吊运熔融金属起重机安全保护装置综合检测系统的设计与开发*

赖庆军 刘利文 黄永振

广东省特种设备检测研究院河源检测院 河源 517000

0 引言

吊运熔融金属起重机工作环境恶劣，具有粉尘多、环境温度高、振动冲击大等特点，其安全保护装置对主机的安全稳定运行发挥着关键性作用。然而，在实际检验中，对吊运熔融金属起重机安全保护装置（如超速保护、电动机定子异常失电保护、驱动装置故障保护、工作制动器接触器损坏、防粘连保护以及起升高度限位保护等）的检验检测操作过程存在一定危险性，易引发安全事故，检验人员在现场往往难以快速有效地进行判定(大多通过查阅相关出厂资料和设计文件进行确认)或需要花费大量的时间精力逐一进行排查验证，效率低下，准确率不高，存在相当危险性，影响检验工作效率的提高。

目前，我国现行的相关检验检测规程和技术规范对吊运熔融金属起重的安全防护装置也提出了严格要求，GB/T 3811—2008《起重机设计规范》、JB/T 7688.1—2008《冶金起重机技术条件 第1部分：通用条件》、GB 6067.5—2014《起重机械安全规程 第5部分 桥式和门式起重机》、TSG Q 7015—2016《起重机械定期检验规则》以及TSG Q 7016—2016《起重机械安装改造重大修理监督检验规则》等对吊运熔融金属起重机超速保护、电动机定子异常失电保护、驱动装置故障保护、工作制动器接触器损坏、粘连保护以及高度限位保护等都提出了严格的检测要求。

1 起重机安全保护装置检测基本情况

1）超速保护检测方面

目前，该项目现场检验通过检验人员查阅设计文件和出厂资料等方式予以确认，现场试验存在很大危险性，故对其功能是否有效难以验证。

2）电动机定子异常失电保护检测方面

该项目现场检验要模拟电动机定子失电的情况下验证电动机定子异常失电保护是否有效，需要短接相关的安全回路，切断电动机动力回路或正反向接触器线圈回路，加上现场检验环境恶劣，粉尘多，检验人员很难在短时间内完成以上操作，且操作中可能引发重大安全事故，对其功能的有效性难以做出准确判定。

3）驱动装置故障保护检测方面

该项目检验在现场需要断开2套驱动装置其中1套驱动装置的动力源，以验证另一套驱动装置是否能带额载完成一个工作循环。在实际检验过程中，该项目的操作费时费力且操作中容易引发重大安全事故，对其功能的有效性难以做出判定。

4）工作制动器接触器损坏、粘连保护方面

由于吊运熔融金属起重机的作业环境粉尘较多，接触器等电气元件容易积灰，导致触点回路不通或粘连，使得现场检验时实际验证的有效性存在很大安全隐患，易引发安全事故，难以判定其功能的有效性。

5）高度限位保护方面

吊运熔融金属起重机高度限位一般都设有2套，其中一级多为重锤式或开关式限位装置，更高一级限位装置多为螺杆式，该项目检验对于第1级限位装置功能的验证很容易实现，但对于更高一级的限位装置的验证则需要断开第1级限位装置控制回路才能实现；而该过程操作费时，且存在危险性，不利于检验效率的提高。

基于此，开发一套能快速诊断、高精度、定性定量检测的吊运熔融金属起重机安全保护装置综合检测系统及其装置，实现对超速保护、电动机定子异常失电保护、驱动装置故障保护、工作制动器接触损坏、防粘连保护以及高度限位保护等功能的快速、准确、高效检测，弥补当前国内吊运熔融金属起重机安全保护装置综合检测技术上的不足，提升吊运熔融金属起重机安全保护装置传统检测技术，保障企业吊运熔融金属起重机安全稳定运行，具有十分重要的意义。

2 安全保护装置综合检测系统工作原理及实现

在现有技术中，检测起重机安全保护装置通常是将开关拆卸，然后采用小型设备模拟起重机安全保护装置的动作场景进行检测，或是对装置进行单独测试；拆卸后模拟场景的检测方法不能具体模拟出起重机的具体场景，而单独测试则会造成人力物力资源的浪费，且增加人身安全的风险。基于此，本文设计了一种起重机安全保护装置综合检测系统及方法，该检测系统及方法可省人力物力，减少安全风险，极大地提高了检测效率。

