吳軍

(河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司 河南新鄉(xiāng)市453400)

1 前言

1821年，世界上第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)雛形由英國(guó)物理學(xué)家法拉第完成，其工作原理是通電線圈在磁場(chǎng)中受到力的作用(或磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用)。10年后，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，根據(jù)這一現(xiàn)象他又制成了世界上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)模型，這里所說(shuō)的磁場(chǎng)就是永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。在沒(méi)有以釹鐵硼為代表的高磁能積永磁材料出現(xiàn)之前，由于鐵氧體磁能積僅有3.5-4.5 J/m3，所以無(wú)法生產(chǎn)制造大功率的電動(dòng)機(jī)，以通電線圈形成勵(lì)磁代替永磁成為電動(dòng)機(jī)的首選。

1983年6月和9月，日本住友特殊金屬株式會(huì)社和美國(guó)通用汽車公司先后獨(dú)立研制成功新型永磁材料釹鐵硼后，我國(guó)便相繼開(kāi)始稀土釹鐵硼永磁電機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)。由于中國(guó)稀土礦的儲(chǔ)量居世界首位，燒結(jié)釹鐵硼永磁的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的四分之三，這一得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)為中國(guó)稀土永磁電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用提供了極為有利的條件。

釹鐵硼磁能積30-50 J/m3，有的甚至達(dá)到200 J/m3，且隨著釹鐵硼價(jià)格的不斷下降，使低速大扭矩電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)推廣成為可能。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、電動(dòng)機(jī)制造企業(yè)先后生產(chǎn)出了高達(dá)數(shù)百千瓦的電動(dòng)機(jī)，也出現(xiàn)了以永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)機(jī)+減速器+制動(dòng)器+卷筒組的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)。作為新生事物，現(xiàn)行起重機(jī)的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)均未涉及，所以起重機(jī)制造企業(yè)、使用企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)能否作為起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)使用存在不同認(rèn)識(shí)。

2 永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)原理

永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)利用永磁同步電機(jī)外轉(zhuǎn)子的外殼作為卷筒，內(nèi)部是永磁同步電機(jī)的定子，定子兩端為剛性支撐底座，如圖1。通電后，卷筒帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)行，完成起重機(jī)的升降動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)。永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)采用了低速大扭矩電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)、智能化控制技術(shù)、安全制動(dòng)技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)潔，和傳統(tǒng)的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)相比，永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)無(wú)減速器、無(wú)高速軸制動(dòng)器、無(wú)聯(lián)軸器等。采用此種結(jié)構(gòu)，所有機(jī)械傳動(dòng)部件(滾珠絲杠副、齒條與齒輪、傳動(dòng)皮帶/皮帶輪以及齒輪箱等)均被取消，消除了由機(jī)械傳動(dòng)帶來(lái)的反向間隙、柔度以及與之相關(guān)的其它問(wèn)題，從傳動(dòng)形式、節(jié)電、安全性及工作效率上對(duì)起重行業(yè)起升機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行了大幅提升。

圖1 永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)示意圖

3 永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)安全性分析

鑄造起重機(jī)在起重機(jī)產(chǎn)品的門類里是較為特殊的一個(gè)門類，特殊在于鑄造起重機(jī)吊運(yùn)的是熔融金屬，一旦出現(xiàn)事故，后果不可想象。

所以為保證永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)的安全，只要能夠說(shuō)明永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)滿足GB/T 7688.5-2012《冶金起重機(jī)技術(shù)條件 第5部分：鑄造起重機(jī)》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 7688.5)[1]對(duì)起升機(jī)構(gòu)要求，那么就可以說(shuō)明，在通用的橋門式起重機(jī)上，采用永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是可行的。

為了確保安全，GB/T 7688.5[1]的4.5部分對(duì)鑄造起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，做出了明確的規(guī)定(僅列出因起升機(jī)構(gòu)改變，導(dǎo)致可能不符合要求的條款)：

“4.5.1每套主起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的驅(qū)動(dòng)軸上應(yīng)裝設(shè)兩套符合JB/T6406[3]或JB/T7020[4]要求且能獨(dú)立工作的制動(dòng)器，每套制動(dòng)器的安全系數(shù)應(yīng)符合GBT3811-2008中6.1.1.3.13c[2]的規(guī)定?！?/p>

