池永兵

北京市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 北京 100029

1 基本情況

2021年，某廠操作人員進(jìn)行吊裝作業(yè)，吊裝設(shè)備質(zhì)量為3 t，將產(chǎn)品吊裝離地面2.5 m左右時(shí)起升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)溜鉤，產(chǎn)品也隨之開始下落，操作人員在下落期間按下急停鍵，起重機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)均無響應(yīng)，直到產(chǎn)品持續(xù)下降落地，整個(gè)溜鉤過程持續(xù)25 s。據(jù)使用單位反映，該吊裝要求定位精度高，為減少溜鉤現(xiàn)象，制動(dòng)時(shí)間調(diào)整的非常短以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，且為準(zhǔn)確就位經(jīng)常出現(xiàn)頻繁點(diǎn)動(dòng)操作，但在懸吊設(shè)備重新啟動(dòng)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。隨后技術(shù)人員對(duì)故障起重機(jī)進(jìn)行了多次空載測試運(yùn)行均未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象。吊運(yùn)3 t砝碼進(jìn)行載荷運(yùn)行狀態(tài)測試，起升點(diǎn)動(dòng)、懸停再次啟動(dòng)、急停再次啟動(dòng)等，快速起落、慢速起落、快慢速切換起落，持續(xù)測試，整個(gè)重載運(yùn)行模擬測試過程溜鉤故障未再出現(xiàn)。因?yàn)樗跷锲穬r(jià)值較高，使用單位要求查明溜鉤原因并進(jìn)行整改。

2 故障復(fù)查過程

起重機(jī)維保技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場后對(duì)該起重設(shè)備進(jìn)行檢查。起重機(jī)的電源為三相交流，頻率為50 Hz，電壓380 V，供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)不超過10%，起重機(jī)內(nèi)部電壓損失符合GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。起重機(jī)于2006年7月投入使用，設(shè)備使用年限較長，至今已服役近15 a，長期有維修人員進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。設(shè)備品種為防爆橋式起重機(jī)，型號(hào)為QB5t，起升速度4/0.4 m/min，雙速運(yùn)行，起升高度為6 m，工作級(jí)別A5，起升機(jī)構(gòu)由主起升防爆電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、連接軸、減速器、卷筒、鋼絲繩、定滑輪、雙輪吊鉤等組成。設(shè)備購買初期使用頻率不高、吊重較輕，近期頻繁使用且吊重較大，滿載工作狀態(tài)經(jīng)常出現(xiàn)。由于設(shè)備就位精度要求較高，經(jīng)常出現(xiàn)頻繁點(diǎn)動(dòng)精準(zhǔn)就位工況，且經(jīng)常出現(xiàn)起重機(jī)帶載懸停等待狀況。

對(duì)起升機(jī)構(gòu)各分部順序進(jìn)行排查：1）雙輪吊鉤鉤頭運(yùn)轉(zhuǎn)正常，雙滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，吊鉤檢查無異常；2）定滑輪一套運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，檢查無異常；3）鋼絲繩無斷絲斷股，無明顯彎曲，檢查無異常；4）卷筒無裂紋，轉(zhuǎn)動(dòng)無異常噪聲，檢查無異常；5）減速器運(yùn)行無噪聲，打開檢查窗轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)齒輪無缺失，潤滑良好，運(yùn)行無異常；6）拆開主起升電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行無異常噪聲，制動(dòng)器打開正常，制動(dòng)器無裂紋，磨損無異常；7）操作手柄查勘無故障點(diǎn)，針對(duì)控制線也進(jìn)行多次多角度測試，沒有接線不良故障；8）查看連接軸、聯(lián)軸器連接情況均未發(fā)現(xiàn)異常情況。

3 故障原因分析

溜鉤是指起升機(jī)構(gòu)工作停止之后，切斷起升機(jī)構(gòu)電源，在制動(dòng)器制動(dòng)前，物體會(huì)下降一定的距離?；蚴俏矬w停留在空中，起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)工作時(shí)，起升機(jī)構(gòu)通電，制動(dòng)器打開，此時(shí)物體會(huì)出現(xiàn)一段距離的下降[1]，即較大的慣性導(dǎo)致重物出現(xiàn)下滑現(xiàn)象即溜鉤。GB/T 14405—2011《通用橋式起重機(jī)》5.3.3要求：對(duì)吊鉤起重機(jī)，起吊物品在下降制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離(機(jī)構(gòu)控制器處在下降速度的最低檔穩(wěn)定運(yùn)行，拉回零位后，從制動(dòng)器斷電至重物停止時(shí)的下滑距離)不應(yīng)大于1 min內(nèi)穩(wěn)定起升距離的1/65。5.3.4要求：對(duì)吊鉤起重機(jī)，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別高于M4，且額定起升速度≥5 m/min時(shí)要求制動(dòng)平穩(wěn)，應(yīng)采用電氣制動(dòng)方法，保證在(0.2～1.0)Gn范圍內(nèi)下降時(shí)，制動(dòng)前的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至同步轉(zhuǎn)速的1/3以下，該速度應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行。TSG Q7016—2016《起重機(jī)械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》要求：定位精度的實(shí)現(xiàn)取決于不同調(diào)速控制系統(tǒng)的完善程度和不同靜態(tài)剛性指標(biāo)的互補(bǔ)性匹配，而可接受定位精度是指低與中等之間的定位精度。制停距離和溜鉤概念不同，溜鉤是制停無法滿足要求后的現(xiàn)象，一般場合下一定程度的制停距離是允許的，但在裝配車間等重要的對(duì)位要求下出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象是不被允許的。