2.1 工作原理及流程

1）S1检测方法 控制起重机吊钩下落速度大于等于第1预设阈值，使超速保护开关动作，对吊钩进行制动，检测超速保护开关动作时第1检测回路的第1电流；

2）S2检测方法 根据第1电流，确定超速保护开关为正常保护开关；

3）S3检测方法 控制起重机电动机定子断电，使定子失电保护开关动作，检测定子失电保护开关动作时第2检测回路的第2电流；

4）S4检测方法 根据第2电流，确定超速保护开关为正常保护开关；

5）S5检测方法 控制起重机吊钩上升至第1预设高度，使第1限位开关断开，检测第1限位开关断开后第3检测回路的第3电流；

6）S6检测方法 根据第3电流，确定第1限位开关为正常保护开关；

7）S7检测方法 若第1限位开关为正常保护开关，闭合备用开关，控制起重机吊钩持续上升至第2预设高度，使第2限位开关动作，检测第2限位开关动作后第3检测回路的第4电流；

8）S8检测方法 根据第4电流，确定第2限位开关为正常保护开关；

9）S9检测方法 当超速保护开关、定子失电保护开关、第1限位开关及第2限位开关均为正常保护开关时，则确定保护装置为正常保护装置。

2.2 检测方法的实现

1）S1检测方法的实现

控制起重机吊钩下落速度大于等于第1预设阈值，使超速保护开关动作，对吊钩进行制动，检测超速保护开关动作时第一检测回路的第1电流。其中第1预设阈值为检测人员根据起重机额定速度以及超速保护动作规定的速度定义的速度阈值即额定速度的1.25～1.4倍。第1检测回路指起控制重机吊钩自由落体下落并检测速度的回路，为超速保护开关所在的回路。控制起重机吊钩下落可通过将超速试验接触器串联在制动器前段，使起重机内部的制动器打开，从而让吊钩轻载自由落体，测量起重机下降速度。当速度大于等于预设的速度阈值时，会触发起重机的超速保护开关，通过检测模块的高精度旋转编码器检测采样第1检测回路的第1电流，根据第1电流可确定超速保护开关是否故障。

2）S2检测方法的实现

根据第1电流，确定超速保护开关为正常保护开关，超速保护开关为常开开关。第1电流为超速保护开关正常闭合时的第1检测回路的回路电流，根据第1电流可以确定超速保护开关在起重机吊钩下落速度大于等于一定速度时是否可以正常动作。若超速保护开关可以正常闭合，则第1检测回路的电流大于等于一定电流阈值，通过设定阈值可判断超速保护开关是否正常闭合。

3）S3检测方法的实现

控制起重机电动机定子断电，使定子失电保护开关动作，检测定子失电保护开关动作时第2检测回路的第2电流。第2检测回路可以是起重机电动机定子所在的电气回路，而定子失电保护开关为常开开关。当起重机电动机定子断电时，定子失电保护开关闭合；当定子失电保护开关闭合时，可通过检测装置检测回路的电流，以判定定子失电保护开关是否发生动作。

4）S4检测方法的实现

根据第2电流，确定定子失电保护开关为正常保护开关。先设定一个电流阈值，当定子失电保护开关闭合时，可以检测第2检测回路的电流，通过第2电流与电流阈值的比较确定定子失电保护开关是否正常闭合。

5）S5检测方法的实现

控制起重机吊钩上升至第1预设高度，使第1限位开关断开，检测第1限位开关闭合时第3检测回路的第3电流。第3检测回路可以是起重机第1限位开关所在的电气回路，而第1限位开关则为常闭开关。当起重机吊钩上升至第1预设高度时，第1限位开关断开；当第1限位开关断开时，可通过检测装置检测回路的电流，以判定第一限位开关是否发生动作。

6）S6检测方法的实现

根据第3电流，确定第1限位开关为正常保护开关。先设定一个电流阈值，当第1限位开关断开时，可以检测第3检测回路的电流，通过第3电流与电流阈值的比较确定第1限位开关是否正常断开。

7）S7检测方法的实现

若第1限位开关为正常保护开关，闭合备用开关，控制起重机吊钩持续上升至第2预设高度，使第2限位开关动作，检测第2限位开关动作时第四检测回路的第4电流。由于第1限位开关与第2限位开关所处检测回路为同一个回路，当第1限位开关正常断开时，需要闭合备用开关，使第3检测回路保持正常工作，然后控制起重机吊钩继续上升至第2预设高度，使第2限位开关动作，第2限位开关为常闭开关，可以通过断开后检测回路的电流确定第2限位开关是否能正常闭合。若第1限位开关为故障开关，控制起重机吊钩持续上升至第2预设高度，使第2限位开关动作，检测第2限位开关动作时第4检测回路的第4电流。若第1限位开关不能正常断开，则不需闭合备用开关，可以控制起重机继续上升到第2预设高度，使第2限位开关动作，检测第2限位开关断开后时第4检测回路的第4电流。其中第2预设高度为预先设定的高度，可以根据实际情况进行调整的高度。

