新型冗余安全制动系统的研发与应用

张 磊，高大明，黎东辉，陈 刚，张 钰

（水利部产品质量标准研究所，浙江杭州 310012）

1 立项背景

水电站起重机在水利工程项目上担负着极为重要的作用。起升机构是起重机最重要的部件，特别是水电站起重机，一旦起升机构失效，将会造成不可估量的事故。为保证水电站起重机的安全性和可靠性，起升机构具备一套安全可靠制动系统是必要的。

通常为保证水电站起重机起升机构的安全性，除常规设置在高速轴的常闭式支持制动器外，还会在卷筒端设置一套常闭式安全制动器[1]。这样一旦起升机构在吊运过程中失电或工作制动器制动失效，设置在卷筒端的安全制动器就会立刻失电抱死卷筒，起到紧急制动作用，防止起吊物坠落。目前卷筒端部使用的安全制动器为摩擦型液压盘式制动器。其工作原理为：液压盘式安全制动器由碟形弹簧产生制动力，靠液压站提供的油压松闸。当压力油进入油缸左侧时，在压力油的作用下推动活塞移动而压缩碟形弹簧，并带动两边制动臂向两边移动，闸瓦离开制动盘，制动闸成敞开状态。当油缸内的油压降低时，碟形弹簧复位，其在松闸状态下的压缩变形，推动活塞移动。同时带动制动臂移动，使闸瓦压向制动盘实现抱闸，形成制动状态。

虽然液压盘式安全制动器的使用增加了起升机构的整体安全性，但这种形式的安全制动器工作原理还是存在一定的弊端。

（1）由于其是作用在卷筒端，制动力矩较大，通常卷筒端部设置的制动盘尺寸也相对较大，而且还需配套提供一套液压泵站作为松闸驱动。整套起升机构的体积会增加，从而会增加起升小车和门、桥架的制作成本，整机物料成本会增加。

（2）液压盘式安全制动器其制动原理是摩擦衬垫依靠弹簧弹力夹紧卷筒端制动盘，依靠衬垫与制动盘间的摩擦力制动。由于制动力矩非常大，而且是在重物下落，卷筒快速转动的情况下紧急快速制动。制动的瞬时冲击荷载是非常大的，极易造成起升机构的损坏或制动失效。

（3）平时维保不到位，制动盘表面沾有油污，极易造成紧急时刻制动失效。

（4）一般卷筒联轴器和卷筒使用的轴承都具备调心作用，而且一般卷筒联轴器还有一定的径向窜动补偿；起升机构吊载时，构件也会有一定的弹性变形；为保证制动器具备一定的夹紧力，通常要求制动瓦退距只有1～3 mm，卷筒端部制动盘尺寸又相对较大。多重因素综合下来，通常会出现吊装过程中制动盘左右不规则磨擦制动衬瓦的情况，详情如图1所示。

图1 液压盘式安全制动器

（5）一旦制动器松闸传感器故障，制动器未松闸，起升机构会在安全制动器制动的情况下运行，极易造成设备损坏甚至造成严重的事故。设备未断电的情况下，工作制动器未起作用的话，通常需人为断电，这对操作人员反应速度要求较高。设备未实现本质安全设计。

（6）安全制动器液压泵站液压元器件较多，需定期维护更换，不然极易造成液压元器件漏油失压情况。关键时刻水电站起重机如果发生这种情况，后果将会很严重。

（7）通常在安装调试安全制动器时，调试人员通常只根据调试说明书调整好安全制动器的退距间隙。考虑其工况是非常规工况，而且制动瞬时冲击荷载较大，对设备零部件具有一定破坏性，工况危险性较高，通常不去做额定荷载动作试验。这样安装调试的安全制动器可靠性是不能保证的。因此，设计研发一套新型冗余安全制动系统非常有必要。

2 技术方案

2.1 研究内容

新型冗余安全制动系统需解决的技术难点有以下4点。

（1）新型安全制动器实现冗余设计，在失电、减速器内部齿轮或轴断裂、传感器失效和电气系统故障的情况下，都能实现安全制动。

（2）安全制动器能实现柔性制动，降低制动瞬时冲击荷载，降低制动冲击荷载对设备的破坏。

（3）安全制动器安装尺寸需可调节，与运动结构能保持一定的尺寸裕度，能有效避免运行磨损和干涉。

（4）有复位保护功能，安全制动器只有在制动复位后，起升机构才可重新工作。

2.2 技术方案实施

考虑安全制动器的实际功能，新型安全制动器系统制动模块布置在低速轴卷筒端部，安全性和可靠性更佳。整套安全制动系统需考虑冗余设计，在某些电气传感器失效的特殊情况下，也能有备用机制触发安全制动器实现制动保护功能。考虑用机械结合电气的双重或多重触发机制触发安全制动器。采用棘轮制动，机械结构上直接锁死，制动形式可靠。整套制动系统需实现柔性制动，尽量降低制动瞬时冲击荷载，以避免损坏设备，考虑机械结构中使用弹簧结合摩擦副的形式来实现柔性制动。由于是机械结合电气的触发机制，结构较为复杂，所以安装调试需做到尺寸可调。