“4.5.2起升機(jī)構(gòu)(電動(dòng)葫蘆除外：傳動(dòng)鏈應(yīng)滿足下列條件之一：

1)主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置兩套驅(qū)動(dòng)裝置，并在輸出軸剛性連接；

2)主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置兩套驅(qū)動(dòng)裝置，在輸出軸上無(wú)剛性連接時(shí)或主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)均應(yīng)在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動(dòng)器；

注：兩套驅(qū)動(dòng)裝置指兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)、兩套減速系統(tǒng)、一套或多套卷筒裝置和四套制動(dòng)器?！?/p>

“4.5.9起升機(jī)構(gòu)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)先通電，制動(dòng)器后打開(kāi)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)失電后，高速軸制動(dòng)器應(yīng)立即制動(dòng)?！?/p>

“4.5.11主起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器的控制，應(yīng)有防止因一個(gè)接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。”

3.1 永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是否符合GB/T 7688.5[1]中4.5.1條的規(guī)定

GB/T 7688.5中規(guī)定：“4.5.1每套主起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的驅(qū)動(dòng)軸上應(yīng)裝設(shè)兩套符合JB/T6406[3]或JB/T7020[4]要求且能獨(dú)立工作的制動(dòng)器，每套制動(dòng)器的安全系數(shù)應(yīng)符合GB/T3811-2008[2]中6.1.1.3.13c)的規(guī)定”。按常規(guī)理解及我國(guó)現(xiàn)有鑄造起重機(jī)的實(shí)際現(xiàn)狀，此條中的兩套獨(dú)立工作的制動(dòng)器是指安裝在減速器高速軸上或二級(jí)高速軸上(起升機(jī)構(gòu)采用一個(gè)行星減速器帶動(dòng)兩個(gè)普通減速器品字型布置時(shí))，永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是以永磁同步電機(jī)外轉(zhuǎn)子的外殼作為卷筒，直接卷繞鋼絲繩實(shí)現(xiàn)對(duì)重物起升和下降，省去了減速環(huán)節(jié)，沒(méi)有了減速器，也就沒(méi)有了高速級(jí)與低速級(jí)的分別。永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器采用是電磁鉗盤制動(dòng)器制動(dòng)外轉(zhuǎn)子的突緣部分，如圖2。一般認(rèn)為，永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)的“減速器高速軸上或二級(jí)高速軸上”未安裝獨(dú)立工作的制動(dòng)器是不符合要求的。

圖2 采用永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)

但是，GB/T 7688.5中的4.5.1條中并沒(méi)有特別指明兩套獨(dú)立工作的制動(dòng)器是安裝在高速級(jí)還是低速級(jí)。此條中的“符合JB/T6406或JB/T7020要求”的制動(dòng)器分別是電力液態(tài)鼓式制動(dòng)器和電力液壓盤式制動(dòng)器，符合這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制動(dòng)器是不是適宜做低速級(jí)制動(dòng)器？在起重機(jī)上，尚未見(jiàn)使用的先例。

所以永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是否符合GB/T 7688.5中4.5.1條的規(guī)定，其核心問(wèn)題是：裝在卷筒上的安全制動(dòng)器是否可以作為工作制動(dòng)器使用？如果可以作為工作制動(dòng)器使用，至于制動(dòng)器的數(shù)量、控制等問(wèn)題都將迎刃而解！

3.2 永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是否符合GB/T 7688.5中4.5.2條的規(guī)定

永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子做為卷筒使用，其實(shí)質(zhì)是一臺(tái)低速大扭矩電動(dòng)機(jī)，即起升機(jī)構(gòu)有一套驅(qū)動(dòng)裝置、卷筒設(shè)置有安全制動(dòng)器，所以符合GB/T 7688.5中4.5.2的b款：“主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)均應(yīng)在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動(dòng)器”。

