齊 健 劉艷群 劉 軍 柯宏發(fā)

1航天工程大學(xué)航天保障系 北京 102206 2 63601部隊 酒泉 732750

0 引言

在實際起重機空載運行檢查中，行走機構(gòu)制動器失靈更易發(fā)現(xiàn)，能及時處理，危險風(fēng)險??；起升機構(gòu)空載運行時所需的制動力矩較小，即使制動器已處于故障狀態(tài)，依靠卷筒與鋼絲繩的摩擦力、減速器齒輪間的摩擦力以及傳動機構(gòu)間的阻力也能實現(xiàn)制動功能，操作人員不易發(fā)現(xiàn)異常。當(dāng)起吊產(chǎn)品負(fù)載運行時，便會出現(xiàn)負(fù)載制動轉(zhuǎn)矩不夠，導(dǎo)致起升機構(gòu)溜鉤的問題。起升機構(gòu)制動系統(tǒng)失效具有隱藏迷惑性，是起重機設(shè)備使用的一個重要安全隱患，故提高起重機起升機構(gòu)制動系統(tǒng)的工作可靠性、安全性研究十分必要。本文研究了起重機起升機構(gòu)的電力液壓制動系統(tǒng)，主要針對液壓推桿制動器工作原理及使用情況進行了分析，提出了起升機構(gòu)溜鉤的有效防治措置[1]。并通過優(yōu)化起升機構(gòu)制動系統(tǒng)的控制電路和控制軟件，實現(xiàn)了起升機構(gòu)溜鉤的自動應(yīng)急處理，提高起重機設(shè)備的安全性和可靠性。

1 起升機構(gòu)溜鉤原因分析

起升機構(gòu)溜鉤的主要原因有2種：一是制動器抱閘力矩不夠，無法克服負(fù)載力矩而出現(xiàn)下滑，另一種是因機械卡滯或電控故障導(dǎo)致制動器無法正常抱閘。制動器制動性能主要受制動力矩、制動松閘間隙和閘瓦退距的影響。依據(jù)液壓推桿制動器工作原理，建立起重機設(shè)備起升機構(gòu)溜鉤問題故障樹（見圖1），起升機構(gòu)出現(xiàn)溜鉤問題的主要原因為制動器故障、控制元件故障、負(fù)載過大[2]。

圖1 起升機構(gòu)溜鉤問題故障樹

1.1 制動器故障

液壓推桿制動器故障主要包括制動輪有油污、制動器調(diào)整不當(dāng)和制動器機械卡滯等原因。

1）制動輪有油污 制動輪上如果有油污會導(dǎo)致制動閘瓦與制動輪之間的摩擦系數(shù)變小，制動器抱閘時摩擦力不足會導(dǎo)致吊重物時停車下滑問題。制動輪上的油污主要來源于制動輪相連的齒輪聯(lián)軸器中的潤滑脂，潤滑脂油量過多或油封破損均會在制動輪運轉(zhuǎn)過程中將潤滑油甩濺至制動輪上[3]。

2）制動器調(diào)整不當(dāng) 制動松閘間隙過大或制動力矩過小均會導(dǎo)致制動器制動力減小，吊鉤出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。此外，制動器處于抱閘制動狀態(tài)時，制動輪和制動閘瓦之間應(yīng)貼合緊密無間隙，如有間隙則制動閘瓦浮貼在制動輪上，制動力不能完全施加在制動輪上，導(dǎo)致制動力矩減小。正常狀態(tài)下制動閘瓦與制動輪之間的接觸面應(yīng)該在75%以上。

液壓推桿上必須預(yù)留一定的補償行程（標(biāo)準(zhǔn)為10～20 mm），以補償制動閘瓦磨損變薄及運行振動引起制動間隙變化導(dǎo)致制動力矩變小。如果補償行程不足，小于最小補償行程值，則制動器不能可靠制動。

3）制動器機械卡滯 制動支架活動鉸接部位轉(zhuǎn)動不靈活，制動彈簧機械卡滯，導(dǎo)致制動器斷電后沒有可靠抱閘，仍處于松閘狀態(tài)，則吊鉤在吊物重力作用下滑落。

1.2 控制元件故障

起重機設(shè)備采用變頻調(diào)速方式，其在低頻下變頻器輸出工作電壓過低，不能驅(qū)動控制液壓推桿制動器正常工作，故液壓推桿制動器控制回路設(shè)計時需獨立于電動機控制回路。但相對于制動電壓從電動機接線端引入的方式，存在制動器推動器工作電動機與電動機斷電不一致性，從而存在溜鉤風(fēng)險[4]。

