塔式起重機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置研制應(yīng)用和分析

王輝

在長期的建筑項目施工中對塔吊的運(yùn)行故障情況進(jìn)行了觀察和統(tǒng)計，統(tǒng)計情況見表1。

表1 塔式起重機(jī)故障統(tǒng)計分析表

由統(tǒng)計表看出塔吊在運(yùn)行中起吊的故障數(shù)量占了塔吊總故障數(shù)55%以上，很大程度上影響了塔吊的正常使用。同時，我對塔吊的起吊故障進(jìn)一步分析，總結(jié)了塔吊起吊故障中，主要原因由：①鋼絲繩；②啟動電阻器；③駕駛室聯(lián)動控制器；④滑輪組；⑤起吊電動機(jī)；⑥電源控制柜；⑦電氣控制柜等7種。其中，電氣控制柜的故障最為頻繁，約占全部起吊故障的70%以上。并且因電氣控制柜引起起吊故障中，以塔機(jī)吊鉤超速墜鉤的頻率和危害最大，一旦發(fā)生故障將直接導(dǎo)致設(shè)備的損毀和人身的傷害。在我參建的工程項目中就曾經(jīng)發(fā)生了4次塔機(jī)吊鉤超速墜鉤事故，造成了塔機(jī)吊鉤、鋼絲繩和地面材料及設(shè)備損壞。在奉賢寶龍廣場建設(shè)項目上曾有一次2t材料在70m高空因吊鉤溜鉤墜落地面，離地面工作人員僅1m，雖未造成重大人身事故，但塔機(jī)和地面的其他設(shè)施均造成了較為嚴(yán)重的損壞。

1 塔機(jī)吊鉤溜鉤原因分析

不同類型的塔機(jī)吊鉤溜鉤的原因不盡相同，但發(fā)生故障的特點(diǎn)都具有一定的共性，因此對故障原因進(jìn)行剖析。

1.1 電磁離合器控制線路出現(xiàn)故障

如江麓QT80EA塔機(jī)、吳淞建機(jī)廠QT80塔機(jī)、張家港QTZ80塔機(jī)、LIEBHERR-88HC塔機(jī)等均屬此例，塔機(jī)電磁離合器控制原理，見圖1。

圖1 塔機(jī)電磁離合器控制電氣圖

（圖1）中K為電磁離合器投檔轉(zhuǎn)換開關(guān)，1T、2T、3T為各檔電磁離合器碳刷，DZ1、DZ2、DZ3為電磁離合器各檔線圈。LLJ為欠電流繼電器，用于控制起吊控制器。WL渦流制動器線圈，分別控制起吊輕、中、重檔減速箱齒輪的齒合。當(dāng)塔機(jī)起吊工作時，聯(lián)動臺主令控制器置于一檔時接通流過LLJ的電源。當(dāng)流過LLJ的電流大于額定電流，即渦流制動器流過的電流產(chǎn)生了足夠的吊鉤制動力矩時，欠電流繼電器動作，打開吊鉤制動器，塔機(jī)起吊開始工作。隨著聯(lián)動臺主令控制器投入二擋、三檔、四擋等，由于起吊電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，渦流的電流隨之減小，對吊鉤的制動力矩也隨之減小，吊鉤有慢到快正常工作。

但是，一旦電磁離合器碳刷接觸不良或線圈等產(chǎn)生故障，以及LLJ電流整定值調(diào)正適當(dāng)偏小時，流過渦流制動器WL的電流偏小還不能產(chǎn)生對起吊電機(jī)足夠的制動力矩，此時欠電流繼電器LLJ已動作，電機(jī)的制動抱閘已得電打開，造成吊鉤急速下降的溜鉤事故。

1.2 電器元件老化及控制回路故障

在以往的建筑工程項目上塔式起重機(jī)的電器元件的老化產(chǎn)生的故障較為常見，有些關(guān)鍵電器部件老化故障造成塔機(jī)吊鉤溜鉤事故。以LIEBHERR-88HC塔機(jī)起吊控制回路為例，其他塔機(jī)類同。典型故障如，S2HK2B、S2HK4B分別為起吊上升和下降主接觸器，S2HK1M為制動器交流接觸器，當(dāng)塔機(jī)起吊重物手柄返零位時，起吊接觸器S2HK2B或S2HK4B應(yīng)失電斷開，制動器接觸器S2HK1M也隨即斷開，制動器抱閘，吊鉤剎住。但如果起吊接觸器產(chǎn)生故障延遲釋放時，制動器接觸器依然得電，制動器還處在打開狀態(tài)，吊鉤就會因重物倒拖而高速下降，造成吊鉤墜落事故。另外，制動器接觸器S2HK1M系一復(fù)合式直流接觸器，如果出現(xiàn)故障也會造成觸頭不能正常斷開，從而導(dǎo)致制動器處于打開狀態(tài)而使吊鉤高速下降。

