制動電機動態制動力矩的試驗研究

蘇文勝，　王欣仁，　百堅毅

(1. 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 無錫分院，江蘇 無錫　214174；2. 國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心，江蘇 無錫　214174)

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制動電機動態制動力矩的試驗研究

蘇文勝1,2，王欣仁1,2，百堅毅1,2

(1. 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 無錫分院，江蘇 無錫214174；2. 國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心，江蘇 無錫214174)

介紹了基于減速度法的制動電機動態制動力矩測試原理，并據此設計相應的動態制動力矩測試系統，包括試驗臺的整體結構設計和軟件設計。在此基礎上，利用國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心為制動電機制造企業提供型式試驗的便利條件，對部分制動電機的樣品進行動態制動力矩測試研究，得出一些重要的結論，為相關技術人員提供參考。

制動電機； 動態制動力矩； 減速度法； 試驗研究

0　引　言

制動電機是帶有制動功能的電動機。最初，作為葫蘆式起重機各不同機構的重要部分驅動裝置(電動機)和制動裝置(制動器)，多為獨立存在，之間通過聯軸器連接。為了使結構變得更加緊湊、輕巧，起重機領域最先進行了革命性的創新改造，將驅動裝置與制動裝置組裝為一整體，就成了制動電機。由于制動電機具有集驅動與制動于一體的特點，所以可以應用于要求緊急制動、準確定位的各類機械設備上。目前應用場合也從原來的起重行業發展到紡織、機床、建筑、印染和食品等機械行業。近年來，隨著我國經濟的迅猛發展，制動電機正在逐漸被人們認識并得到廣泛采用[1]。

隨著設備輕量化的設計和對產品空間的節省需求，電磁盤式制動器越來越多地運用于驅動裝置的制動上。電動機與電磁盤式制動器的結合，使得制動電機種類增多，因此制動電機的產品質量和安全性能也越來越受到相關質檢部門的重視。國家質檢總局于2008年發布TSG Q7014—2008《起重機械安全保護裝置型式試驗細則》，明確規定了起重機械制動電機等安全保護裝置需要進行型式試驗，制動電機制造企業只有獲得國家指定型式試驗機構出具的型式試驗合格證方能進行制動電機的生產制造[2]。

目前，電動機試驗臺和制動器試驗臺國內外一些企業和檢驗機構都已經存在，國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心也具有相應的工業制動器試驗臺和電動機試驗臺。TSG Q7014—2008中規定制動器需進行動態制動力矩和靜態制動力矩的測試，而對制動電機沒有明確指出需進行動態制動力矩的測試，因此國內外試驗系統基本沒有對制動電機動態制動性能進行測試的能力。但是，對于制動電機而言，動態制動力矩試驗更能反映制動電機在動載荷狀態下的制動性能，所以動態制動力矩和制動時間已作為制動電機工作性能好壞的重要指標。本文研制了制動電機動態制動力矩測試裝置，并進行了制動電機動態制動力矩試驗研究，進行了一些初步探討。

1　制動電機動態制動力矩測試國內外概況

目前，國內絕大部分制動電機生產企業都沒有動態制動力矩測試裝置，僅用標準推薦的砝碼法或力矩扳手測試靜態制動力矩的大小，沒有制動電機動態制動力矩的測試能力。這些企業沒有意識到制動電機動態力矩測試的重要性，另外試驗臺還必須配備慣量盤、轉矩轉速傳感器，并編寫相應的試驗軟件，企業不愿意投入人力和物力去開發制動電機動態制動力矩試驗臺。目前僅有個別外資企業，會將電動機和電磁盤式制動器分離開，專門對制動器的動態制動力矩進行測試，而非制動電機整體測試，存在一定的局限性。

2　制動電機動態制動力矩測試原理

目前，常用的力矩測量方法主要有兩種： 直接測量法和間接測量法[3]。直接測量法是通過在試驗系統的驅動裝置和慣量盤中間設置相應的轉矩轉速傳感器，不需要配置其他設備，直接從轉矩轉速傳感器讀取制動力矩值。該方法試驗結果直觀，測試方便。但采用轉矩轉速傳感器直接測量動態制動力矩時，根據額定制動力矩的大小，需要配備多個轉矩轉速傳感器，不僅需要大量資金的投入，而且每次更換力矩傳感器也非常麻煩。如果只采用一個大量程的轉矩轉速傳感器，在小制動力矩的情況下測量精度得不到保證。間接測量法是通過測量與力矩有關的其他易測得的參數，如電機轉速、旋轉角度、電機軸旋轉角速度、總制動時間等，然后經過公式推導，計算得到制動電機的動態制動力矩。該計算方法所用參數的測量范圍大、精度高，往往可以得到更加可靠的測試結果[4]。