這里也需提出，盡管GB/T 7688.5中4.5.2條中款沒(méi)有明確安全制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)形式是液壓還是電磁，但一般理解和實(shí)際工程應(yīng)用，安全制動(dòng)器是指液壓盤式制動(dòng)器。之所以不采用電磁制動(dòng)器，主要原因在于電磁制動(dòng)器較液壓盤式制動(dòng)器上閘時(shí)間更短，易給傳動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊，可能會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)鏈上的零部件損壞。

3.3 永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是否符合GB/T 7688.5中4.5.9條的規(guī)定

GB/T 7688.5中4.5.9條是對(duì)起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器的控制提出的要求，對(duì)于永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)而言，此條與GB/T 7688.5中4.5.1條相同，在于理解安裝在永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)上的安全制器是什么性質(zhì)的制動(dòng)器，是安全制器還是工作制動(dòng)器？如果理解為工作制動(dòng)器，現(xiàn)有的電氣控制技術(shù)完全可以保證電動(dòng)機(jī)先通電制動(dòng)器后打開(kāi)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)失電后制動(dòng)器應(yīng)立即制動(dòng)，也就符合GB/T 7688.5中4.5.9條的要求。

3.4 永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)是否符合GB/T 7688.5中4.5.11條的規(guī)定

GB/T 7688.5中4.5.11條是對(duì)制動(dòng)器控制提出的要求，目前對(duì)于鑄造起重機(jī)，不論是工作制動(dòng)器還是安全制動(dòng)器均采用冗余控設(shè)計(jì)，以防止因一個(gè)接觸器損壞、粘連造成控制失效。所以永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)滿足此條規(guī)定不是問(wèn)題。

4 安全制動(dòng)器可否做為工作制動(dòng)器使用

目前，鑄造起重機(jī)上所使用的安全制動(dòng)器均為液壓驅(qū)動(dòng)、控制。安全制動(dòng)器在通電后液壓松閘，斷電后彈簧上閘，即為常閉型制動(dòng)器。安全制動(dòng)器在下述情況下投入使用：

1)在工作制動(dòng)器上閘失效時(shí)；

2)在高速軸聯(lián)軸節(jié)斷裂，減速機(jī)軸或減速機(jī)齒輪斷裂時(shí)；

3)卷筒斷軸時(shí)；

4)其他原因使吊具超出設(shè)定運(yùn)行速度時(shí)。

上述四種工況的表現(xiàn)都是卷筒超出設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其信號(hào)來(lái)自電動(dòng)機(jī)軸的編碼器和卷筒軸編碼器。其中，在第一種工況下，另外一個(gè)參照信號(hào)可以來(lái)自工作制動(dòng)器的松閘/上閘指示開(kāi)關(guān)，即PLC對(duì)工作制動(dòng)器給出上閘指令后，工作制動(dòng)器的松閘/上閘指示開(kāi)關(guān)將在一定的時(shí)間內(nèi)反饋一個(gè)正確的信號(hào)，如果該信號(hào)有誤，這時(shí)安全制動(dòng)器將會(huì)制動(dòng)。

安全制動(dòng)器的上閘指令來(lái)自PLC，安全制動(dòng)器在接到上閘指令后安全制動(dòng)器泵站電控箱給泵站電機(jī)和液壓系統(tǒng)閥件斷電，安全制動(dòng)器液壓缸里的高壓油迅速回到油箱，安全制動(dòng)器可在0.3s內(nèi)上閘。松閘時(shí)間為1.3s，制動(dòng)時(shí)下滑距離一般為100mm。

目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)口的安全盤式制動(dòng)器主要來(lái)自德國(guó)、法國(guó)，國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn)，但勻按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

按照GB/T 7688.5對(duì)制動(dòng)器使用要求來(lái)看，安全制動(dòng)器作為工作制動(dòng)器使用是可行的，也完全滿足GB/T 7688.5的規(guī)定。

5 安全制動(dòng)器的使用現(xiàn)狀

由于安全制動(dòng)器均安裝在起升機(jī)構(gòu)的低速端，制動(dòng)力矩大，而且僅在緊急狀態(tài)時(shí)工作，安全制動(dòng)器還有不少的技術(shù)難題需要攻克。

