升降橫移立體車庫載車板制動距離過大原因及對策

高永軍

（湖南中冶長天重工科技發(fā)展公司，湖南 長沙 410217）

升降橫移式立體車庫，由于結(jié)構(gòu)簡單，市場占有率比較高。如果在驅(qū)動設(shè)計和后期維護(hù)中，電磁制動電機(jī)、電磁制動用整流模塊、制動線路選擇配合不當(dāng)，可能導(dǎo)致載車板在升降后停止時，制動距離過大而危害設(shè)備安全運行。

1 載車板制動異常超程的狀況

某公司在立體車庫研發(fā)試制過程中，在做載車板載重的標(biāo)載和超載試驗時，在下降后停止過程中制動距離過大，載車板出現(xiàn)較為明顯的長距離下滑“溜車”現(xiàn)象；在電動機(jī)生產(chǎn)廠家調(diào)整更換了電磁制動器、制動用整流模塊、減速電機(jī)等后情況沒有明顯改善。筆者應(yīng)邀到達(dá)現(xiàn)場，觀察到如下現(xiàn)象：（1）載車板下降停止時制動距離較大，設(shè)備的音調(diào)出現(xiàn)明顯的高低變化；（2）完全停止后載車板以及上面的模擬車輛上下大幅晃動，并帶動車庫框架整體明顯震動；（3）電動機(jī)停止后不會再轉(zhuǎn)動，沒有發(fā)生制動停止后再下滑“溜車”的現(xiàn)象。因此筆者初步判斷制動器制動力矩基本能夠滿足要求，制動過程中，出現(xiàn)變化較快的下降、減速的過程，制動距離過大可能是某種原因?qū)е轮苿悠餮舆t介入造成。

2 載車板驅(qū)動原理

該升降橫移式立體車庫載車板升降驅(qū)動采用如下方式：如圖1，電源經(jīng)過總急停電源接觸器KM0、正反轉(zhuǎn)接觸器KM1/KM2 和載車板選擇接觸器KM3，驅(qū)動載車板減速電機(jī)M1（減速機(jī)、電機(jī)、電磁制動器一體）可逆運轉(zhuǎn)；位于電動機(jī)接線盒內(nèi)的電磁制動用整流模塊A 得電，輸出直流激磁電流給位于電動機(jī)軸尾部的制動器YC的激磁線圈，此線圈產(chǎn)生的磁場吸引壓力盤，壓力盤和摩擦盤出現(xiàn)間隙，使電動機(jī)軸失去摩擦制動力，減速電機(jī)在三相電源的作用下驅(qū)動鋼絲繩卷筒，鋼絲繩經(jīng)過固定在框架兩側(cè)的定滑輪，實現(xiàn)對載車板的升降驅(qū)動；載車板停止時，KM1-3 斷電，制動器因失去激磁電流而失磁，壓力盤在復(fù)位彈簧的作用下和制動盤結(jié)合進(jìn)行機(jī)械制動，控制載車板停止在相應(yīng)位置。

圖1 載車板升降驅(qū)動回路

3 制動檢測

3.1 程行程測定。由于制動過程時間短、速度快，不易直接標(biāo)定停止開始時刻載車板的位置，為了能夠準(zhǔn)確測量超程距離，在現(xiàn)場把一個測量所需要的行程開關(guān)加裝在一個支架上，行程開關(guān)和急停按鈕回路串聯(lián)，載車板向上或者向下運動過程中碰觸到行程開關(guān)即可發(fā)出停止信號使載車板驅(qū)動電機(jī)斷電。測量載車板停止后撞塊至行程開關(guān)的距離，就可以得到停車過程中的實際制動距離[1]。

3.2 電氣測量。電參數(shù)測量測試設(shè)備采用配合筆記本使用的虛擬示波器，為了方便安全的測量[2]，制動回路采取了隔離措施。受實驗現(xiàn)場器材限制，變壓器采用2 只普通380/24V 控制變壓器T1、T2“背對背”的接法，輸入輸出端隔離，輸出對地電壓為零，總變比1:1；電流取樣電阻R 采用熱繼電器的發(fā)熱元件替代（見圖2）。CH1 端接示波器CH1 通道，測量電動機(jī)端電壓；CH2 端接示波器CH2 通道，測量離合器電流。該方式可以解決待測電壓超過示波器的量程的困難，還方便電機(jī)電壓回路和制動激磁線圈電流回路建立共同的參考點，方便交流電壓、直流電流雙蹤同步對比測量；同時還防止出現(xiàn)待測電壓對“大地”有高電壓、測量設(shè)備“地”直接帶電，可以有效防止損壞測量設(shè)備和發(fā)生觸電事故，保證了測量過程的安全。