考慮試驗精度和測試裝置性價比，本文采用間接測量法對動態制動力矩進行測量。通過測量制動過程中速度的變化(減速度)及制動時間，根據公式計算得到制動電機動態制動力矩的大小。其測量過程如下： 首先將被測制動電機安裝到動態制動力矩測試臺上，根據制動電機額定制動力矩計算出所需的單次制動功和模擬轉動慣量的大小，配置好慣量盤；變頻起動制動電機，通過電機軸帶動慣量盤一起旋轉；當轉速到達設定的初速度時，系統自動切斷制動電機驅動電源，同時制動器失電制動，電機軸減速，一定制動時間后制動電機停止旋轉。整個制動過程中，光電編碼器對轉速信號進行采集，由計算機對信號進行處理，就可以得到動態制動力矩的大小。

3　制動電機動態制動力矩測試系統的設計

3.1試驗系統整體結構設計

參考電力液壓鼓式和盤式制動器相關標準[5]，確定制動電機動態制動力矩測試時所配轉動慣量的大小，具體公式推導如下。

(1) 計算許用單次制動功。

(1)

式中：W——被測制動電機許用單次制動功，J；

Md——額定制動力矩，N·m；

θ——角位移，rad；

n0——測試時設定的初轉速，一般取電機額定轉速，r/min。

(2) 計算所需模擬轉動慣量。

根據旋轉物體的動能定理有：

(2)

從而可得

(3)

式中： ∑J——測試模擬轉動慣量，kg·m2，實際配置轉動慣量時可在計算所需轉動慣量±20%內浮動；

ω——電機軸旋轉角速度，rad/s。

為合理配置慣量和方便慣量盤拆卸，系統采用等慣量多組合配置方式和同軸不拆卸加減慣量盤的方法。每個慣量盤的慣量大小相等，根據試驗的需要配置不同數量的慣量盤。試驗時將所需的慣量盤固定在與軸一起旋轉的慣量盤傳動端蓋上，不需要的慣量盤停靠在與軸承支座固定的慣量盤停放端蓋上。試驗系統的整體結構如圖1所示。

圖1　制動電機動態制動力矩測試裝置

由于對制動時間和旋轉角度要求的精度很高，制動電機與試驗臺的連接采用膜片聯軸器加螺栓的硬聯結，而非電機試驗中常用的穿繩方法的軟聯結。這樣可以避免因制動電機制動過程中聯結處的緩沖而影響試驗結果，但是要求較高的安裝精度。試驗前根據制動電機的規格和參數，計算單次許用制動功和模擬轉動慣量值，按慣量值選取適當片數的慣量盤，將所需的慣量盤固定在與軸一起轉動的傳動端蓋上，剩下的慣量盤則放置在與軸承支座固定的停放端蓋上。光電編碼器采集轉速信號并供計算機進行處理。

3.2試驗系統軟件設計

制動電機動態制動力矩大小的試驗軟件計算過程如下。

(1) 基于減速度法測量分段動態制動力矩。

根據動量矩定理：

(4)

式中：Mds——實測動態制動力矩，N·m；

ts——有效制動時間，s。

整個試驗過程中光電編碼器實時監測轉速信號，并由計算機等時間間隔不斷采集，轉速n0,n1,n2,…,ni-1,ni,i∈{1,2,…，n}與其對應的測量時間為t0,t1,t2,…,ti-1,ti,i∈{1,2,…,n}，則各時間段的平均制動力矩為

(5)

試驗過程中，計算機記錄下所采集的數據，通過公式計算出試驗結果，自動生成相關坐標點，并繪制出相應的曲線。

(2) 計算單次平均動態制動力矩。試驗系統根據動態制動力矩變化曲線，確定有效制動時間ts，根據式(6)計算單次制動過程的平均制動力矩：

(6)

式中：Meds——實測單次平均動態制動力矩，N·m。

利用西門子公司S7 200系列PLC開發了動態制動力矩測試系統軟件，利用亞控公司的組態王軟件編寫了該系統的人機界面。該測試系統穩定可靠，人機界面簡單明了，便于試驗人員操作和維護。

4　制動電機動態制動力矩測試實例

實例一： 對某企業的DRE180S4BE20型電磁制動三相異步電動機進行測試。電機參數如下： 功率11kW，轉速1470r/min，制動器額定制動力矩150N·m，電機安裝如圖2所示。試驗參數設置界面如圖3所示，試驗結果如圖4所示。

圖2　制動電機試驗安裝圖

圖3　試驗軟件參數設置頁面

圖4　電磁制動電機動態力矩測試結果

先后共測試6次，動態力矩值分別為170.14、159.79、170.14、165.54、167.81、172.54N·m，平均值為167.66N·m。通過力矩杠桿法測試的靜態制動力矩值為185.62N·m，制動電機動態制動力矩為靜態制動力矩值的0.903倍，與國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心之前測試的電力液壓鼓式制動器動態和靜態制動力矩比值相似。

實例二： 對某企業的ZDY32—4型4.5kW錐形轉子電動機進行測試。電機參數如下： 功率4.5kW，轉速1380r/min，制動器額定制動力矩63N·m。所需總慣量∑J=0.43482kg·m2，nT≈0.85，取nT=1。即試驗系統的總慣量為0.45618kg·m2，慣量配置誤差也是非常小的。在額定轉速下先后共測試6次，動態力矩值分別為67.13、64.64、65.45、69.81、71.73、68.56N·m，平均值為67.88N·m。通過力矩杠桿法測試的靜態制動力矩值為74.43N·m，這里制動電機動態制動力矩為靜態制動力矩值的0.912倍。

