制动电机动态制动力矩测试装置的设计.pdf

制动电机动态制动力矩测试装置的设计 百坚毅苏文胜李云飞王欣仁顾旭波 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院 无锡2 1 4 1 7 4 摘要 阐述了制动电机动态制动力矩测试原理 以及如何计算并配置转动惯量和计算机检测原理 介绍 了惯性飞轮的设计方法 通过整体结构设计 并以测量实例验证了本装置设计的方便性和有效性 关键词 制动电机 动态制动力矩 测试装置 中图分类 号 T M3 0 6 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 4 0 4 0 o l 2 0 4 Ab s t r a c t T h e p a p e r d e s c ri b e s t h e t e s t p rin c i p l e f o r t e s t i n g d y n a mi c t o r q u e o f t h e b r a k e mo t o r h o w t o c a l c u l a t e a n d s e t t h e r o t a r y i n e r t i a a n d c o mp u t e r d e t e c t i n g p r i n c i p l e a n d i n t r o d u c e s t h e d e s i g n me t h o d o f i n e r t i a fl y w h e e l s T h r o u g h t h e o v e r a l l s t r u c t u r al d e s i g n c o n v e n i e n c e a n d e ff e c t i v e n e s s o f s u c h d e v i c e i s v e rifi e d b y p r a c t i c a l me a s u r e me n t Ke y wo r d s b r a k e mo t o r d y n a mi c b r a k i n g t o r q u e t e s t d e v i c e O 引言 制动电机是带有制动功能 的电动机 自2 0世 纪 2 0年代西德 D E MA G公 司的第一 台锥形转子制 动电机问世以来 制动 电机 发展到今 天不但有锥 形转子制动电机 还有旁磁式 盘式和带制动器 等多种形 式的制动 电机并存 并且 制动 电机 的性 能 用途以及 产量还在迅速发展 由于制动 电机 具有集驱动与制动于一体的特点 可以满足要求 紧急制动 准确定位 的各类机 械设 备上 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 随着制动 电机应用 的增 多 产 品检测 和安全 监督已经成为相关安全监督 认证部门紧迫的重 要课题 国家质 检总 局颁 布 的 T S G Q 7 0 1 4 2 0 0 8 起重机械安全保护装置型式试验细则 中明确规 定 了起重机械制动器 防坠安全器 起 重量 限制 器 起重力矩 限制器 起升高 度限制器等安全保 护装置的型式试验细则 其中注明了制动器包括 具有制动功能的电动机 J 目前 制动器试验 台和 电动机试验 台国内外 存在一些 但对 于制动 电机产 品 国内外试验 系 统极少 而且试 验项 目不包括动态制动力矩 的测 量 T S G Q 7 o 1 4 2 o o 8中也没有动态制动力矩 的测 一 1 2 一 量项目 究其原因是当时的技术水平限制了该项 目的测量 然而 对 于制动 电机而言 更应该 关 注的是安全性和制动性能 静态力矩试验并 不能 反映动载荷状态下 的制动性能 必须通过动 态力 矩试验来测试其在动态 载荷下 的制动性能 是制 动电机工作性能好 坏的重要 指标 具有更 本质 的 意义 因此 通过制动 电机 动态力矩测试 装置 的 设计有利于弥补国内制动电机试验系统 的不足 1 动态制动力矩测试原理 动态制动力矩是衡 量制动性能 的重要参数之 一 目前 常见的动态制动力矩测 量方法 主要 有 两类 直接测量法 和间接测量法 直接测量 法 是通过在试验系统适 当的位置设 置相应的力矩传 感器 直接测量 制动器的动态制 动力矩 该方 法 测试简单 试验结果直观 不需要配置其他的辅 助计算工具 但采用力矩传感 器直接测量制 动器 的动态制动力矩时 受传 感器设置位置 和量 程的 影响 测量值与真实值不可避免地存在一定偏差 不适合测量要求高的场合 而间接测量法是不直 接测量制动力矩 而是通过测量 