圖2 驅(qū)動回路示波器隔離測量

4 下降過程分析

4.1 下降時各階段波形分析

4.1.1 A 點以前：CH1 通道電動機(jī)端電壓、CH2 通道整流勵磁模塊輸入電流波形每周期為20ms，頻率為50HZ（見圖3），載車板處于板正常下降階段。電動機(jī)通入逆向序電源瞬間，制動器還沒有完全打開，電動機(jī)克服制動沒有完全消失的制動力矩和傳動系統(tǒng)的摩擦力矩，開始逆時針反方向啟動運轉(zhuǎn)，隨著制動器完全打開，電動機(jī)克服阻力驅(qū)動卷筒迅速加速反轉(zhuǎn)，失去制動的卷筒在載車板重力作用逆時針方向加速旋轉(zhuǎn)。此過程中，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場同方向逆向旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 低于定子磁場同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率0＜s≤1。轉(zhuǎn)子鼠條相對于旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行是順時針方向切割，受電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流和旋轉(zhuǎn)磁場作用，電磁力矩F 形成的轉(zhuǎn)矩M 同旋轉(zhuǎn)磁場方向同向，電動機(jī)處于電動狀態(tài)（見圖4 和圖5 第Ⅲ象限）；隨著載車板在電機(jī)驅(qū)動力F 和重力作用下不斷加速，電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近到磁場同步轉(zhuǎn)速n0，n≈n0，轉(zhuǎn)差率S≈0 ，此時鼠籠轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場基本同步，不再切割旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M≈0，載車板過渡到克服傳動阻力拖動卷筒自由加速的反轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷增加超過旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速后n＞n0，s＜0，此時雖然轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場同為逆時針旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子鼠條開始同旋轉(zhuǎn)方向切割定子旋轉(zhuǎn)磁場，電磁力矩F 形成的轉(zhuǎn)矩M 同旋轉(zhuǎn)磁場方向相反，電機(jī)輸出電磁阻轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)進(jìn)入再生反饋發(fā)電狀態(tài)，（見圖6 和圖5 第Ⅳ象限）；電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出到外電網(wǎng)；由于電磁阻轉(zhuǎn)矩對加速下降的載車板為制動轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)差率S 的不斷增大，電動機(jī)輸出的反向制動轉(zhuǎn)矩逐漸向增大，最終使得電動機(jī)在略高于同步轉(zhuǎn)速n0 的狀態(tài)下控制載車板穩(wěn)定下降。

圖3 下降制動距離過大時的波形-時基50ms/div

圖4 逆時針旋轉(zhuǎn)的電動狀態(tài)

圖5 電動與再生反饋發(fā)電狀態(tài)下對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和力矩方向

圖6 逆時針旋轉(zhuǎn)的反饋發(fā)電制動狀態(tài)