制動器控制回路主要包括繼電器、接觸器和PLC。從使用情況分析，PLC工作可靠性高、軟件均經(jīng)過工程化測試和管理，出現(xiàn)故障的概率低。但繼電器和接觸器在使用過程中多次出現(xiàn)動靜銜鐵粘連、機械卡滯等問題，均會導(dǎo)致機構(gòu)停機后制動器供電回路無法斷開或斷電延遲，停車后制動器不能正常抱閘，吊鉤在吊物重力作用下出現(xiàn)下滑問題。

1.3 負(fù)載過大

吊物過重并超過額定負(fù)載會導(dǎo)致負(fù)載力矩過大，超過液壓推桿制動器的制動力矩時也可能會導(dǎo)致制動器溜鉤[5，6]。

目前，起重機設(shè)備均設(shè)有超載限制器，吊裝產(chǎn)品超過額定載荷90%時會報警提示，超過額定載荷110%時便會超載保護停機，故存在超載引起制動器溜鉤問題的可能性較小。

2 液壓推桿制動器控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 起重機設(shè)備起升機構(gòu)液壓制動器應(yīng)用現(xiàn)狀

對于一些應(yīng)用在安全性要求較高場所的起重機，起升機構(gòu)均采用雙液壓推桿制動器冗余設(shè)計，以提高制動系統(tǒng)的安全可靠性。在起重機設(shè)備年檢中要求測量制動器松閘間隙，并進行單制動器抱閘試驗（即1個制動器實現(xiàn)制動作用），2項檢測項目中僅需要1個制動器制動抱閘工作，另一個處于松閘狀態(tài)。目前常用的液壓推桿制動器有2類：一類是帶手動松閘裝置，可利用手柄裝置抬起制動器推桿；另一類無手動松閘裝置，一般使用撬杠強制抬起制動器推桿實現(xiàn)松閘。

在實際應(yīng)用中，完成上述2項檢測項目后極易造成制動器兩側(cè)松閘間隙的不均等，主要原因是人為制動器松閘過程中會導(dǎo)致制動架受力不平衡，杠桿發(fā)生細(xì)微錯位變化。如果兩側(cè)松閘間隙存在較嚴(yán)重的不均等，且補償行程不足情況下，會導(dǎo)致一側(cè)制動襯墊在制動抱閘狀態(tài)下出現(xiàn)浮貼制動輪的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響制動作用。因此，采用人為制動器松閘方式存在安全風(fēng)險，若使用正常制動器松閘方式就能消除此種風(fēng)險，則需對制動器控制電路進行改進設(shè)計[7，8]。

2.2 控制電路的優(yōu)化設(shè)計

起重機設(shè)備起升機構(gòu)液壓推桿制動器控制電路如圖2所示，采用1個接觸器同時控制雙液壓推桿制動器工作，正常操作使用時，SK1開關(guān)處于斷開狀態(tài)，繼電器KA2由PLC的制動器輸出控制，繼電器KA1為變頻器的制動器輸出控制；為了產(chǎn)品的吊裝安全，2個繼電器控制觸點為串聯(lián)關(guān)系，當(dāng)任一繼電器斷電時，接觸器KMZ1線圈失電，可實現(xiàn)制動器A、B同時斷電抱閘。當(dāng)PLC、手控盒、控制臺或通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，正常操作使用的DP通訊控制方式無法工作時，閉合開關(guān)SK1，屏蔽掉PLC對制動器的輸出控制，此時2個制動器的控制僅有變頻器輸出KA1控制，以實現(xiàn)PLC故障狀態(tài)下的應(yīng)急操作，原理同上。

圖2 制動器控制電路圖

為實現(xiàn)起重機設(shè)備起升機構(gòu)雙制動器在單抱閘試驗時能單獨控制，以便保持制動器工作狀態(tài)不被破壞和改變，同時又不影響雙制動器的工作可靠性，通過分析對制動器控制電路改動設(shè)計如圖3所示。通過設(shè)置2個接觸器KMZ1和KMZ2，每個制動器均設(shè)置單獨的接觸器控制，改進后制動器控制有4種工作狀態(tài)。

1）正常操作運行時雙制動器工作狀態(tài) SK1、SK2、SK3開關(guān)斷開，制動器接觸器KMZ1、KMZ2由PLC輸出控制繼電器KA1和變頻器輸出控制繼電器KA2共同控制，繼電器KA1、KA2任一斷電時，接觸器KMZ1、KMZ2線圈失電，即可實現(xiàn)制動器A、B 同時斷電抱閘。

