制动电机动态制动力矩的试验研究

苏文胜，　王欣仁，　百坚毅

(1. 江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院，江苏 无锡　214174；2. 国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心，江苏 无锡　214174)



制动电机动态制动力矩的试验研究

苏文胜1,2，王欣仁1,2，百坚毅1,2

(1. 江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院，江苏 无锡214174；2. 国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心，江苏 无锡214174)

介绍了基于减速度法的制动电机动态制动力矩测试原理，并据此设计相应的动态制动力矩测试系统，包括试验台的整体结构设计和软件设计。在此基础上，利用国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心为制动电机制造企业提供型式试验的便利条件，对部分制动电机的样品进行动态制动力矩测试研究，得出一些重要的结论，为相关技术人员提供参考。

制动电机； 动态制动力矩； 减速度法； 试验研究

0　引　言

制动电机是带有制动功能的电动机。最初，作为葫芦式起重机各不同机构的重要部分驱动装置(电动机)和制动装置(制动器)，多为独立存在，之间通过联轴器连接。为了使结构变得更加紧凑、轻巧，起重机领域最先进行了革命性的创新改造，将驱动装置与制动装置组装为一整体，就成了制动电机。由于制动电机具有集驱动与制动于一体的特点，所以可以应用于要求紧急制动、准确定位的各类机械设备上。目前应用场合也从原来的起重行业发展到纺织、机床、建筑、印染和食品等机械行业。近年来，随着我国经济的迅猛发展，制动电机正在逐渐被人们认识并得到广泛采用[1]。

随着设备轻量化的设计和对产品空间的节省需求，电磁盘式制动器越来越多地运用于驱动装置的制动上。电动机与电磁盘式制动器的结合，使得制动电机种类增多，因此制动电机的产品质量和安全性能也越来越受到相关质检部门的重视。国家质检总局于2008年发布TSG Q7014—2008《起重机械安全保护装置型式试验细则》，明确规定了起重机械制动电机等安全保护装置需要进行型式试验，制动电机制造企业只有获得国家指定型式试验机构出具的型式试验合格证方能进行制动电机的生产制造[2]。

目前，电动机试验台和制动器试验台国内外一些企业和检验机构都已经存在，国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心也具有相应的工业制动器试验台和电动机试验台。TSG Q7014—2008中规定制动器需进行动态制动力矩和静态制动力矩的测试，而对制动电机没有明确指出需进行动态制动力矩的测试，因此国内外试验系统基本没有对制动电机动态制动性能进行测试的能力。但是，对于制动电机而言，动态制动力矩试验更能反映制动电机在动载荷状态下的制动性能，所以动态制动力矩和制动时间已作为制动电机工作性能好坏的重要指标。本文研制了制动电机动态制动力矩测试装置，并进行了制动电机动态制动力矩试验研究，进行了一些初步探讨。

1　制动电机动态制动力矩测试国内外概况

目前，国内绝大部分制动电机生产企业都没有动态制动力矩测试装置，仅用标准推荐的砝码法或力矩扳手测试静态制动力矩的大小，没有制动电机动态制动力矩的测试能力。这些企业没有意识到制动电机动态力矩测试的重要性，另外试验台还必须配备惯量盘、转矩转速传感器，并编写相应的试验软件，企业不愿意投入人力和物力去开发制动电机动态制动力矩试验台。目前仅有个别外资企业，会将电动机和电磁盘式制动器分离开，专门对制动器的动态制动力矩进行测试，而非制动电机整体测试，存在一定的局限性。

2　制动电机动态制动力矩测试原理

目前，常用的力矩测量方法主要有两种： 直接测量法和间接测量法[3]。直接测量法是通过在试验系统的驱动装置和惯量盘中间设置相应的转矩转速传感器，不需要配置其他设备，直接从转矩转速传感器读取制动力矩值。该方法试验结果直观，测试方便。但采用转矩转速传感器直接测量动态制动力矩时，根据额定制动力矩的大小，需要配备多个转矩转速传感器，不仅需要大量资金的投入，而且每次更换力矩传感器也非常麻烦。如果只采用一个大量程的转矩转速传感器，在小制动力矩的情况下测量精度得不到保证。间接测量法是通过测量与力矩有关的其他易测得的参数，如电机转速、旋转角度、电机轴旋转角速度、总制动时间等，然后经过公式推导，计算得到制动电机的动态制动力矩。该计算方法所用参数的测量范围大、精度高，往往可以得到更加可靠的测试结果[4]。