4.1.2 A 點-B 點階段（見圖3）：CH1、CH2 通道頻率不斷開始上升，經(jīng)過150ms 到達(dá)B 點時，每周期僅10ms，頻率高達(dá)100HZ ；A 點出現(xiàn)的尖峰干擾，實際為載車板碰觸急停限位開關(guān)后，電源接觸器斷開導(dǎo)致系統(tǒng)緊急斷電時而引起的電磁干擾。系統(tǒng)緊急斷電時，被電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場磁化的定子、轉(zhuǎn)子剩磁極性和位置保持在斷電前的狀態(tài)[3]，在載車板的拖動下，轉(zhuǎn)子剩磁N、S 形成的磁場旋轉(zhuǎn)，定子、轉(zhuǎn)子間氣隙磁通發(fā)生變化，導(dǎo)致三相定子線圈AX/BY/CZ 輸出感應(yīng)電動勢[4]，電動機(jī)進(jìn)入剩磁發(fā)電狀態(tài)（見圖7）。此發(fā)電狀態(tài)與A 點前的回饋發(fā)電狀態(tài)不同，此時電動機(jī)脫離了電網(wǎng)，定子沒有電流，也不再產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。但電動機(jī)的剩磁感應(yīng)電勢，干擾了整流模塊，使得本應(yīng)斷電的整流模塊繼續(xù)得到了電源并繼續(xù)為制動器線圈輸出激磁電流，導(dǎo)致電機(jī)沒有進(jìn)入機(jī)械制動狀態(tài)，致使載車板開始自由下降。沒有了電網(wǎng)的牽制，電動機(jī)感應(yīng)電勢頻率取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，即載車板下降的速度。在圖3 中，我們可以觀察到電機(jī)頻率迅速上升增加了一倍，結(jié)合電動機(jī)聲音音調(diào)的變高，證明了載車板在A-B 階段，下降速度快速增大，最大時增加了一倍下降速度。

圖7 剩磁發(fā)電狀態(tài)

4.1.3 B-C 階段（見圖3）：到達(dá)B 點后，CH2 通道電流降低為0；CH1 通道頻率、幅值不斷下降，歷經(jīng)180ms 后到達(dá)C 點后為零。CH2 通道即制動器輸入電流降低為0，即整流模塊斷開了制動器的激磁電流，制動器的壓力盤、制動盤在回位彈簧的作用結(jié)合，真正進(jìn)入機(jī)械制動狀態(tài)；進(jìn)入機(jī)械制動狀態(tài)后，CH1 通道頻率、幅值的下降，反應(yīng)出了電動機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降以及轉(zhuǎn)子剩磁的不斷減弱，最終，歷經(jīng)180ms 在制動器的機(jī)械制動下載車板停止下降。

經(jīng)數(shù)次實測，載車板制動距離約為320mm，屬于嚴(yán)重的制動距離超程。

4.2 制動線路的相應(yīng)優(yōu)化。為了克服剩磁感應(yīng)電勢對電磁制動用整流模塊的影響，我們對制動模塊輸入回路進(jìn)行了改造。如圖8所示，改為經(jīng)由KM3 主觸點后再經(jīng)過輔助觸點為制動用整流模塊單獨供電，一定程度上還可以防止接觸器主回路缺相時，電磁離合器不吸合，繼續(xù)維持制動狀態(tài)，保證安全，例如可以防止上升接觸器缺相運行且制動器被打開會導(dǎo)致載車板下降的安全事故，當(dāng)然缺點是需要增加一根控制線。對改進(jìn)的圖8 控制方式，我們再次進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖9。斷電后，由于KM3 的輔助觸頭斷開，有效的切斷了剩磁發(fā)電能量進(jìn)入整流模塊，CH2 通道的模塊輸入電流迅速為零，進(jìn)入機(jī)械制動狀態(tài)；CH1 通道的頻率也較快的變化到為0，經(jīng)過實測，載車板制動距離僅為100mm，制動過程平穩(wěn)，完全符合對制動距離的要求。

圖8 改進(jìn)的制動回路

圖9 改進(jìn)后下降過程波形-時基50ms/div

5 電磁制動用整流模塊和電磁制動器制動器

電磁制動用整流模塊，市售型號繁多，都為灌膠封裝，并有簡單接線標(biāo)識，但鮮有文獻(xiàn)資料介紹內(nèi)部詳細(xì)電路原理。

5.1 從電工學(xué)、電子學(xué)原理、以及類似應(yīng)用的直流電磁鐵、吸盤、繼電器、接觸器等感性類負(fù)載的驅(qū)動、節(jié)能、保護(hù)電路來分析，單相半波整流和續(xù)流二極管即可構(gòu)成最簡單實用的整流電路供線圈類感性負(fù)載使用；如果電路勵磁電流可變，先大后小，即大勵磁電流使制動器壓力盤快速動作，小電流維持壓力盤的吸合狀態(tài)，不但節(jié)能降低線圈發(fā)熱量，還可以降低線圈儲能量；如果制動時，僅切斷交流輸入部分，由于制動器線圈屬于感性儲能元件，直流勵磁電流會通過內(nèi)部續(xù)流元件繼續(xù)維持導(dǎo)通導(dǎo)致磁通衰減時間延長。如果制動時只是簡單的直接切斷直流勵磁電流回路，雖然會使磁通電流建立的磁場迅速消失，但過大的電流變化率，會導(dǎo)致線圈由于自感應(yīng)產(chǎn)生過高電壓，危害線圈絕緣，必須采用吸收元件例如壓敏電阻等來抑制過電壓。如果制動器配置雙線圈，也可以通過啟動時線圈強(qiáng)勵磁、正常工作時弱勵磁，制動時甚至可以反向勵磁來加速磁通的建立和消除，同樣可以提高制動器的反應(yīng)速度。

