[1]。這樣一旦起升機構在吊運過程中失電或工作制動器制動失效，設置在卷筒端的安全制動器就會立刻失電抱死卷筒，起到緊急制動作用，防止起吊物墜落。目前卷筒端部使用的安全制動器為摩擦型液壓盤式制動器。其工作原理為：液壓盤式安全制動器由碟形彈簧產生制動力，靠液壓站提供的油壓松閘。當壓力油進入油缸左側時，在壓力油的作用下推動活塞移動而壓縮碟形彈簧，并帶動兩邊制動臂向兩邊移動，閘瓦離開制動盤，制動閘成敞開狀態。當油缸內的油壓降低時，碟形彈簧復位，其在松閘狀態下的壓縮變形，推動活塞移動。同時帶動制動臂移動，使閘瓦壓向制動盤實現抱閘，形成制動狀態。

雖然液壓盤式安全制動器的使用增加了起升機構的整體安全性，但這種形式的安全制動器工作原理還是存在一定的弊端。

（1）由于其是作用在卷筒端，制動力矩較大，通常卷筒端部設置的制動盤尺寸也相對較大，而且還需配套提供一套液壓泵站作為松閘驅動。整套起升機構的體積會增加，從而會增加起升小車和門、橋架的制作成本，整機物料成本會增加。

（2）液壓盤式安全制動器其制動原理是摩擦襯墊依靠彈簧彈力夾緊卷筒端制動盤，依靠襯墊與制動盤間的摩擦力制動。由于制動力矩非常大，而且是在重物下落，卷筒快速轉動的情況下緊急快速制動。制動的瞬時沖擊荷載是非常大的，極易造成起升機構的損壞或制動失效。

（3）平時維保不到位，制動盤表面沾有油污，極易造成緊急時刻制動失效。

（4）一般卷筒聯軸器和卷筒使用的軸承都具備調心作用，而且一般卷筒聯軸器還有一定的徑向竄動補償；起升機構吊載時，構件也會有一定的彈性變形；為保證制動器具備一定的夾緊力，通常要求制動瓦退距只有1～3 mm，卷筒端部制動盤尺寸又相對較大。多重因素綜合下來，通常會出現吊裝過程中制動盤左右不規則磨擦制動襯瓦的情況，詳情如圖1所示。

圖1 液壓盤式安全制動器

（5）一旦制動器松閘傳感器故障，制動器未松閘，起升機構會在安全制動器制動的情況下運行，極易造成設備損壞甚至造成嚴重的事故。設備未斷電的情況下，工作制動器未起作用的話，通常需人為斷電，這對操作人員反應速度要求較高。設備未實現本質安全設計。

（6）安全制動器液壓泵站液壓元器件較多，需定期維護更換，不然極易造成液壓元器件漏油失壓情況。關鍵時刻水電站起重機如果發生這種情況，后果將會很嚴重。

（7）通常在安裝調試安全制動器時，調試人員通常只根據調試說明書調整好安全制動器的退距間隙?？紤]其工況是非常規工況，而且制動瞬時沖擊荷載較大，對設備零部件具有一定破壞性，工況危險性較高，通常不去做額定荷載動作試驗。這樣安裝調試的安全制動器可靠性是不能保證的。因此，設計研發一套新型冗余安全制動系統非常有必要。

2 技術方案

2.1 研究內容

新型冗余安全制動系統需解決的技術難點有以下4點。

（1）新型安全制動器實現冗余設計，在失電、減速器內部齒輪或軸斷裂、傳感器失效和電氣系統故障的情況下，都能實現安全制動。

（2）安全制動器能實現柔性制動，降低制動瞬時沖擊荷載，降低制動沖擊荷載對設備的破壞。

（3）安全制動器安裝尺寸需可調節，與運動結構能保持一定的尺寸裕度，能有效避免運行磨損和干涉。

（4）有復位保護功能，安全制動器只有在制動復位后，起升機構才可重新工作。

2.2 技術方案實施

考慮安全制動器的實際功能，新型安全制動器系統制動模塊布置在低速軸卷筒端部，安全性和可靠性更佳。整套安全制動系統需考慮冗余設計，在某些電氣傳感器失效的特殊情況下，也能有備用機制觸發安全制動器實現制動保護功能?？紤]用機械結合電氣的雙重或多重觸發機制觸發安全制動器。采用棘輪制動，機械結構上直接鎖死，制動形式可靠。整套制動系統需實現柔性制動，盡量降低制動瞬時沖擊荷載，以避免損壞設備，考慮機械結構中使用彈簧結合摩擦副的形式來實現柔性制動。由于是機械結合電氣的觸發機制，結構較為復雜，所以安裝調試需做到尺寸可調。