与力矩有关 的其 他更易测量的参数 如测 量速度 角速度和旋转 角度等 然后经过公式 的推导 间接得到制动器 的动态制动力矩 该方法制动力 矩计算所用 的参 数的测量范 围大 精度更高 往 往可 以得 到更 加 可靠 的测试结果 起重运输机械 2 0 1 4 4 根据试验需求和性价 比 本文采用间接测量 法 即通过测量制动过程 中速度 的变化 减速度 并结合理论公式计算得到制动电机动态制动力矩 的大小 j 其测量原 理为 首先将制动 电机安装 到制动电机 动态制 动力矩测试 装置上 根据 制动 电机参数 配置相应大小转 动惯 量的惯量 盘 启 动制动电机 惯量盘 随制 动电机轴高速旋转 切 断驱动电源 制 动 电机制 动 电机 轴减速 经 过 一 定时间和转 动一定 角度后停止 整个制 动过程 中 计算机采集信号并进行处理 就可以获得制 动电机的动态制动力 矩的大小 这里需要解 决一 是如何计算并 配置转 动惯量 二是计算机 如何进 行检测 下面分别进行介绍 1 计算并配好转动惯量 计算许用单次制动功 M n 0 Md 1 式中 为被测制动器许 用单次 制动功 J 帆 为额定制动力矩 N m 0为角位移 r a d n 为制动初转速 一般为电机额定转速 r m i n 计算被试制动器对应模拟转动惯量 根据转动动能定理 E J 丢 2 得 2J 1 8 2 W 3 n 0 式 中 J为制动轴上模拟总转 动惯量 m 0 9 为角速度 r a d s 实 际配 置转动惯量 时可 在计算所需转动惯量 2 0 内浮动 2 计算机检测原理 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 M 为实测动态制动力矩 N i n t 为 有效制动时间 s 整个试验过 程中的转速 由测试装 置的编码器 检测 并由计算机等时间间隔不断采集转速信号 no n 1 n2 n l n i 1 2 n 与其对应 的测量时间为 t t t t t i 1 2 一 则各 时 间段 的 平 均制 动 力 起重运输机械 2 0 1 4 4 矩为 进行试验时 由计 算机对上 述各 点采集相关 信号 在计 算 机 中 自动记 录和 生 成相 关 坐标 点 线 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 根据式 6 计算单次制动过程的 平均制动力矩 M e 6 泰嚣 6 式中 为实测单次平均动态制动力矩 N m 2 惯性飞轮 的设计 从发展来看 目前 国 内外 的制动器 动态制动 力矩测试 系统普遍采用 惯量模拟特别 是机 械模拟 的方法来实现 即制动器制动过程 的摩 擦功均来 自惯性 飞轮存储 的动能 6 介绍 了试 验过程 中关 键是如何计算并配置转动惯量的大小 所以设计 惯性飞轮系统非 常重要 惯性飞轮系统具有相当于各种型号制动洒机 惯性的质量 可 以 自由的组合试验所 需 的各种惯 量 运动过程 中在惯性 飞轮上积蓄有 能量 这就 获得了近似 于制动 电机工作状态下 的能量 一般 惯性飞轮 的设计采用 不 同量组合方式 这种方式 组合出的惯量分类较小 只适合于企业针对部分 产 品进行试验的要求 作为第三方检验检测机构 要面对各 种不 同规格 的制动 电机 电机 的级 数 功率 制动器规格的不 同决定 了要求 采用不 同的 惯量配置 电机 的级数 常见 的有 2 4 6 8 1 6 极 其静态制动力矩 的变化更 是多样 这就要求 惯量飞轮 的组合更加 的灵活 本文采用 多片不可 拆卸的惯量盘设计 通过主轴公差 和键槽的配合 来 自由的组合出所需要的转动惯量 转动惯量 I J 1 2 d m J r 2 p d V 7 本装 置 设 计 的惯 量 盘 为 中空 圆 盘 计 算 公 式为 J m R R R i 一 3 一 1 凡 L 儿 4 一 8 式中 为单个惯量 盘的转动惯量 k g m m为单个惯量盘 的质量 k g R 为惯量盘 的外半 径 m R 为惯量盘的 内半径 m P为惯量 盘的 材料密度 k m V为惯量盘体 积 m h为单 个惯量盘的厚度 m 根据式 6 可 以确定转 动惯 量的最小单元 如果制动力矩按 l 0 N m一个等级计算 n 取 常规 4 极电机 的额定转速 1 5 0 0 r m i n t 1 s 可 以计算 出所需 的最小惯 量单元为 J 0 0 6 3 6 6 7 k g IT I 变化决定 扭应力按脉动循环变化取为 0 6 为轴 的许 用 弯 曲应 力 MP a 查 表取 为 4 5 MP a 经过计算 d 4 4 6 mm 强度 条件符合要 求 对 轴各端尺寸进行确定 如图 1所示 确定了轴端各尺寸后可得 出惯量盘 的内径 d 6 0 m