5.2 從部分有實力的生產(chǎn)商的樣本可以看到，相同型號的制動器一般會對應(yīng)有不同的整流模塊供用戶選擇。既有結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)速度較慢的的帶續(xù)流二極管的單相半波、全波整流模塊，還有帶勵磁電流大小時間長短可變的可控硅整流模塊；有些模塊具備跳線選擇功能，可以選擇制動時是切斷交流電源回路還是斷開直流勵磁電流，方便用戶來選擇普通、快速制動模式。少量整流模塊還附加了電壓、電流繼電器等來判別電機(jī)電壓、電流電流的功能電路，例如某整流模塊要求部分端子串接到電機(jī)回路中。

5.3 選擇制動用整流模塊，除了要考慮相應(yīng)的勵磁電壓外，還必須考慮所驅(qū)動設(shè)備對制動器的動作時間、制動距離的要求，以下幾個指標(biāo)要引起重視：（1）釋放時間即從接通電源到制動器釋放打開的時間；（2）制動時間，即從控制回路斷開到獲得額定摩擦扭矩的時間；（3）延遲制動時間，即從控制電路斷開到扭矩開始上升的時間。從產(chǎn)品樣本上看，整流模塊快速、慢速控制方式下，延遲制動時間一般會有5-10 倍的明顯差別，它很大程度決定了制動距離的長短。制動器的壓力盤、摩擦盤分離結(jié)合過慢，將增大啟動、制動中的過渡時間，增大啟動阻力，加快過渡過程中制動盤的磨損。而過快的制動反應(yīng)速度，有可能導(dǎo)致負(fù)載停機(jī)過快造成沖擊過大，并因整流模塊和控制回路復(fù)雜程度增加導(dǎo)致成本的增加。

6 電動機(jī)剩磁

一般情況下，電動機(jī)剩磁量和衰減時間一般會隨電機(jī)容量增大而增大[5]，如果電機(jī)鐵磁材料選用不當(dāng)，還有可能更加嚴(yán)重。剩磁一般會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響。首先剩磁會導(dǎo)致電機(jī)交變磁化時鐵損增大，長時間運行導(dǎo)致電機(jī)過熱；另外，剩磁會導(dǎo)致電動機(jī)斷電后，如果負(fù)載的動能較大，電動機(jī)剩磁發(fā)電會產(chǎn)生較大能量。如電機(jī)在星三角轉(zhuǎn)換、工頻、變頻切換過程中，會因切換時刻剩磁電勢相位和電源相位相位差過大，導(dǎo)致變換過程出現(xiàn)大沖擊電流，從而引起保護(hù)動作；本例則是剩磁發(fā)電延遲了整流模塊的快速制動。

7 結(jié)論

綜合以上觀察、分析，此例載車板下降制動時距離過大，是由多種原因造成。電動機(jī)剩磁導(dǎo)致勢能負(fù)載下剩磁再生能量較大；整流模塊選型不匹配，不能有效識別并切斷電機(jī)斷電后出現(xiàn)的再生電壓；被延遲的斷電制動又導(dǎo)致具有勢能的載車板出現(xiàn)了超速下降現(xiàn)象，惡化了制動條件，不但造成了載車板下降制動時制動距離超長，還對設(shè)備造成了較大的沖擊。在以上條件不能滿足時，可考慮更改整流模塊的電源控制控制方式，采用獨立觸點來隔離電機(jī)端剩磁感應(yīng)電壓，加快制動過程，保證載車板在停止時制動快速、平穩(wěn)，距離在合理的范圍內(nèi)。