池永兵

北京市特種設備檢驗檢測研究院 北京 100029

1 基本情況

2021年，某廠操作人員進行吊裝作業(yè)，吊裝設備質(zhì)量為3 t，將產(chǎn)品吊裝離地面2.5 m左右時起升機構出現(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，起重機制動系統(tǒng)均無響應，直到產(chǎn)品持續(xù)下降落地，整個溜鉤過程持續(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，制動時間調(diào)整的非常短以實現(xiàn)快速制動，且為準確就位經(jīng)常出現(xiàn)頻繁點動操作，但在懸吊設備重新啟動時經(jīng)常出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。隨后技術人員對故障起重機進行了多次空載測試運行均未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象。吊運3 t砝碼進行載荷運行狀態(tài)測試，起升點動、懸停再次啟動、急停再次啟動等，快速起落、慢速起落、快慢速切換起落，持續(xù)測試，整個重載運行模擬測試過程溜鉤故障未再出現(xiàn)。因為所吊物品價值較高，使用單位要求查明溜鉤原因并進行整改。

2 故障復查過程

起重機維保技術人員到達現(xiàn)場后對該起重設備進行檢查。起重機的電源為三相交流，頻率為50 Hz，電壓380 V，供電系統(tǒng)電壓波動不超過10%，起重機內(nèi)部電壓損失符合GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》的要求。起重機于2006年7月投入使用，設備使用年限較長，至今已服役近15 a，長期有維修人員進行維護保養(yǎng)。設備品種為防爆橋式起重機，型號為QB5t，起升速度4/0.4 m/min，雙速運行，起升高度為6 m，工作級別A5，起升機構由主起升防爆電動機、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)。由于設備就位精度要求較高，經(jīng)常出現(xiàn)頻繁點動精準就位工況，且經(jīng)常出現(xiàn)起重機帶載懸停等待狀況。

對起升機構各分部順序進行排查：1）雙輪吊鉤鉤頭運轉正常，雙滑輪轉動順暢，吊鉤檢查無異常；2）定滑輪一套運轉順暢，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，轉動無異常噪聲，檢查無異常；5）減速器運行無噪聲，打開檢查窗轉動傳動齒輪無缺失，潤滑良好，運行無異常；6）拆開主起升電動機空載運行無異常噪聲，制動器打開正常，制動器無裂紋，磨損無異常；7）操作手柄查勘無故障點，針對控制線也進行多次多角度測試，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

溜鉤是指起升機構工作停止之后，切斷起升機構電源，在制動器制動前，物體會下降一定的距離?；蚴俏矬w停留在空中，起升機構繼續(xù)工作時，起升機構通電，制動器打開，此時物體會出現(xiàn)一段距離的下降[1]，即較大的慣性導致重物出現(xiàn)下滑現(xiàn)象即溜鉤。GB/T 14405—2011《通用橋式起重機》5.3.3要求：對吊鉤起重機，起吊物品在下降制動時的制動距離(機構控制器處在下降速度的最低檔穩(wěn)定運行，拉回零位后，從制動器斷電至重物停止時的下滑距離)不應大于1 min內(nèi)穩(wěn)定起升距離的1/65。5.3.4要求：對吊鉤起重機，當起升機構的工作級別高于M4，且額定起升速度≥5 m/min時要求制動平穩(wěn)，應采用電氣制動方法，保證在(0.2～1.0)Gn范圍內(nèi)下降時，制動前的電動機轉速降至同步轉速的1/3以下，該速度應能穩(wěn)定運行。TSG Q7016—2016《起重機械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗規(guī)則》要求：定位精度的實現(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)剛性指標的互補性匹配，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工作級別A5，起升速度4/0.4 m/min，起升高度6 m，該設備訂購時考慮工作使用工況為不頻繁使用，使用等級選U4，起重機總工作循環(huán)數(shù)1.25×105＜CT≤2.5×105，較少吊運額定載荷，經(jīng)常吊運中等或輕量載荷，起重機的載荷狀態(tài)級別Q2，載荷譜系數(shù)選用0.125＜KP≤0.250，按照GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》要求選用A5工作級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，使用等級和載荷狀態(tài)有了較大的提高，起重機的工作級別和使用工況不匹配，工作級別低于實際使用等級，造成起重機起升機構能力無法滿足實際需求。針對起重機重載溜鉤問題，首先通過建立以下故障樹進行分析，故障樹路徑如圖1所示。