2）當(dāng)PLC出現(xiàn)異常，采用應(yīng)急操作時雙制動器工作狀態(tài) 閉合開關(guān)SK1，斷開開關(guān)SK2、SK3，繼電器KA1無法由PLC輸出控制時，制動器控制接觸器KMZ1、KMZ2由變頻器輸出控制繼電器KA2單獨同控制，繼電器KA2得電吸合，接觸器KMZ1、KMZ2線圈得電工作，制動器A和制動器B松閘；停機后，繼電器KA2斷電，控制接觸器KMZ1、KMZ2線圈失電，即可實現(xiàn)制動器A、B同時斷電抱閘。

3）單制動器單抱閘試驗 SK2開關(guān)斷開，SK1、SK3開關(guān)閉合，接觸器KMZ2線圈始終得電，制動器B一直處于松閘狀態(tài)，變頻器停止工作時，繼電器KA2斷電時，接觸器KMZ1線圈失電，僅制動器A斷電抱閘，檢驗制動器A單制動抱閘制動能力或測量制動器B的松閘間隙；SK3開關(guān)斷開，SK1、SK2開關(guān)閉合，接觸器KMZ1線圈始終得電，制動器A一直處于松閘狀態(tài)，繼電器KA2斷電時，接觸器KMZ2線圈失電，僅制動器B斷電抱閘，檢驗制動器B單制動抱閘制動能力或測量制動器A的松閘間隙。

4）單制動器控制回路故障時的應(yīng)急操作 相對于原設(shè)計只有1個接觸器控制2個制動器，采用雙接觸器分別控制的方式提供了控制線路冗余的措施。當(dāng)1個制動器的控制元件或控制線路出現(xiàn)問題不能松閘時，通過在轉(zhuǎn)接箱內(nèi)就近將制動器供電電源線路短接（如圖3中虛線部分），可實現(xiàn)1個接觸器控制回路控制2個制動器的應(yīng)急操作，特別針對接觸器輸出到制動器推動器的電源線路故障，是最有效且可靠的應(yīng)急處置方法。

圖3 優(yōu)化后制動器控制電路圖

2.3 檢測回路設(shè)計

當(dāng)制動器控制回路的繼電器和接觸器在使用過程中出現(xiàn)動靜銜鐵粘連、機械卡滯等問題時，會導(dǎo)致機構(gòu)停機后制動器供電回路無法斷開或斷電延遲，停車后制動器不能正常抱閘；或制動器的制動支架活動鉸接部位轉(zhuǎn)動不靈活，制動彈簧機械卡滯，導(dǎo)致制動器斷電后沒有可靠抱閘，仍處于松閘狀態(tài)，這些情況下吊鉤在吊物重力作用下均會滑落。因而，即使制動器制動信號正常發(fā)出，仍存在溜鉤風(fēng)險，還需檢測制動器是否動作到位。

增加制動器打開到位行程開關(guān)，考慮到起重機存在正常使用和應(yīng)急使用模式，故將到位信號送PLC控制器參與制動控制；同時也將到位信號直接點亮到位信號燈，供使用者掌握制動器實際動作情況。

3 起升機構(gòu)溜鉤問題處置的軟件優(yōu)化

3.1 總體思路

由于引起起重機設(shè)備起升機構(gòu)溜鉤的因素較多，現(xiàn)有技術(shù)條件并不能保證產(chǎn)品吊裝過程中不會出現(xiàn)溜鉤，完全滿足高安全性要求。因此，需要對控制軟件進行優(yōu)化，監(jiān)控和應(yīng)急處置起重機設(shè)備起升機構(gòu)液壓推桿制動器溜鉤問題，以保障吊裝產(chǎn)品的安全。

目前，起重機設(shè)備普遍采用PLC實現(xiàn)集中監(jiān)控，變頻器驅(qū)動控制各機構(gòu)電動機實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)和運行方向的改變。為提高起升機構(gòu)的速度調(diào)節(jié)精度，同時避免機構(gòu)出現(xiàn)超速和失速，起升機構(gòu)電動機軸端均安裝有測速編碼器以實現(xiàn)對起升機構(gòu)電動機的速度閉環(huán)控制。編碼器除了實現(xiàn)變頻器對電動機的速度閉環(huán)控制外，通過軟件數(shù)據(jù)處理，還可實現(xiàn)起升機構(gòu)位置信息的測量[9]。