1.3 塔機(jī)起吊機(jī)械故障

塔機(jī)在機(jī)械部分的故障有時也會造成吊鉤的溜鉤現(xiàn)象。在塔機(jī)工作時，由于制動器打開，當(dāng)塔機(jī)的電磁離合器產(chǎn)生故障或起吊減速箱潤滑油變質(zhì)，電磁離合器不能正常切入檔位而處于空檔時，由于起吊電機(jī)的轉(zhuǎn)動力矩不能通過減速箱的齒輪傳給繩筒，所以吊鉤就會倒拖繩筒和齒輪箱而高速下降，從而產(chǎn)生吊鉤溜鉤現(xiàn)象。

2 塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置的原理和制作

根據(jù)上述分析吊鉤超速下降的原因是塔機(jī)起吊電氣和機(jī)械部分的故障造成的，因此改進(jìn)原有電氣控制線路的欠缺，從而能在吊鉤超速下降時及時關(guān)閉制動器時解決問題的根本措施，見圖2。

圖2 塔機(jī)吊鉤傳動系統(tǒng)工作原理圖

從圖2看出起吊繩筒的轉(zhuǎn)動通過鋼絲繩經(jīng)過滑輪來控制吊鉤的起降運(yùn)動，繩筒的轉(zhuǎn)動快慢與滑輪的轉(zhuǎn)動快慢以及吊鉤的上下速度有直接關(guān)心。因此，在起吊繩筒、滑輪、鋼絲繩、吊鉤中取出超速的比較信號，并用此超速信號來控制起吊控制器，就能達(dá)到吊鉤下降超速時能及時關(guān)閉起吊控制器而杜絕溜鉤事故。為此經(jīng)過詳細(xì)的分析和數(shù)十次的實(shí)踐和改進(jìn)確定了兩套方案解決塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)。

3 機(jī)械式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)方案

在此方案中，我將結(jié)合設(shè)備工作原理對重量限位滑輪進(jìn)行改裝，機(jī)械式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)器，如圖3。

圖3機(jī)械式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)器原理圖

圖3 中，重量限位滑輪和滑輪軸硬連接，并把軸延長一端由兩個軸承支撐，另一端安裝一片支架，支架上安裝2～3個動臂，由彈簧向軸心拉住，在另一支架上安裝活動的3個帶動微動開關(guān)的觸頭分別對應(yīng)輕、中、重檔。3個微動開關(guān)一端并聯(lián)和供電電源相連，另一端和起吊制動器線圈相連。當(dāng)塔機(jī)吊鉤下降工作時，起吊繩筒轉(zhuǎn)動，鋼絲繩通過滑輪運(yùn)動，滑輪也隨即轉(zhuǎn)動?；嗇S另一端支架上的活動臂由于離心力的作用向外張開，轉(zhuǎn)動速度越快，活動臂張開幅度越大，如果因各種原因造成吊鉤下降超速，活動臂就會將對應(yīng)的微動開關(guān)觸動及時斷開起吊制動器電源，起吊電機(jī)立刻制動而避免吊機(jī)溜鉤的事故。

根據(jù)以上的方案，我做了幾十次實(shí)驗，并在施工工程中在不同型號的塔機(jī)上進(jìn)行了安裝，有效防止了塔機(jī)吊鉤溜鉤事故，有效率超過90%。但是，機(jī)械式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置還存在一定的缺陷。如：①因為不同塔機(jī)的滑輪、軸承、傳動軸、支架、活動臂等的規(guī)格都不相同，所以每臺塔機(jī)都要加工專用的附件，加工較繁瑣、復(fù)雜及成本較高。②機(jī)械式的裝置安裝時間較長工序多，還要動用鈑金、電焊等多個工種。③維護(hù)調(diào)試周期較短，否則會造成不動作或誤動作。