圖1 故障樹分析路徑

3.1 電動機與制動系統(tǒng)

QB5t防爆橋式起重機主起升機構采用隔爆型BZDW4.1-6錐形轉子制動電動機（見圖2），功率為5.0 kW。由于其啟動轉矩較大、結構簡單、制動安全可靠、制動無需另外電源、體積小、維修方便，故在起重設備上普通應用。該電動機屬于制動電動機，制動器在錐形電動機尾端實現(xiàn)制動功能。當電動機通電運行時，轉子向電動機尾端方向帶動多個活接頭套裝式聯(lián)軸器、連接軸移動，錐形轉子電動機的氣隙磁場產(chǎn)生軸向磁拉力，壓縮制動彈簧，使風扇制動輪與電動機端蓋上的制動環(huán)脫開，電動機能自由轉動。斷電后制動器彈簧帶動多個活接頭套裝式聯(lián)軸器、連接軸向電動機前端方向移動退回，軸向磁拉力消失，轉子在制動彈簧的推力下產(chǎn)生軸向移動，使風扇制動輪壓緊制動環(huán)，產(chǎn)生摩擦力，完成制動。

圖2 YEZ系列錐形轉子制動異步電動機

該起重機的主起升電動機與減速器連接如圖3所示，由于錐形三相電動機運轉完全斷電時，轉子需帶動多個活接頭套裝式聯(lián)軸器、連接軸（長1 200 mm）向電動機前端方向移動退回制動，因套裝式聯(lián)軸器自重過大、連接軸過長，導致套裝件往復活動時卡滯，尤其在設備初裝或維修更換時，由于設備安裝尺寸不滿足要求，同心度出現(xiàn)誤差，造成制動盤回位不徹底，制動力矩不足。在修理過程中更換電動機等部件最易出現(xiàn)此類情況。

圖3 起升機構裝配圖及實物圖

現(xiàn)場對連接機構與卷筒進行復查，卷筒無裂紋、轉動過程無異常噪聲，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)起重機溜鉤故障時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

若減速器運行齒輪磨損超出極限或負載齒脫落會造成溜鉤故障，但此類情況一旦出現(xiàn)，將不能再次起升運行，且主起升電動機運行噪聲異常大，主起升機構與卷筒結構脫節(jié)，徹底不能起升或下降?，F(xiàn)場對減速器內(nèi)部進行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)多余物，轉動傳動齒輪完好、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 主起升電動機

雖然錐形轉子制動電動機結構簡單、體積小、布置方便，但通過觀看現(xiàn)場錄像發(fā)現(xiàn)，頻繁點動會導致電動機瞬時過載，功率模塊發(fā)熱大，系統(tǒng)頻繁動作，制動器無法完全閉合和開啟，抱閘無法立即響應，導致溜鉤[2]。一種可能是主彈簧出現(xiàn)過松的情況，主起升的制動系統(tǒng)制動力矩不夠，無法將電動機轉子停住；另一種可能是摩擦面出現(xiàn)了較大的破損或劃傷，導致摩擦片跟制動輪接觸面積減少，制動力矩不能達到要求[3]，起升機構制停距離過大從而出現(xiàn)溜鉤故障，故電動機與制動系統(tǒng)的故障隱患不可排除。

