铸造起重机主起升机构安全制动器的研究与应用

张恩波 章连成 朱叶风 王建军

(宁波钢铁有限公司 浙江宁波 315807)

0 引言

铸造起重机主起升机构结构种类较多，安全可靠性也各有不同，由于一些铸造起重机安全性不能满足使用要求，以至于多次发生重大恶性事故。对此，《高温熔融金属吊运安全规程》(AQ 7011—2018)明确要求对高风险的起重机要装设安全制动器，以保证吊运安全。铸造起重机重要的风险点是吊运液态高温熔融金属时主起升机构传动链可能失效而引发事故，但目前一些单位在用的铸造起重机为早期设计制造，技术上不能防止主起升机构传动链失效造成的失控，并且没有进行相应的技术改造，加之对铸造起重机存在的安全风险和后果不尽了解，在安全技术方面缺乏认识，给安全生产带来很大隐患。

1 主起升机构的安全性分析

铸造起重机的安全性、可靠性取决于主起升机构的结构布置形式。铸造起重机主起升机构的布置主要分为高速轴同步和低速轴同步两种形式。高速轴同步是两套独立的驱动机构在传动链的高速端同步啮合运行，结构简单、构件小、造价低，但高速轴后的传动链一旦发生故障，在无紧急制动保护的情况下，可能造成重大安全事故；低速轴同步是两套独立的驱动机构在卷筒末端硬性同步运行，两套驱动装置只要不同时失效，就能保证系统的安全运行，安全可靠性有了显著提升。通过对两种主起升机构布置上的安全可靠性分析，主起升机构高速轴同步结构形式的起重机在卷筒上应装设安全制动器[1]，以满足吊运液态熔融金属的安全要求。

主起升机构高速轴同步结构形式主要包括三减速器、单减速器、独立大减速器、行星三减速器、行星大减速器等多种布置。以三减速器的铸造起重机为例，如图1所示，其特点是在高速轴上安装电机，在低速轴上安装卷筒，并通过减速器将高速轴和低速轴连接在一起。由于主起升机构工作制动器设置在高速轴上，若高速轴和低速轴之间的某个传动环节出现了故障，主起升工作制动器将对卷筒失去控制，极易引发重大恶性事故。

2 采取措施

为防止传动链故障或断轴引发的失控事故，主要是在卷筒上加装安全制动器，如图1所示。由于吊运高温液态熔融金属安全性要求特别高，考虑特殊环境和工作级别等工况，需加装特殊的安全制动器，一般大型冶金铸造起重机都有两个卷筒，可在每个卷筒上分别安装一组液压盘式安全制动器，同时配套完善故障检测、逻辑判断、制动控制和液压站等单元，并对制动力矩、制动时间、制动距离、卷筒惯量等进行设计和验算，以保证主要参数满足起重机使用要求，确保故障状态下设备、人员和吊物的安全。

图1 三减速器及制动器安装位置

2.1 故障检测

卷筒轴端分别装设脉冲编码器，用作低速轴的超速检测及断轴信号检测。当卷筒编码器用作低速轴的超速检测时，在卷筒轴旋转速度超过允许值(1.3倍额定转速)时，PLC发出故障报警信号，驱动系统立即停车，工作制动器立即抱闸，安全制动器延时闭合。当卷筒编码器用作断轴信号检测时，两卷筒编码器构成一闭环检测链，两编码器的信号被送至独立的PLC系统的特殊模块，由PLC运算比较，当比较值超过允许的设定值(200 mm)时，PLC发出故障报警信号，驱动系统立即停车，工作制动器立即抱闸，安全制动器延时闭合。安全制动器附带联锁开关，当起重机主电源接通，而某个制动器未按要求正常打开时，这一故障现象被检测到，主起升调速装置控制电源不能被接通，主起升机构不允许运行。

2.2 逻辑判断

传动链或电控系统发生故障，一旦导致卷筒轴旋转速度超过允许值(1.3倍额定转速)时，PLC发出故障报警信号，特别是传动链故障，均可以通过两卷筒的速度和同步性得以反应，正常情况下两卷筒轴上的转速完全一致，仅在发生断轴事故后才会产生转速差异。无论是单电机运行还是双电机同时运行，两卷筒轴转速都应保持一致。当系统稳定运行时，两卷筒轴间速比是一常数，每次启动后采用两卷筒行程比较计算，当平衡梁两端高度偏差超过允许值(200 mm)，可以判定发生了断轴事故，PLC发出故障报警信号，触发安全制动器闭合。安全制动器逻辑判断如图2所示。