出現(xiàn)故障的防爆橋式起重機(jī)工作級(jí)別A5，起升速度4/0.4 m/min，起升高度6 m，該設(shè)備訂購時(shí)考慮工作使用工況為不頻繁使用，使用等級(jí)選U4，起重機(jī)總工作循環(huán)數(shù)1.25×105＜CT≤2.5×105，較少吊運(yùn)額定載荷，經(jīng)常吊運(yùn)中等或輕量載荷，起重機(jī)的載荷狀態(tài)級(jí)別Q2，載荷譜系數(shù)選用0.125＜KP≤0.250，按照GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求選用A5工作級(jí)別完全滿足使用工況且有一定的安全裕量。由于近期工作量的猛增，使用等級(jí)和載荷狀態(tài)有了較大的提高，起重機(jī)的工作級(jí)別和使用工況不匹配，工作級(jí)別低于實(shí)際使用等級(jí)，造成起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)能力無法滿足實(shí)際需求。針對(duì)起重機(jī)重載溜鉤問題，首先通過建立以下故障樹進(jìn)行分析，故障樹路徑如圖1所示。

圖1 故障樹分析路徑

3.1 電動(dòng)機(jī)與制動(dòng)系統(tǒng)

QB5t防爆橋式起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)采用隔爆型BZDW4.1-6錐形轉(zhuǎn)子制動(dòng)電動(dòng)機(jī)（見圖2），功率為5.0 kW。由于其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、結(jié)構(gòu)簡單、制動(dòng)安全可靠、制動(dòng)無需另外電源、體積小、維修方便，故在起重設(shè)備上普通應(yīng)用。該電動(dòng)機(jī)屬于制動(dòng)電動(dòng)機(jī)，制動(dòng)器在錐形電動(dòng)機(jī)尾端實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子向電動(dòng)機(jī)尾端方向帶動(dòng)多個(gè)活接頭套裝式聯(lián)軸器、連接軸移動(dòng)，錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場產(chǎn)生軸向磁拉力，壓縮制動(dòng)彈簧，使風(fēng)扇制動(dòng)輪與電動(dòng)機(jī)端蓋上的制動(dòng)環(huán)脫開，電動(dòng)機(jī)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。斷電后制動(dòng)器彈簧帶動(dòng)多個(gè)活接頭套裝式聯(lián)軸器、連接軸向電動(dòng)機(jī)前端方向移動(dòng)退回，軸向磁拉力消失，轉(zhuǎn)子在制動(dòng)彈簧的推力下產(chǎn)生軸向移動(dòng)，使風(fēng)扇制動(dòng)輪壓緊制動(dòng)環(huán)，產(chǎn)生摩擦力，完成制動(dòng)。

圖2 YEZ系列錐形轉(zhuǎn)子制動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)

該起重機(jī)的主起升電動(dòng)機(jī)與減速器連接如圖3所示，由于錐形三相電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)完全斷電時(shí)，轉(zhuǎn)子需帶動(dòng)多個(gè)活接頭套裝式聯(lián)軸器、連接軸（長1 200 mm）向電動(dòng)機(jī)前端方向移動(dòng)退回制動(dòng)，因套裝式聯(lián)軸器自重過大、連接軸過長，導(dǎo)致套裝件往復(fù)活動(dòng)時(shí)卡滯，尤其在設(shè)備初裝或維修更換時(shí)，由于設(shè)備安裝尺寸不滿足要求，同心度出現(xiàn)誤差，造成制動(dòng)盤回位不徹底，制動(dòng)力矩不足。在修理過程中更換電動(dòng)機(jī)等部件最易出現(xiàn)此類情況。