考虑试验精度和测试装置性价比，本文采用间接测量法对动态制动力矩进行测量。通过测量制动过程中速度的变化(减速度)及制动时间，根据公式计算得到制动电机动态制动力矩的大小。其测量过程如下： 首先将被测制动电机安装到动态制动力矩测试台上，根据制动电机额定制动力矩计算出所需的单次制动功和模拟转动惯量的大小，配置好惯量盘；变频起动制动电机，通过电机轴带动惯量盘一起旋转；当转速到达设定的初速度时，系统自动切断制动电机驱动电源，同时制动器失电制动，电机轴减速，一定制动时间后制动电机停止旋转。整个制动过程中，光电编码器对转速信号进行采集，由计算机对信号进行处理，就可以得到动态制动力矩的大小。

3　制动电机动态制动力矩测试系统的设计

3.1试验系统整体结构设计

参考电力液压鼓式和盘式制动器相关标准[5]，确定制动电机动态制动力矩测试时所配转动惯量的大小，具体公式推导如下。

(1) 计算许用单次制动功。

(1)

式中：W——被测制动电机许用单次制动功，J；

Md——额定制动力矩，N·m；

θ——角位移，rad；

n0——测试时设定的初转速，一般取电机额定转速，r/min。

(2) 计算所需模拟转动惯量。

根据旋转物体的动能定理有：

(2)

从而可得

(3)

式中： ∑J——测试模拟转动惯量，kg·m2，实际配置转动惯量时可在计算所需转动惯量±20%内浮动；

ω——电机轴旋转角速度，rad/s。

为合理配置惯量和方便惯量盘拆卸，系统采用等惯量多组合配置方式和同轴不拆卸加减惯量盘的方法。每个惯量盘的惯量大小相等，根据试验的需要配置不同数量的惯量盘。试验时将所需的惯量盘固定在与轴一起旋转的惯量盘传动端盖上，不需要的惯量盘停靠在与轴承支座固定的惯量盘停放端盖上。试验系统的整体结构如图1所示。

图1　制动电机动态制动力矩测试装置

由于对制动时间和旋转角度要求的精度很高，制动电机与试验台的连接采用膜片联轴器加螺栓的硬联结，而非电机试验中常用的穿绳方法的软联结。这样可以避免因制动电机制动过程中联结处的缓冲而影响试验结果，但是要求较高的安装精度。试验前根据制动电机的规格和参数，计算单次许用制动功和模拟转动惯量值，按惯量值选取适当片数的惯量盘，将所需的惯量盘固定在与轴一起转动的传动端盖上，剩下的惯量盘则放置在与轴承支座固定的停放端盖上。光电编码器采集转速信号并供计算机进行处理。

3.2试验系统软件设计

制动电机动态制动力矩大小的试验软件计算过程如下。

(1) 基于减速度法测量分段动态制动力矩。

根据动量矩定理：

(4)

式中：Mds——实测动态制动力矩，N·m；

ts——有效制动时间，s。

整个试验过程中光电编码器实时监测转速信号，并由计算机等时间间隔不断采集，转速n0,n1,n2,…,ni-1,ni,i∈{1,2,…，n}与其对应的测量时间为t0,t1,t2,…,ti-1,ti,i∈{1,2,…,n}，则各时间段的平均制动力矩为

(5)

试验过程中，计算机记录下所采集的数据，通过公式计算出试验结果，自动生成相关坐标点，并绘制出相应的曲线。

(2) 计算单次平均动态制动力矩。试验系统根据动态制动力矩变化曲线，确定有效制动时间ts，根据式(6)计算单次制动过程的平均制动力矩：

(6)

式中：Meds——实测单次平均动态制动力矩，N·m。

利用西门子公司S7 200系列PLC开发了动态制动力矩测试系统软件，利用亚控公司的组态王软件编写了该系统的人机界面。该测试系统稳定可靠，人机界面简单明了，便于试验人员操作和维护。

4　制动电机动态制动力矩测试实例

实例一： 对某企业的DRE180S4BE20型电磁制动三相异步电动机进行测试。电机参数如下： 功率11kW，转速1470r/min，制动器额定制动力矩150N·m，电机安装如图2所示。试验参数设置界面如图3所示，试验结果如图4所示。

图2　制动电机试验安装图

图3　试验软件参数设置页面

图4　电磁制动电机动态力矩测试结果

先后共测试6次，动态力矩值分别为170.14、159.79、170.14、165.54、167.81、172.54N·m，平均值为167.66N·m。通过力矩杠杆法测试的静态制动力矩值为185.62N·m，制动电机动态制动力矩为静态制动力矩值的0.903倍，与国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心之前测试的电力液压鼓式制动器动态和静态制动力矩比值相似。