無論是因機械卡滯或電氣元件故障引起的制動器未抱閘制動，還是制動器調(diào)整維護不到位引起的制動力矩不夠而造成的溜鉤問題，都必然會導(dǎo)致起升機構(gòu)位置值的變化。通過對起升機構(gòu)停機后其位置值變化的測量，軟件監(jiān)控系統(tǒng)便可監(jiān)測并判斷起升機構(gòu)是否溜鉤，控制系統(tǒng)則可自動采取相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。

通常起重機起升機構(gòu)采用提升機專用變頻器，具有零速保持功能，即電動機靜止不動的情況下，通過輸入相應(yīng)的勵磁電流，也能保證額定載荷下不下滑溜鉤。因此，在軟件監(jiān)測到起升機構(gòu)出現(xiàn)溜鉤問題時，通過PLC輸出控制變頻器，驅(qū)動控制起升機構(gòu)電動機在零速下保持靜止不動，以避免出現(xiàn)因制動器溜鉤而造成對吊裝產(chǎn)品的損壞[10]。

3.2 故障判別和軟件處理優(yōu)化

3.2.1 溜鉤問題的軟件判別方法

在起重機設(shè)備的使用中，控制軟件在計算各機構(gòu)行程時，由于起重機設(shè)備各機構(gòu)位置的零位與所使用的編碼器零位并不相同，為補償各機構(gòu)位置零位和編碼器零位的偏差，通常增加1個初始位置s初，故起重機各機構(gòu)最終顯示和參與控制位置的位置值是由初始位置和計算行程來確定的，即

式中：k為電動機轉(zhuǎn)子角度行程與運行機構(gòu)線性行程比例系數(shù)，s＇為變頻器根據(jù)接收到的編碼器脈沖量計算得出的行程量。

PLC軟件進行位置計算時，實際變化的只有PLC從變頻器中讀取的變頻器內(nèi)編碼器脈沖數(shù)值。因此，只要判斷在變頻器停止工作（PI1=0）時，在程序的1個掃描周期內(nèi)讀取的變頻器內(nèi)編碼器數(shù)值變化量Δs≥100，便可判斷電動機斷電情況下制動器失效而導(dǎo)致起升機構(gòu)溜鉤，發(fā)出零速控制指令，起重機設(shè)備溜鉤問題PLC軟件判斷流程如圖4所示。

圖4 制動器溜鉤問題判斷流程圖

3.2.2 制動器溜鉤問題的軟件應(yīng)急處理措施

控制軟件判別出起升機構(gòu)溜鉤后，PLC需通過通訊控制網(wǎng)絡(luò)給變頻器發(fā)送零速正向運行的指令，以使電動機輸入相應(yīng)的勵磁電流，產(chǎn)生提升轉(zhuǎn)矩以平衡吊裝產(chǎn)品質(zhì)量帶來的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，避免吊裝產(chǎn)品繼續(xù)下滑帶來的危害。圖5為起重機設(shè)備起升機構(gòu)溜鉤問題處理程序示意圖，應(yīng)急處理程序中設(shè)置3個中間變量M0.1、M0.2和M0.3，變量M0.1存儲行程檢測位置變動，超過設(shè)定值為1（高電平），否則為0（低電平）；變量M0.2判斷變頻器工作狀態(tài)，讀取的是變頻器的狀態(tài)字PI1，0（停止）是高電平，1（正轉(zhuǎn)）和-1（反轉(zhuǎn)）為低電平。變量M0.1、M0.2均為高電平時，輸出變量M0.3，作為PLC發(fā)送控制指令給變頻器實現(xiàn)零速保持功能的條件，同時輸出故障報警Q0.3，既可以聲光報警，也可以在工控機或觸摸屏上顯示起升機構(gòu)溜鉤的故障信息。為了保持PLC發(fā)送控制指令給變頻器，避免因變頻器停機狀態(tài)（變量M0.2）變化帶來的影響，設(shè)置了變量M0.3的軟件自保持電路，故障排除之前，使其始終保持零速保持狀態(tài)。當(dāng)人為確認(rèn)故障已排除，產(chǎn)品處于安全狀態(tài)時，可通過功能鍵（故障屏蔽I0.2）解除應(yīng)急處置，PLC給變頻器發(fā)送停止指令，電動機停止運轉(zhuǎn)，制動器抱閘。

圖5 起升機構(gòu)溜鉤問題應(yīng)急處理程序示意圖

4 液壓推桿制動器的日常防治措施

4.1 液壓推桿制動器安裝與調(diào)整

液壓推桿制動器的調(diào)整包括制動力矩、制動松閘間隙和補償行程的調(diào)整，在制動器初裝和更換新閘瓦后必需進行制動器的各項調(diào)整，在使用過程中如果無異常情況一般無需調(diào)整。