最终设计的新型冗余安全制动系统[2]原理如图2所示。该制动系统主要由棘轮、制动摩擦副、三头螺纹副、弹性制动棘爪、就位信号感应开关Ⅰ、就位信号感应开关Ⅱ、电磁吸合装置、离心滚轮和配重、弧形导轨、低速轴端超速开关、高速轴端超速开关、弹簧式离心力调节杆等部件组成。

图2 新型冗余安全制动系统设计

新型冗余安全制动系统的制动原理为：弧形导轨与低速轴卷筒端部固接，棘轮与弧形导轨间用三头螺纹副连接，且棘轮与弧形导轨的端部接触面间装有摩擦副，这些组成基本制动模块。棘轮被棘爪抱死后，随着卷筒继续转动，棘轮弧形导轨间的三头螺纹副开始收紧，棘轮与弧形导轨摩擦副压力会越来越大，随之摩擦阻力会越来越大，直至卷筒无法继续旋转，达到柔性制动目的。

新型冗余安全制动系统的机械触发机制为：当负载以稳定速度起升或下降时，离心滚轮在弹簧式离心力调节杆的拉力作用下沿着弧形导轨周期性摆动。弹簧式离心力调节杆的拉力作用使棘爪的摆动幅度不足以与棘齿啮合。一旦起升机构工作制动失效，吊物高速下降，卷筒转速增加，那离心滚轮在弧形导轨上的滚动速度将会增加，离心力加大，离心滚轮摆动的角度也会加大，当角度大到一定程度时，离心滚轮另一端的棘爪就会挂住棘轮，实现制动目的。

新型冗余安全制动系统的电气触发机制为：当设置在高速轴的超速开关或低速轴的超速开关一旦超速，电磁吸合装置将会立刻通电吸合离心滚轮，棘爪随之挂住棘轮完成制动。在棘爪挂住棘轮的同时，设置在棘爪端部的感应开关会反馈一个信号，整套设备会立马断电。这里棘爪内部设置有缓冲弹簧，在挂住棘轮的同时，也起到柔性制动目的，降低制动瞬时冲击荷载。

新型冗余安全制动系统通过调节离心滚轮的重量、弹簧式离心力调节杆的拉力值和制动棘爪的长度，可实现离心力大小和变化角度的调节，以调节制动触发速度。该套安全制动器的复位也较为便捷，在设备恢复正常后，起升机构提起吊物，棘爪便在弹簧式离心力调节杆的拉力作用下完成复位。新型冗余安全制动系统是机械结合电气多重触发机制冗余安全制动系统。相较于传统的液压盘式摩擦型制动器，其制动形式为棘轮棘爪结合摩擦副制动。实现柔性制动的同时，制动也更加彻底，安全性和可靠性更高。调试时可通过调整起升电机转速，控制卷筒超速运转来完成整套制动系统的调试，调试更加安全可靠，卷筒空运转即可超速触发，功能检测更加安全。新型冗余安全制动系统有复位保护功能，一旦棘爪挂住了棘轮，棘爪上的就位信号感应开关Ⅱ就会反馈一个信号，此时卷筒只能起升，不能下降，安全制动器只有在制动复位后，起升机构才可重新工作。这种设计既防止了制动后操作人员误操作，造成设备受拉损毁，又方便安全制动系统制动复位。

3 技术创新点

新型冗余安全制动系统的创新点有以下几点。

（1）该套安全制动系统是机械结合电气多重触发机制冗余安全制动系统，设备安全性和可靠性[3]更高。

（2）结构上采用棘轮棘爪、三头螺纹副、摩擦副、弹簧等合理结构设计。制动时，制动摩擦阻力会随着卷筒旋转而增大，最终达到柔性制动目的。

（3）结构更加紧凑，不会增加起升机构的布置尺寸，成本也更加低廉。

（4）通过调节离心滚轮的重量、弹簧式离心力调节杆的拉力值和弹性制动棘爪的长度，可实现离心力大小和变化角度的调节，以调节制动触发速度。

4 结束语

水电站起重机在水利水电工程上承担着重要的作用，一旦水电站起重机失效，将会造成不可估量的事故。新型冗余安全制动系统机械结合电气多重触发机制，较为巧妙的柔性制动结构设计和可调试结构设计有效解决了液压盘式安全制动器存在的安装尺寸大、物料成本和维护成本高、制动瞬间冲击荷载大、制动系统可靠性不足等弊端，增加了水电站起重机的安全性和可靠性。