實例三： 對某企業的YZE132L-4型電磁制動三相異步電動機進行測試。電機參數如下： 功率15kW，轉速1400r/min，制動器額定制動力矩180N·m。分別在電機初轉速為750、1000、1200、1400、1500r/min時的5組值下進行測試，每種初轉速下測試3次，取動態制動力矩平均值，測試參數和結果如表1所示。

表1　動態制動力矩測試結果

由實例一和實例二可知，本裝置可以滿足電磁制動三相異步電動機和錐形轉子電動機等所有類型的制動電機動態制動力矩的測試需求。試驗裝置可以靈活方便地加減慣量盤，并且系統總慣量與試驗所需要的總慣量相比遠遠小于標準所規定的±20%的要求。將動態制動力矩的結果與杠桿法所測試的靜態制動力矩相比，比值都約等于0.9，說明此系統具有較高的測試精度。

由表1可知，隨著試驗轉速的升高，所配慣量盤數減少，總轉動慣量減少，這符合單次制動能量保持不變的條件。但動態制動力矩值越來越小，有效制動時間越來越長。就這臺電機而言，額定轉速為1400r/min，如果電機發生超速使用的情況，則動態制動力矩的減小和制動時間(制動距離)的延長會產生一定的使用風險，更易造成事故的發生。另外，根據參考文獻[5]中式(4)來驗證動態力矩試驗結果，發現驗證結果(表1中第6列值)與實測動態制動力矩值(表1中第4列值)符合性非常好，說明了該試驗系統測試結果的可靠性。

5　結　語

通過對制動電機動態制動力矩測試裝置的研發，以及對制動電機動態制動力矩測試結果的分析，得出如下結論：

(1) 該試驗系統運用減速度法間接測量制動電機的動態制動力矩，采用等慣量多組合配置方式和同軸不拆卸加減慣量盤的方法，大大提高了測試精度，減少了加減慣量盤的勞動強度。

(2) 該系統可為制動電機制造企業提供試驗結果，指導企業完成制動器的選型，為新型制動電機的研制提供技術支持，還可為政府管理部門提供責任事故判定依據。

(3) 制動電機動態制動力矩通常與制動溫度、比壓和相對制動速度等影響因素有關，任何條件的改變都可能影響到最終的動態制動力矩大小，特別是摩擦材料對動態制動性能影響巨大，需要加大對摩擦材料的試驗研究投入。

(4) 制動電機通常用于減速制動，需要考慮制動減速度和制動距離的大小，如果能給出動態力矩的額定值，就可作為起重機設計人員選擇合適制動電機的計算依據。

(5) 制動電機生產企業應該提供制動電機動態制動力矩的大小，僅提供靜態制動力矩值是不夠的。為了提高制動電機的本質安全，建議制動電機監管部門和標準制修訂單位將動態制動力矩值納入到制動電機性能評價體系中來。

(6) 本文只給出了部分制動電機的試驗結果，作為拋磚引玉之用，以引起更多相關人員的重視，其普遍通用性結論還需要更多的試驗進行驗證。

[1]唐古琦.制動電機綜述[J].電機技術,1993(2)： 21-26.

[2]起重機械安全保護裝置型式試驗細則： TSG Q7014—2008[S].

[3]王全偉,文豪,郭遐.起重機械制動器慣性試驗系統及制動力矩測試方法[J].起重運輸機械,2008(8)： 90-93.

[4]盧澤暉,胡吉全.起重機制動器試驗系統開發與研究[D].武漢： 武漢理工大學,2011.

[5]電力液壓盤式制動器： JB/T 7020—2006[S].

Experimental Study on Dynamic Braking Torque of Brake Motor

SUWensheng1,2，WANGXinren1,2，BAIJianyi1,2

(1. Branch of Wuxi, Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute，Wuxi 214174， China;2. National Center of Supervision and Inspection on Product Quality of Overhead Gantry Machinery, Wuxi 214174, China)

The dynamic braking torque test principle of brake motor based on deceleration method was described. According to this principle, a dynamic braking torque test system was developed, including the overall structural and software design. On this basis, using the facilities of NCSIC (National Center of Supervision and Inspection on Product Quality of Overhead Gantry Machinery) providing type test for brake motor manufactures, dynamic braking torque test on several brake motors was researched and many important conclusions were drawn, which provided reference for relevant technical staff.

brake motor; dynamic braking torque; deceleration method; experimental study

蘇文勝(1980—)，男，博士研究生，高級工程師，研究方向為機械設備故障診斷及特種設備檢驗檢測。

王欣仁(1985—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為特種設備檢驗檢測。

TM 306

A

1673-6540(2016)09- 0074- 05

2016-05-23

百堅毅(1961—)，男，研究員級高級工程師，研究方向為特種設備檢驗檢測。