1)安全制動(dòng)器的生產(chǎn)、制造無(wú)相應(yīng)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)外的生產(chǎn)企業(yè)均根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)制造。

2)安全制動(dòng)器的安全系數(shù)大小，無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。安全系數(shù)大小在GB/T3811—2008[2]《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 7688.5、FEM標(biāo)準(zhǔn)中均未具體給出，安全制動(dòng)器廠家的一般推薦數(shù)值為≥1.5，如果安全系數(shù)取值過(guò)大，制動(dòng)時(shí)會(huì)給起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈上的零部件造成較大的沖擊荷，甚至導(dǎo)致傳動(dòng)鏈上的零部件損壞。

3)起重機(jī)突然斷電或安全制動(dòng)器出現(xiàn)誤動(dòng)作時(shí)，由于安全制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間短，一般會(huì)先于工作制動(dòng)器上閘，在低速軸上施加一個(gè)很大的制動(dòng)力矩，使低速軸在短時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但高速軸上的電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)輪(盤)等具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也要在短時(shí)間內(nèi)消耗掉，給傳動(dòng)系統(tǒng)造成很大的沖擊載荷，可能導(dǎo)致傳動(dòng)鏈上的零部件損壞。某公司為國(guó)內(nèi)一鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的鑄造起重機(jī)就曾出現(xiàn)過(guò)安全制動(dòng)器誤動(dòng)作，使高速軸聯(lián)軸器損壞、電動(dòng)機(jī)飛出去的事故。

對(duì)于永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)，沒(méi)有了常規(guī)的減速器、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)輪(盤)、聯(lián)軸器等，所以可有效地避免此類事故的發(fā)生。

4)安全制動(dòng)器長(zhǎng)期處于不工作狀態(tài)，僅在緊急狀態(tài)時(shí)參與工作，維護(hù)保養(yǎng)常被忽略。而且，一臺(tái)安全制動(dòng)器從起重機(jī)出廠到起重機(jī)報(bào)廢，幾乎就不會(huì)參與工作，所以在緊急狀態(tài)時(shí)，安全制動(dòng)器能否起到安全作用，存疑。

5)和機(jī)械控制、電氣控制相比，液態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性差，能否在事故時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作，存疑。

把電磁鉗盤式制動(dòng)器作為安全制動(dòng)器使用時(shí)，對(duì)于鑄造起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)而言，也同樣存在上面難題。

鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)安裝安全制動(dòng)器，是太原重工股份有限公司上世紀(jì)80～90年代引進(jìn)吸收德國(guó)的技術(shù)，在德國(guó)由于鑄造起重機(jī)后期的生產(chǎn)數(shù)量很小，安全制動(dòng)器在鑄造起重機(jī)上的使用比中國(guó)還少，而且由于上述種種原因，輸出軸剛性連接成為鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)的首選。

6 結(jié)論

本文對(duì)標(biāo)GB/T 7688.5-2012《冶金起重機(jī)技術(shù)條件 第5部分：鑄造起重機(jī)》中起升機(jī)構(gòu)的安全條款，論證了永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)的安全性。得出結(jié)論：

1)永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)符合GB/T 7688.5中4.5.2的b款：“主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)均應(yīng)在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動(dòng)器”。

2)起重機(jī)設(shè)計(jì)者、使用方之所以有疑慮的焦點(diǎn)是：裝在卷筒上的安全制動(dòng)器是否可以理解為工作制動(dòng)器并作為工作制動(dòng)器使用。

3)當(dāng)安裝在外轉(zhuǎn)子上制動(dòng)器的可靠性可以有效保證時(shí)，此制動(dòng)器既可當(dāng)安全制動(dòng)器使用，也可作為工作制動(dòng)器使用。

4)作為一項(xiàng)新技術(shù)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)尚未將其包含其中。

所以，根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀及現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在永磁直驅(qū)電機(jī)質(zhì)量可靠的情況下，從形式及安全性分析，永磁直驅(qū)起升機(jī)構(gòu)完全可在鑄造起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)上使用，當(dāng)然也可以在通用橋、門式的起升機(jī)構(gòu)及其它起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)上使用。