最終設計的新型冗余安全制動系統[2]原理如圖2所示。該制動系統主要由棘輪、制動摩擦副、三頭螺紋副、彈性制動棘爪、就位信號感應開關Ⅰ、就位信號感應開關Ⅱ、電磁吸合裝置、離心滾輪和配重、弧形導軌、低速軸端超速開關、高速軸端超速開關、彈簧式離心力調節桿等部件組成。

圖2 新型冗余安全制動系統設計

新型冗余安全制動系統的制動原理為：弧形導軌與低速軸卷筒端部固接，棘輪與弧形導軌間用三頭螺紋副連接，且棘輪與弧形導軌的端部接觸面間裝有摩擦副，這些組成基本制動模塊。棘輪被棘爪抱死后，隨著卷筒繼續轉動，棘輪弧形導軌間的三頭螺紋副開始收緊，棘輪與弧形導軌摩擦副壓力會越來越大，隨之摩擦阻力會越來越大，直至卷筒無法繼續旋轉，達到柔性制動目的。

新型冗余安全制動系統的機械觸發機制為：當負載以穩定速度起升或下降時，離心滾輪在彈簧式離心力調節桿的拉力作用下沿著弧形導軌周期性擺動。彈簧式離心力調節桿的拉力作用使棘爪的擺動幅度不足以與棘齒嚙合。一旦起升機構工作制動失效，吊物高速下降，卷筒轉速增加，那離心滾輪在弧形導軌上的滾動速度將會增加，離心力加大，離心滾輪擺動的角度也會加大，當角度大到一定程度時，離心滾輪另一端的棘爪就會掛住棘輪，實現制動目的。

新型冗余安全制動系統的電氣觸發機制為：當設置在高速軸的超速開關或低速軸的超速開關一旦超速，電磁吸合裝置將會立刻通電吸合離心滾輪，棘爪隨之掛住棘輪完成制動。在棘爪掛住棘輪的同時，設置在棘爪端部的感應開關會反饋一個信號，整套設備會立馬斷電。這里棘爪內部設置有緩沖彈簧，在掛住棘輪的同時，也起到柔性制動目的，降低制動瞬時沖擊荷載。

新型冗余安全制動系統通過調節離心滾輪的重量、彈簧式離心力調節桿的拉力值和制動棘爪的長度，可實現離心力大小和變化角度的調節，以調節制動觸發速度。該套安全制動器的復位也較為便捷，在設備恢復正常后，起升機構提起吊物，棘爪便在彈簧式離心力調節桿的拉力作用下完成復位。新型冗余安全制動系統是機械結合電氣多重觸發機制冗余安全制動系統。相較于傳統的液壓盤式摩擦型制動器，其制動形式為棘輪棘爪結合摩擦副制動。實現柔性制動的同時，制動也更加徹底，安全性和可靠性更高。調試時可通過調整起升電機轉速，控制卷筒超速運轉來完成整套制動系統的調試，調試更加安全可靠，卷筒空運轉即可超速觸發，功能檢測更加安全。新型冗余安全制動系統有復位保護功能，一旦棘爪掛住了棘輪，棘爪上的就位信號感應開關Ⅱ就會反饋一個信號，此時卷筒只能起升，不能下降，安全制動器只有在制動復位后，起升機構才可重新工作。這種設計既防止了制動后操作人員誤操作，造成設備受拉損毀，又方便安全制動系統制動復位。

3 技術創新點

新型冗余安全制動系統的創新點有以下幾點。

（1）該套安全制動系統是機械結合電氣多重觸發機制冗余安全制動系統，設備安全性和可靠性[3]更高。

（2）結構上采用棘輪棘爪、三頭螺紋副、摩擦副、彈簧等合理結構設計。制動時，制動摩擦阻力會隨著卷筒旋轉而增大，最終達到柔性制動目的。

（3）結構更加緊湊，不會增加起升機構的布置尺寸，成本也更加低廉。

（4）通過調節離心滾輪的重量、彈簧式離心力調節桿的拉力值和彈性制動棘爪的長度，可實現離心力大小和變化角度的調節，以調節制動觸發速度。

4 結束語

水電站起重機在水利水電工程上承擔著重要的作用，一旦水電站起重機失效，將會造成不可估量的事故。新型冗余安全制動系統機械結合電氣多重觸發機制，較為巧妙的柔性制動結構設計和可調試結構設計有效解決了液壓盤式安全制動器存在的安裝尺寸大、物料成本和維護成本高、制動瞬間沖擊荷載大、制動系統可靠性不足等弊端，增加了水電站起重機的安全性和可靠性。