制動器是根據(jù)制動力矩來選擇的，起升機構(gòu)的制動力矩Mzh為

式中：Kzh為制動安全系數(shù)，重型機構(gòu)每個制動器的安全系數(shù)為2；Mj為制動輪的制動靜力矩；Q為起重量；m為滑輪組倍率；D為卷筒直徑；η為機構(gòu)沖動效率（0.85～0.9）；i為機構(gòu)速比。

實際使用中，制動器選型后，制動器制動力矩的最大值在出廠時已設(shè)定，現(xiàn)場需根據(jù)起重機額定負(fù)載試驗情況在最大值和50%最大值內(nèi)選擇和調(diào)整合適值。

制動松閘間隙的大小影響制動響應(yīng)時間和制動力矩，其大小應(yīng)適中。間隙過小一方面會使鋼絲繩承受過大的沖擊負(fù)荷，對起重機橋架產(chǎn)生較大振動，另一方面易導(dǎo)致制動輪與閘瓦產(chǎn)生運行干涉，出現(xiàn)異常發(fā)熱和噪音；間隙過大會導(dǎo)致制動力矩下降。制動松閘間隙根據(jù)制動器規(guī)格不同，其大小要求也不同。制動輪越大則制動松閘間隙越大，且隨著制動閘瓦襯墊的磨損而逐漸增大，需在規(guī)定時間內(nèi)檢測和調(diào)整，制動松閘間隙一般為0.6～1.2 mm。制動松閘間隙通過轉(zhuǎn)動制動拉桿來調(diào)整。

液壓推桿的行程包括工作行程和補償行程2部分，非工作狀態(tài)下伸出液壓缸的活塞桿長度為補償行程，推動器工作時活塞桿再伸出的部分為工作行程；補償行程主要是補償閘瓦長期磨損導(dǎo)致的制動間隙變化，以避免實際作用在制動輪上的制動力矩減小。為安全起見，制動補償行程一般設(shè)置10～20 mm，最小補償行程為6 mm，當(dāng)補償行程低于最小補償行程時，便不能保證足夠的制動力矩，易出現(xiàn)溜鉤問題。補償行程也是通過轉(zhuǎn)動制動拉桿來調(diào)整。

4.2 制動器的檢查與維護

起重機設(shè)備運行前應(yīng)檢查項目包括：1）制動閘瓦摩擦面是否有影響摩擦力的油污及其他雜質(zhì)；2）制動器抱閘后制動輪與制動閘瓦襯墊之間應(yīng)接觸緊密、無間隙；3）制動輪的制動面不得有銹蝕、油污、不平滑等缺陷；4）制動閘瓦襯墊的磨損情況，若制動襯墊有效磨損厚度＜3 mm時應(yīng)更換，每換一次都應(yīng)重新調(diào)整；5）補償行程是否滿足使用要求；6）制動彈簧有無斷裂，工作長度是否有變化；7）液壓推動器液壓油的數(shù)質(zhì)量檢查；8）檢查測量制動器松閘間隙是否滿足使用要求。

使用過程中的檢查內(nèi)容包括：1）推動工作行程（即閘瓦退距）是否正常；2）制動彈簧工作中有無卡滯；3）制動架的活動鉸接點是否卡滯，導(dǎo)致制動器的開啟和閉合動作緩慢或不動作，如出現(xiàn)卡滯則及時打磨銷軸和進行潤滑處理；4）制動輪和制動襯墊有無摩擦發(fā)熱和異常噪聲；5）檢查液壓推動器工作情況，活塞桿是否因缺油或進有氣體而導(dǎo)致不能伸出到位；6）對起升機構(gòu)做額定載荷的單抱閘，考驗單制動器制動性能時，應(yīng)在單抱閘制動狀態(tài)下持續(xù)一段時間，時間太短無法看出制動器是否有溜鉤問題，無法檢驗單個制動器制動力矩能否滿足使用要求，不能保證單制動器工作的有效性和可靠性。

5 結(jié)論

本文針對起重機起升機構(gòu)溜鉤問題，結(jié)合液壓推桿制動器工作原理及使用情況，對起升機構(gòu)制動失效機理進行了分析，結(jié)合起重機設(shè)備液壓推桿制動器控制原理，提出了其控制電路和控制軟件的優(yōu)化方案，并從安裝調(diào)試和維護使用方面提出了有效的防治措施，提高了起重機設(shè)備使用的安全性和可靠性。