m 即R 2 0 0 3 I l l 再根据最小惯量单元 O 0 6 3 6 6 7 k g m 和钢板合适加工的厚度尺寸 h 三 E 一 f f f 0 f I厂 张 2 一 三 l 一 一 上 6 一 I一 工 7 一 j 3 整体结构设计 确定了试验装置 的采 样方式 计算 方法和最 小惯量单元 就可 以对整 个试验 台进行设 计 为 方便惯量盘的配置 本装置采样等惯量多组合配 置方式 即每个惯量盘 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 验不需要 的 惯簧盥 被放置在装置 的另一端予 以固定 通过转 轴 公 差 来 控 制 惯 量 盘 的 旋 转 和 固 定 首先 需要对 主轴进 行设计 初 步设计该试 验装置针对 1 5 0 0 r mi n的制动电机测试力矩大小 为 4 0 0 N m 加上 制动 电机及 其他 装 置惯量 按 5 0 0 N m进行核算 对扭转强度进行计算 由式 9 d l 7 2 9 式中 为轴所传递 的转矩 N I n f 为许 用扭转剪应力 MP a d为轴端直径 mm f 取 3 0 MP a时 d 4 3 9 4 m m 考虑键槽对 轴强度的影响 该轴段需要 连接膜 片联 轴器 截 面上有 一 个键 槽 轴 径 增 大 5 7 故 d 4 3 9 4 1 0 0 7 4 7 0 2 m m 取 4 8 m m 确定轴的直径 对转轴进行 弯扭合成强 度校 核 对于钢制轴可按第三强度理论计算 强度条 件为 d 2 1 6 8 f 1 0 o r一 1 式 中 为轴 在计算截 面所受弯矩 N m 为轴在计算截面所受扭矩 N i n 由扭力 的 图 1 主轴尺寸 0 0 0 3 i n P 7 8 5 8 k g m 由式 8 可知 R 约为 0 2 0 4 I n 取整 R 0 2 1 m 根据试验需要 确定片数为 5 O片 即在 1 5 0 0 r m i n的制动电机试 验 中可调节测试的制 动力矩为 5 0 0 N m 惯量 的 配置远远高 于一般要求浮 动 2 0 的标 准 其制动 力矩越大 配置精度越高 因为是对制 动 电机动 态力矩进 行测试 不能 采用电机试验 中常用 的穿绳方 法 所 以 最终确 定选用膜片联轴器 来实现制动 电机与试验 台的连 接 可以有效保证安装 的精 度要求 又能避免制 动电机刹车过程中连接处的缓冲而影响试验结果 具体 的设计如图2所示 1 带法兰膜片联轴器2 轴承支座3 惯量盘传动端盖 4 可调节惯量盘5 导向型平键 惯量盘停放端盖 7 轴承8 转轴9 光电编码器1 0 装置底板 图 2 制动 电机动态制动力矩测试装 置 制动电机通过膜 片联轴器 利用 螺栓与试 验 装置相连接 根据制动 电机 的规 格和参数 选择 起重运输机械 2 0 1 4 4 适当片数的惯量盘 将需 要配置 的惯 量盘放在传 动端盖上 多余的惯量盘则放置在停放端盖上 试验数据 由光 电编码器采 集并供计 算机进行 处 理 4 测试 实例 现对某企业的 Y E J 2 0 0 L一 4型电磁制动三相异 步电动机进 行测试试 验 该 电机 部分规 格数 据 功率 3 0 k W 转 速 1 4 7 0 r m i n 自身 惯 量 J d 1 3 5 2 7 k g 1 T I 制动器静制动力4 0 0 N m 电 机安装如图 3所示 图 3 制 动电机试验安装 图 额定制动力矩 M 4 0 0 N i n 由式 1 式 3 可计算 出所需惯量 J 2 5 4 1 2 k g I n 去 除电机及试验装置惯量可得 出需要配 置的惯量盘 个数为 1 1 坼 一 L l l l n 一1 5 4取 1 6 即试验系统的总惯量为 2 5 81 4 k g m 2 惯量配置误差几乎为 0 动态制 动力矩测试结果如表 1所示 由表 1可知 制动电机动态力矩测试装置的测 量标准差为 1 6 2 系数为 0 4 4 这说 明试验装 置在反复试验 测试 性能保 持稳定 重 复性 良好 精度较高 完全能够达 到国家对相关 试验 的精度 要求 表 1 动态制动力矩测试结果 试验结果 测量均值 标准差 标准差 次数 N In N m N m 系数 1 3 7 2 6 5 2 3 68 2 7 3 3 7 0 1 0 3 6 9 6 7 1 6 2 0 4 4 4 3 6 8 7 5 5 3 6 8 5 8 5 结语 该试验装 置采用加速度 间接测 量方法测量制 动 电机的动态制动力矩 采用 等惯 量多片组合 的 方式模拟转动惯量 使试验对象 的测试范 围更加 广泛 惯量的配置远远高于一般要求浮动 2 0 的 标准 该装置作 为制 动电机动态制动性能 的检测 装置 可为企业提