3.4 電氣控制部分

起升機構采用繼電器接觸器控制方式，由主起升防爆電動機、控制電纜、接觸器、操作手柄等組成，現(xiàn)場對操作手柄控制線進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、主接觸器及繼電器等構成主回路，由控制變壓器及控制手柄構成控制回路，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，控制接觸器吸合動作，接觸器接觸主電路通電給電動機，電動機運轉（見圖4、圖5）。由于該設備屬于防爆起重機，電氣系統(tǒng)安裝在密封的防爆箱體內(nèi)，頻繁點動、長時間工作會造成接觸器系統(tǒng)散熱不良，導致接觸器內(nèi)主觸點出現(xiàn)粘連、變形等現(xiàn)象，無法完全斷開接觸器，電動機主回路無法正常斷電，引起接觸器觸點燒毀、粘連等故障。防爆箱的密封結構不利于經(jīng)常性地觀察和維修，電氣控制的故障隱患不可排除。

圖4 接觸器構造

圖5 接觸器控制電動機圖解

經(jīng)過分析，認為防爆橋式起重機出現(xiàn)溜鉤故障一種可能是機械故障。頻繁點動導致制動器抱閘無法完全閉合時又打開，使制動瓦發(fā)熱，從而導致電動機發(fā)熱，電動機轉子制動彈簧張力釋放不徹底，使制動器復位開關未抱死電動機轉子，不能實現(xiàn)制動功能。

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

經(jīng)過實踐檢測檢驗，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)常滿載長時間工作，超出起升機構的工作能力。直接原因一是機械故障，減速器與錐形電動機連接設計不合理，機械多個活接頭套裝式聯(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活動時更易出現(xiàn)卡滯。另外，電動機經(jīng)常出現(xiàn)瞬時過載，轉矩保護導致系統(tǒng)頻繁動作，電氣接觸器內(nèi)主觸點粘連、變形未完全斷開造成溜鉤故障，都與頻繁點動操作有直接關系。

3 解決方案

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

圖6 集成防爆起升機構

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，對電動機的啟動電流（0～50 Hz）具有很好的力矩控制性能，實現(xiàn)柔性啟動、運行。主回路減少了交流接觸器觸點控制，避免了頻繁點動造成接觸器觸頭粘連或燒蝕燒損而引起的電動機損壞故障[5]。并且，由于變頻控制驅(qū)動的電動機機械特性硬、精確定位的優(yōu)點，電動機轉速輸出穩(wěn)定，不隨起吊重物的變化而變化。即使頻繁點動，起制停時整機振動和沖擊也明顯減小，對機械連接部件的沖擊更小、使制動效果更佳、調(diào)速精度更高、運行順暢，延長了起重機機械部分的壽命。

圖7 矢量變頻控制系統(tǒng)工作原理

為防止起升機構出現(xiàn)溜鉤，要求變頻器啟動信號早于機械制動器的動作信號，通過調(diào)節(jié)勵磁的時間使電動機的起動時間與機械制動器的釋放時間相配合。啟動之前先進行預勵磁，以保證電動機快速地提供起動轉矩，能保證啟動轉矩超過150%額定轉矩，甚至考慮超載因素提供200%額定轉矩。保證變頻器輸出轉矩和機械制動器的制動轉矩平穩(wěn)切換，提高低速傳動時的動態(tài)特性和高轉矩輸出能力，有效避免出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。

4 結語

起重機溜鉤現(xiàn)象的危害性較大，可能對設備造成損壞損失，影響工作效率，對工作人員造成非常大的安全隱患。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)溜鉤時必須高度重視，要認真分析其原因，經(jīng)常檢查調(diào)整制動器，及時更換磨損超標的制動盤、閘皮、抱閘輪等元件，以保證制動可靠有效；對不可靠的電氣控制要及時改進；在作業(yè)過程中，避免頻繁點動，嚴格規(guī)范操作，避免發(fā)生安全事故。

該單位另有3臺同型號起重機設備，針對此次溜鉤故障對其余3臺起重機進行專項檢查，并按上述方案進行改造，優(yōu)化集成主起升結構，加裝矢量變頻器，把原有380 V、50 Hz的電流直接控制電動機改為380 V、0～50 Hz的變頻控制電動機。從而實現(xiàn)起升、下降動作靈敏、制動有效，避免溜鉤故障，確保運行順暢，安全可靠性大幅提高。