圖3 起升機(jī)構(gòu)裝配圖及實(shí)物圖

現(xiàn)場對(duì)連接機(jī)構(gòu)與卷筒進(jìn)行復(fù)查，卷筒無裂紋、轉(zhuǎn)動(dòng)過程無異常噪聲，連接器也未發(fā)現(xiàn)異常，鋼絲繩也無斷股、彎曲現(xiàn)象。出現(xiàn)起重機(jī)溜鉤故障時(shí)卷筒與連接器均處于正常工作狀態(tài)，故卷筒與連接器故障原因可排除。

3.2 減速器

若減速器運(yùn)行齒輪磨損超出極限或負(fù)載齒脫落會(huì)造成溜鉤故障，但此類情況一旦出現(xiàn)，將不能再次起升運(yùn)行，且主起升電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲異常大，主起升機(jī)構(gòu)與卷筒結(jié)構(gòu)脫節(jié)，徹底不能起升或下降?，F(xiàn)場對(duì)減速器內(nèi)部進(jìn)行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)多余物，轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)齒輪完好、吊裝產(chǎn)品是以起升速度勻速下降，減速器屬于正常工作狀態(tài)，故減速器故障原因可以排除。

3.3 主起升電動(dòng)機(jī)

雖然錐形轉(zhuǎn)子制動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、布置方便，但通過觀看現(xiàn)場錄像發(fā)現(xiàn)，頻繁點(diǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)過載，功率模塊發(fā)熱大，系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，制動(dòng)器無法完全閉合和開啟，抱閘無法立即響應(yīng)，導(dǎo)致溜鉤[2]。一種可能是主彈簧出現(xiàn)過松的情況，主起升的制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力矩不夠，無法將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子停住；另一種可能是摩擦面出現(xiàn)了較大的破損或劃傷，導(dǎo)致摩擦片跟制動(dòng)輪接觸面積減少，制動(dòng)力矩不能達(dá)到要求[3]，起升機(jī)構(gòu)制停距離過大從而出現(xiàn)溜鉤故障，故電動(dòng)機(jī)與制動(dòng)系統(tǒng)的故障隱患不可排除。

3.4 電氣控制部分

起升機(jī)構(gòu)采用繼電器接觸器控制方式，由主起升防爆電動(dòng)機(jī)、控制電纜、接觸器、操作手柄等組成，現(xiàn)場對(duì)操作手柄控制線進(jìn)行多次測試均未出現(xiàn)連接不良現(xiàn)象，故操作手柄故障可以排除。電氣控制部分由主電源開關(guān)、主接觸器及繼電器等構(gòu)成主回路，由控制變壓器及控制手柄構(gòu)成控制回路，控制手柄為主令元件，接觸器為執(zhí)行元件，摁下手柄上的按鈕，控制接觸器吸合動(dòng)作，接觸器接觸主電路通電給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)（見圖4、圖5）。由于該設(shè)備屬于防爆起重機(jī)，電氣系統(tǒng)安裝在密封的防爆箱體內(nèi)，頻繁點(diǎn)動(dòng)、長時(shí)間工作會(huì)造成接觸器系統(tǒng)散熱不良，導(dǎo)致接觸器內(nèi)主觸點(diǎn)出現(xiàn)粘連、變形等現(xiàn)象，無法完全斷開接觸器，電動(dòng)機(jī)主回路無法正常斷電，引起接觸器觸點(diǎn)燒毀、粘連等故障。防爆箱的密封結(jié)構(gòu)不利于經(jīng)常性地觀察和維修，電氣控制的故障隱患不可排除。

圖4 接觸器構(gòu)造

圖5 接觸器控制電動(dòng)機(jī)圖解

經(jīng)過分析，認(rèn)為防爆橋式起重機(jī)出現(xiàn)溜鉤故障一種可能是機(jī)械故障。頻繁點(diǎn)動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)器抱閘無法完全閉合時(shí)又打開，使制動(dòng)瓦發(fā)熱，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子制動(dòng)彈簧張力釋放不徹底，使制動(dòng)器復(fù)位開關(guān)未抱死電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，不能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

另一種可能是電氣控制系統(tǒng)接觸器主觸點(diǎn)粘連未完全釋放開（電氣接觸器受熱變形接觸器主接觸點(diǎn)粘連，在反復(fù)多次極端測試時(shí)電氣發(fā)熱極端情況應(yīng)再次、多次出現(xiàn)），而引起電動(dòng)機(jī)停車時(shí)無法正常斷電，出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。