8）S8检测方法的实现

根据第4电流，确定第2限位开关为正常保护开关。先设定一个电流阈值，当第2限位开关断开后，可检测第3检测回路的第4电流，通过第3、第4电流与电流阈值的比较确定第2限位开关是否正常断开，可以确定超速保护开关为正常保护开关，即当第1电流大于等于所述第1预设电流阈值，以确定超速保护开关为正常保护开关；若第1电流小于所述第1预设电流阈值，以确定超速保护开关为正常保护开关。

9）S9检测方法的实现

当超速保护开关、定子失电保护开关、第1限位开关以及第2限位开关均为正常保护开关，则确定保护装置为正常保护装置。当超速保护开关、定子失电保护开关、第1限位开关以及第2限位开关均为正常保护开关且能正常实现动作时，可确定起重机的安全保护装置为正常保护装置，具体可将超速保护开关、定子失电保护开关、第1限位开关以及第2限位开关正常与故障结果以及保护装置的结果进行二值化，超速保护开关正常为1，故障为0，通过与运算将所有的检测结果关联起来，得到保护装置的结果。若任一个或多个保护开关均不能正常动作，则起重机的安全保护装置为故障保护装置，相关检测人员可以先确定故障源头并进行维修。

3 安全保护装置综合检测系统的实现

根据上述的实施方案和检测方法，设计开发了起重机安全保护装置综合检测系统，可实现超速保护、电动机定子异常失电保护、双高度限位保护故障、制动器接触器故障以及驱动装置故障的高效检测。

1）操作界面

操作界面如图1、图2所示，通过选择不同的检测模块可实现各个功能的检测。

图1 检测系统界面

图2 检测系统各检测单元

2）超速保护检测

超速保护检测模块操作界面如图3所示，在“参数设置”栏输入参数(如1 000 RPM)，点击按键“开始测试”。测试设备(速度驱动模块)开始模拟驱动起重机超速保护装置转动，在“实时转速”栏显示当前转速，当超速保护装置旋转到一定阈值时，测试仪器停止工作，并在“动作速度”栏显示动作时转速，同时测试界面“电气动作开关”亮红灯，表示测试结束；最后在“转速比值”栏显示动作速度/额定速度的比值，即可判定该超速保护装置动作是否有效。

图3 超速保护检测

3）电动机定子异常失电检测

电动机定子异常失电检测操作界面如图4所示，2个按键互斥，即同时只有一个按键有效，“回路电流”（C相电流）通过RS485总线读取，实时监测并显示对应功能的数据；点击按键“上升控制回路故障”，连续采集5个制动器回路电流值，如果制动器回路电流值均小于1 mA，则对应按键下方的LED显示绿色，表示保护功能有效；否则对应按键下方的LED显示红色，表示保护功能无效。同理，“下降控制回路故障”检测功能的实现同“上升控制回路故障”功能检测一样。

图4 电动机定子异常失电检测

4）双高度限位装置检测

双高度限位装置检测操作界面如图5所示，点击按键“第一级高度限位开关检测”，实时采集监测电压和回路电流。如果连续采集5个监测电压值均大于20 V、连续采集5个回路电流值均小于1 mA时，则对应按键下方的LED显 示绿色，表示保护功能有效，否则对应按键下方的LED显示红色，表示保护功能无效。同理 “第二级高度限位开关检测”功能的实现与“第一级高度限位开关检测”相同。

图5 双高度限位装置检测

5）制动器接触器故障检测

制动器接触器故障检测操作界面如图6所示，点击按键“开始测试”，连续采集 5个制动器回路电流值，如果制动器回路电流值均小于 1 mA，则对应按键下方的LED显示绿色，表示保护功能有效，否则对应按键下方的LED显示红色，表示保护功能无效。

图6 制动器接触器故障检测

6）驱动装置故障检测

驱动装置故障检测操作界面如图7所示，2个按键互斥，即同时只有1个按键有效，当点击按键“模拟驱动装置一故障”，观察驱动装置2能否启动，并能保证起重机额载下能完成1个正常的工作循环，同理当点击按键“模拟驱动装置二故障”，观察驱动装置1能否启动，并能保证起重机额载下能完成一个正常的工作循环。

图7 驱动装置故障检测

4 结束语

本文设计的基于吊运熔融金属起重机安全保护装置综合检测系统的开发能快速、准确、高效诊断各项安全保护装置的有效性，保障吊运熔融金属起重机安全稳定运行，提高检验工作效率，弥补当前国内吊运熔融金属起重机安全保护装置综合检测技术上的空缺，提升吊运熔融金属起重机安全保护装置传统检测技术，保障企业吊运熔融金属起重机安全稳定运行，以适应我国吊运熔融金属起重机保有量大、需求量大、安全性能要求高、与上述安全保护引发的相关事故频发的形势相适应。