图2 安全制动器逻辑判断

2.3 制动控制

当系统发生超速、断轴等事故时，控制PLC将接收到检测信号，通过逻辑判断和组合计算，输出安全制动器信号，启动安全制动器。为避免安全制动器运行时发生误操作，主起升控制系统与安全制动器系统应有一定的联锁保护。安全制动器的制动力矩在满载条件下通过最大允许速度以及最大制动距离来调整，确保安全制动器在工作制动器完成制动动作后才闭合，既可以实现紧急情况下工作制动器的制动，又不用担心由于突然断电、误按急停按钮或检测系统误动作等一系列情况造成设备损坏。

根据两种制动器的制动特点和工作原理，应用牛顿第二定律和动量矩原理，可以计算断电后卷筒的角位移，即吊物的下滑距离。在实际检测的速度曲线上，通过速度曲线对时间的积分，即速度曲线和时间坐标间的面积[2]，也可计算出吊物的下滑距离。考虑安全制动器制动时对卷筒直接相连的相关部件产生冲击，根据试验所测的制动器动作时间和速度曲线，对所测各类工况下的制动距离进行计算：

h=v(t1+t)/2

式中，h为制动距离，mm；v为下降速度,mm/s；t1为工作制动器制动时间,s；t为总制动时间,s。

实际制动距离一般会比理论计算值稍大，可按10%的误差范围进行调整，但不应超过 200 mm。

3 实际应用

宁钢有4台300/80 t冶金铸造起重机，其工作任务是为转炉吊运铁水、为连铸吊运钢水，主起升机构为三减速机高速轴同步。为消除安全风险，经在宁波市特种设备检测研究院报备，委托原起重机制造厂家从2013年起陆续对4台起重机进行了改造，为保证足够制动力矩，在单卷筒上安装一组两对液压安全制动器，每组液压安全制动器由一台液压油泵驱动，两套液压系统相互独立。

3.1 制动力矩的验算

根据铸造起重机的工作级别及使用环境要求，选用法国西姆SH15-3制动头，并按此进行制动力矩验算。

正常工作主钩起重质量为352 t，钢丝绳拉力为10 t，卷筒直径为2 000 mm，卷筒扭矩为200 kN·m，制动盘直径为2 700 mm，每个制动头的制动力为150 kN，两套安全制动器制动力矩为378 kN·m，安全系数为1.89倍，设计安全系数大于1.75倍[3]。安全制动器的选用及制动力矩的验算符合《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)的要求。

3.2 制动距离的验算

开动主起升机构，编程器能精确显示两个卷筒转速的绝对差值，包含减速机齿轮间隙等固有误差；编程器能精确显示本次操作起升行程；调小整定值，模拟超速故障，系统报警，与主PLC联锁，起升系统停车，编程器记录超速值，指示超速卷筒；停止一侧编码器信号，模拟断轴故障，系统报警，与主PLC联锁，起升系统停车，编程器显示断轴故障。观察和调整工作制动器和安全制动器工作状态，保证安全制动器延时制动和制动时间符合要求。

在满载低速状态下模拟超速、断轴故障，工作制动器先于安全制动器抱闸约500 ms，无机械损坏和明显下滑现象。

在满载高速状态下模拟超速、断轴故障以及拍急停，工作制动器先于安全制动器抱闸约200 ms，无机械损坏，最大制动距离为150 mm，理论计算值为137 mm,误差为8.7%，符合要求。

4 维护保养

日常维保中要重点检查制动器卷筒制动盘与摩擦片的间隙应保持在1～1.05 mm，液压系统的工作压力应保持在17.5～20 MPa。每周对制动器的主要部件、油位、压力、温度进行点检，及时处理漏油，定期测量和调整制动盘与摩擦片之间的间隙，定期试验安全制动器自动和手动功能，每半年需更换一次滤芯，每年需更换一次液压油和高压胶管，每5年需更换一次主要的液压元件，确保安全制动器处于良好状态。

5 结语

确保安全制动器制动时间和制动距离处于合理区间，是起重机安全运行的基本条件。加强日常维护保养，保证安全制动器处于良好状态是安全制动器安全运行的基础。

吊运高温液态熔融金属安全性要求高，但一些起重机的可靠性还不能满足规范要求，宁钢通过对新型安全制动器进行研究，并对多台冶金铸造起重机进行成功改造，在安全制动器的研究、选用、安装、调整、试验、使用等方面的探索和实践，为新型安全制动器的早期推广起到了积极的示范和引领作用。