因此，制作一個結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行更可靠安全、維護(hù)更方便的塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置，迫切的促使我去探索、實(shí)踐和制作。經(jīng)過了深入的研究、分析，幾百次的實(shí)驗，各種不同型號塔機(jī)的實(shí)踐研發(fā)了電子式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置的方案。

4 電子式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置

在設(shè)計電子式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置時，我充分的考慮到各類塔機(jī)的通用性，根據(jù)塔機(jī)起吊故障的機(jī)械原理，提取吊鉤實(shí)時的轉(zhuǎn)速信號與吊鉤的最大速度信號進(jìn)行比較。如實(shí)時速度超過最大速度，則通過控制線路將起吊制動器及時關(guān)閉，吊鉤有效制動。塔機(jī)吊鉤電子式超速保護(hù)裝置電氣原理，見圖4。

圖4 塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置電氣原理圖

具體制作方案是我根據(jù)不同型號的塔機(jī)分別在繩筒上或重量限位的滑輪上引出起吊鋼絲繩筒的同步轉(zhuǎn)速信號，在相應(yīng)的位置裝一支架，在支架上安裝一傳感器探頭，并在繩筒或重量限位的滑輪邊緣貼一塊磁片，繩筒或滑輪每轉(zhuǎn)一圈，磁片即對傳感器探頭有一次感應(yīng)脈沖信號，此感應(yīng)脈沖信號傳送到圖四的控制器中，見圖5。

電子式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)控制器裝有由二組四位發(fā)光管組成的顯示器，其中三組顯示器1SJ、2SJ、3SJ分別由繼電器1J、2J、3J的觸頭供電。1J、2J、3J繼電器的線圈分別由離合器轉(zhuǎn)換開關(guān)輕、中、重檔同步控制，1SJ、2SJ、3SJ顯示器上排數(shù)碼管分別顯示塔機(jī)輕、中、重檔吊鉤的實(shí)際速度，即磁片對傳感器探頭的感應(yīng)脈沖N/分，見圖6。

圖5 傳感器安裝示意圖

圖6 電子式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置示意圖

當(dāng)上排數(shù)碼管顯示N/分時，也就是塔機(jī)吊鉤產(chǎn)生超速或溜鉤時，顯示表的常開觸頭閉合，繼電器4J、5J、6J的線圈相應(yīng)得電。其常閉觸頭打開，斷開塔機(jī)控制回路，塔機(jī)起吊制動器自動抱閘，吊鉤制動。繼電器4J、5J、6J相應(yīng)的常開觸頭閉合，音響器報警，提醒駕駛員塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)器動作，吊鉤超速，以便檢查處理。經(jīng)過了數(shù)百次的模擬試驗和塔機(jī)上的實(shí)際試驗。我還對不同型號的塔機(jī)選取不同轉(zhuǎn)速信號取樣點(diǎn)，對那些重量限位滑輪和滑輪軸間隙較大的塔機(jī)（如江麓QT80EA塔機(jī)），因為間隙較大，停車時滑輪會震動較大，滑輪上的磁片對傳感器誤動作而影響塔機(jī)起吊正常工。因此對這類塔機(jī)，我將吊鉤速度信號取樣點(diǎn)選在繩筒上。對重量限位滑輪與軸配合較緊密的塔機(jī)（如L1EBHERR塔機(jī)）把信號取樣點(diǎn)選在重量限位滑輪上。經(jīng)我多年以來在各種塔機(jī)上使用，該塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)裝置無機(jī)械傳動，無磨損，安裝方便，調(diào)試簡易，顯示正確，保護(hù)動作迅速可靠，制作和維護(hù)成本低，在各類塔機(jī)上使用至今，從未發(fā)生塔機(jī)吊鉤超速下降的溜鉤現(xiàn)象，有效地保證了建筑工程的機(jī)械施工。

[1]徐洪光.塔式起重機(jī)RCS起升機(jī)構(gòu)常見故障檢查分析.工程機(jī)械與維修，2002（09）.

[2]曹雯源.電子式塔機(jī)吊鉤超速保護(hù)器的研制.2006年施工機(jī)械化新技術(shù)交流會論文集（第七輯）.

[3]王輝.塔式起重機(jī)吊鉤超速保護(hù)器的研制和應(yīng)用.建筑知識：學(xué)術(shù)刊，2013：449～450.