經(jīng)過實(shí)踐檢測檢驗(yàn)，可斷定溜鉤故障為偶發(fā)故障，造成溜鉤的根本原因是經(jīng)常滿載長時(shí)間工作，超出起升機(jī)構(gòu)的工作能力。直接原因一是機(jī)械故障，減速器與錐形電動(dòng)機(jī)連接設(shè)計(jì)不合理，機(jī)械多個(gè)活接頭套裝式聯(lián)軸器自重過大、連接軸過長，頻繁維修更換使得套裝件往復(fù)活動(dòng)時(shí)更易出現(xiàn)卡滯。另外，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)瞬時(shí)過載，轉(zhuǎn)矩保護(hù)導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，電氣接觸器內(nèi)主觸點(diǎn)粘連、變形未完全斷開造成溜鉤故障，都與頻繁點(diǎn)動(dòng)操作有直接關(guān)系。

3 解決方案

更換原有起升機(jī)構(gòu)，將現(xiàn)有主起升機(jī)構(gòu)更換為集成防爆起升機(jī)構(gòu)（見圖6），由于使用者不需要更大的減速比，因此，更換雙速防爆電動(dòng)葫蘆，減少了中間傳動(dòng)系統(tǒng)，起升速度提高，工作效率得以提高，精準(zhǔn)就位時(shí)使用慢速就位以保證精度。并在減速器外側(cè)增加1套附加電磁制動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)主起升動(dòng)作時(shí)電動(dòng)機(jī)側(cè)機(jī)械制動(dòng)器+減速器側(cè)電磁制動(dòng)器雙制動(dòng)系統(tǒng)，使制動(dòng)靈敏度高、制動(dòng)更直接、效果更好。采用雙制動(dòng)形式，可有效減少因電動(dòng)機(jī)故障引起的溜鉤現(xiàn)象，極大地減小發(fā)生機(jī)械故障的幾率，還能保證精準(zhǔn)定位，避免發(fā)生溜鉤[4]。

圖6 集成防爆起升機(jī)構(gòu)

把接觸器繼電器控制系統(tǒng)更換為矢量變頻控制系統(tǒng)（見圖7）。矢量變頻器系統(tǒng)采用IGBT元件控制電路，避免電流的通斷粘連現(xiàn)象，且在矢量模式下，對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流（0～50 Hz）具有很好的力矩控制性能，實(shí)現(xiàn)柔性啟動(dòng)、運(yùn)行。主回路減少了交流接觸器觸點(diǎn)控制，避免了頻繁點(diǎn)動(dòng)造成接觸器觸頭粘連或燒蝕燒損而引起的電動(dòng)機(jī)損壞故障[5]。并且，由于變頻控制驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬、精確定位的優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸出穩(wěn)定，不隨起吊重物的變化而變化。即使頻繁點(diǎn)動(dòng)，起制停時(shí)整機(jī)振動(dòng)和沖擊也明顯減小，對(duì)機(jī)械連接部件的沖擊更小、使制動(dòng)效果更佳、調(diào)速精度更高、運(yùn)行順暢，延長了起重機(jī)機(jī)械部分的壽命。

圖7 矢量變頻控制系統(tǒng)工作原理

為防止起升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)溜鉤，要求變頻器啟動(dòng)信號(hào)早于機(jī)械制動(dòng)器的動(dòng)作信號(hào)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁的時(shí)間使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間與機(jī)械制動(dòng)器的釋放時(shí)間相配合。啟動(dòng)之前先進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁，以保證電動(dòng)機(jī)快速地提供起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過150%額定轉(zhuǎn)矩，甚至考慮超載因素提供200%額定轉(zhuǎn)矩。保證變頻器輸出轉(zhuǎn)矩和機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)切換，提高低速傳動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，有效避免出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。

4 結(jié)語

起重機(jī)溜鉤現(xiàn)象的危害性較大，可能對(duì)設(shè)備造成損壞損失，影響工作效率，對(duì)工作人員造成非常大的安全隱患。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)溜鉤時(shí)必須高度重視，要認(rèn)真分析其原因，經(jīng)常檢查調(diào)整制動(dòng)器，及時(shí)更換磨損超標(biāo)的制動(dòng)盤、閘皮、抱閘輪等元件，以保證制動(dòng)可靠有效；對(duì)不可靠的電氣控制要及時(shí)改進(jìn)；在作業(yè)過程中，避免頻繁點(diǎn)動(dòng)，嚴(yán)格規(guī)范操作，避免發(fā)生安全事故。

該單位另有3臺(tái)同型號(hào)起重機(jī)設(shè)備，針對(duì)此次溜鉤故障對(duì)其余3臺(tái)起重機(jī)進(jìn)行專項(xiàng)檢查，并按上述方案進(jìn)行改造，優(yōu)化集成主起升結(jié)構(gòu)，加裝矢量變頻器，把原有380 V、50 Hz的電流直接控制電動(dòng)機(jī)改為380 V、0～50 Hz的變頻控制電動(dòng)機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)起升、下降動(dòng)作靈敏、制動(dòng)有效，避免溜鉤故障，確保運(yùn)行順暢，安全可靠性大幅提高。