实例二： 对某企业的ZDY32—4型4.5kW锥形转子电动机进行测试。电机参数如下： 功率4.5kW，转速1380r/min，制动器额定制动力矩63N·m。所需总惯量∑J=0.43482kg·m2，nT≈0.85，取nT=1。即试验系统的总惯量为0.45618kg·m2，惯量配置误差也是非常小的。在额定转速下先后共测试6次，动态力矩值分别为67.13、64.64、65.45、69.81、71.73、68.56N·m，平均值为67.88N·m。通过力矩杠杆法测试的静态制动力矩值为74.43N·m，这里制动电机动态制动力矩为静态制动力矩值的0.912倍。

实例三： 对某企业的YZE132L-4型电磁制动三相异步电动机进行测试。电机参数如下： 功率15kW，转速1400r/min，制动器额定制动力矩180N·m。分别在电机初转速为750、1000、1200、1400、1500r/min时的5组值下进行测试，每种初转速下测试3次，取动态制动力矩平均值，测试参数和结果如表1所示。

表1　动态制动力矩测试结果

由实例一和实例二可知，本装置可以满足电磁制动三相异步电动机和锥形转子电动机等所有类型的制动电机动态制动力矩的测试需求。试验装置可以灵活方便地加减惯量盘，并且系统总惯量与试验所需要的总惯量相比远远小于标准所规定的±20%的要求。将动态制动力矩的结果与杠杆法所测试的静态制动力矩相比，比值都约等于0.9，说明此系统具有较高的测试精度。

由表1可知，随着试验转速的升高，所配惯量盘数减少，总转动惯量减少，这符合单次制动能量保持不变的条件。但动态制动力矩值越来越小，有效制动时间越来越长。就这台电机而言，额定转速为1400r/min，如果电机发生超速使用的情况，则动态制动力矩的减小和制动时间(制动距离)的延长会产生一定的使用风险，更易造成事故的发生。另外，根据参考文献[5]中式(4)来验证动态力矩试验结果，发现验证结果(表1中第6列值)与实测动态制动力矩值(表1中第4列值)符合性非常好，说明了该试验系统测试结果的可靠性。

5　结　语

通过对制动电机动态制动力矩测试装置的研发，以及对制动电机动态制动力矩测试结果的分析，得出如下结论：

(1) 该试验系统运用减速度法间接测量制动电机的动态制动力矩，采用等惯量多组合配置方式和同轴不拆卸加减惯量盘的方法，大大提高了测试精度，减少了加减惯量盘的劳动强度。

(2) 该系统可为制动电机制造企业提供试验结果，指导企业完成制动器的选型，为新型制动电机的研制提供技术支持，还可为政府管理部门提供责任事故判定依据。

(3) 制动电机动态制动力矩通常与制动温度、比压和相对制动速度等影响因素有关，任何条件的改变都可能影响到最终的动态制动力矩大小，特别是摩擦材料对动态制动性能影响巨大，需要加大对摩擦材料的试验研究投入。

(4) 制动电机通常用于减速制动，需要考虑制动减速度和制动距离的大小，如果能给出动态力矩的额定值，就可作为起重机设计人员选择合适制动电机的计算依据。

(5) 制动电机生产企业应该提供制动电机动态制动力矩的大小，仅提供静态制动力矩值是不够的。为了提高制动电机的本质安全，建议制动电机监管部门和标准制修订单位将动态制动力矩值纳入到制动电机性能评价体系中来。

(6) 本文只给出了部分制动电机的试验结果，作为抛砖引玉之用，以引起更多相关人员的重视，其普遍通用性结论还需要更多的试验进行验证。

[1]唐古琦.制动电机综述[J].电机技术,1993(2)： 21-26.

[2]起重机械安全保护装置型式试验细则： TSG Q7014—2008[S].

[3]王全伟,文豪,郭遐.起重机械制动器惯性试验系统及制动力矩测试方法[J].起重运输机械,2008(8)： 90-93.

[4]卢泽晖,胡吉全.起重机制动器试验系统开发与研究[D].武汉： 武汉理工大学,2011.

[5]电力液压盘式制动器： 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

苏文胜(1980—)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向为机械设备故障诊断及特种设备检验检测。

王欣仁(1985—)，男，硕士研究生，工程师，研究方向为特种设备检验检测。

TM 306

A

1673-6540(2016)09- 0074- 05

2016-05-23

百坚毅(1961—)，男，研究员级高级工程师，研究方向为特种设备检验检测。