建筑塔機(jī)溜鉤故障分析及防止對(duì)策

王繼東， 閆玉萍, 李 晶

(1. 鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 450044; 2. 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系, 河南 鄭州 451460)

建筑塔機(jī)溜鉤故障分析及防止對(duì)策

王繼東1， 閆玉萍2, 李 晶1

(1. 鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 450044; 2. 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系, 河南 鄭州 451460)

采用分類分析法和理論分析法，對(duì)塔機(jī)溜鉤故障進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，詳述了引起塔機(jī)溜鉤故障的各種可能原因，并為塔機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用者提供了避免溜鉤發(fā)生、保證塔機(jī)安全的應(yīng)對(duì)策略。

塔式起重機(jī); 溜鉤； 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)； 電氣控制系統(tǒng)

建筑用塔式起重機(jī)(以下簡稱塔機(jī))的安全運(yùn)行直接關(guān)系到建設(shè)工程的施工進(jìn)度以及設(shè)備和人身安全。多年來塔機(jī)的溜鉤故障一直是困擾塔機(jī)用戶的一個(gè)重要難題。在工程建設(shè)過程中，塔機(jī)的溜鉤故障時(shí)有發(fā)生、甚至?xí)磸?fù)發(fā)生。塔機(jī)出現(xiàn)溜鉤，輕則會(huì)造成所吊物體難以準(zhǔn)確就位、影響施工進(jìn)度，重則會(huì)造成設(shè)備損壞和人身安全，每年因溜鉤故障造成的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大，為此有必要對(duì)塔機(jī)的溜鉤故障進(jìn)行深入研究和分析。本文將從起升機(jī)構(gòu)的構(gòu)成和工作原理出發(fā)，系統(tǒng)地對(duì)塔機(jī)的溜鉤原因和防止對(duì)策進(jìn)行深入探討。

1 塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及工作原理

起升機(jī)構(gòu)是塔機(jī)最基本的工作機(jī)構(gòu)，起升機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是升降機(jī)構(gòu)工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，典型的起升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)見圖1。

圖1 起升機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)用于控制機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)和操作，主要由操作手柄、邏輯電路、調(diào)速系統(tǒng)等組成。

安全保護(hù)系統(tǒng)用于保障起升機(jī)構(gòu)在安全區(qū)域內(nèi)工作而不發(fā)生事故，主要包括超載限制器、高度限位器、超速開關(guān)等。

起升機(jī)構(gòu)工作原理：在電氣控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)的控制和保護(hù)下，電動(dòng)機(jī)正向或者反向旋轉(zhuǎn)，并通過聯(lián)軸器、減速器帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，將鋼絲繩卷入或放出，經(jīng)過滑輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)吊鉤上升或下降；或者電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)、制動(dòng)器抱閘使吊鉤連同貨物靜止在空中。起升機(jī)構(gòu)工作流程見圖2。

圖2 起升機(jī)構(gòu)工作流程

2 溜鉤的概念及分類

起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行或停車時(shí)，所吊物體超標(biāo)下滑或失控下落[2]的現(xiàn)象稱作溜鉤。為了便于對(duì)溜鉤分析，根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的工作原理和操作過程把溜鉤分為以下5種情況：

(1) 停車制動(dòng)時(shí)的溜鉤。電氣控制過程停止，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，制動(dòng)器制動(dòng)，貨物下滑行程超過50～60 mm[3]或者失控下落。

(2) 制動(dòng)過程中的溜鉤。手柄從運(yùn)行檔位扳回零位，從電動(dòng)機(jī)開始減速、制動(dòng)器開始制動(dòng)到制動(dòng)過程結(jié)束的期間內(nèi)，貨物下溜或失速下落。

(3) 提升操作過程中的溜鉤。手柄從零位扳到提升工作檔位，制動(dòng)器打開，電動(dòng)機(jī)開始加速，直到穩(wěn)定運(yùn)行，貨物下溜或失控下落。

(4) 下降操作過程中的溜鉤。手柄從零位扳到下降工作檔位，制動(dòng)器打開，電動(dòng)機(jī)開始加速直到穩(wěn)定運(yùn)行，貨物發(fā)生下溜或失控下落。

(5) 因違章操作引起的溜鉤。

3 溜鉤的原因分析及防止對(duì)策

從上述起升機(jī)構(gòu)的組成和操作原理可知影響起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行和停車的關(guān)鍵部件是電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、電氣控制系統(tǒng)以及安全保護(hù)系統(tǒng)。

3.1 停車制動(dòng)時(shí)的溜鉤

制動(dòng)器是保證起重機(jī)安全運(yùn)行的重要部件，塔機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，一般選用電力液壓塊式制動(dòng)器，并要求在起升機(jī)構(gòu)停車，電動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力后，制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于所吊貨物產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩，以保證起吊貨物可靠停在空中某個(gè)位置。并具有足夠的安全裕度,即滿足公式：

Mze≥Kz·Mj[4]

(1)

式中，Mze為制動(dòng)器的額定制動(dòng)力矩；Mj為起升機(jī)構(gòu)額定載荷所產(chǎn)生的靜力矩；Kz為制動(dòng)器的安全系數(shù)。

設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)時(shí)，不僅要滿足式(1)和Kz的要求，還要符合GB/T3811—2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]的要求。制動(dòng)器的額定制動(dòng)力矩具有很大的安全系數(shù)(工作級(jí)別和使用場合不同，Kz=1.5,1.75,2.0,2.4)，所以理論上，停車制動(dòng)時(shí)應(yīng)不會(huì)發(fā)生溜鉤故障。但是，在實(shí)際的工作中，制動(dòng)器的實(shí)際制動(dòng)力矩即制動(dòng)塊與制動(dòng)輪之間的摩擦力矩有(其他類型制動(dòng)器計(jì)算方法基本類似):

Mz=NμD

(2)

式中：Mz為制動(dòng)器的實(shí)際工作力矩；N為瓦塊的正壓力；μ為摩擦系數(shù)；D為制動(dòng)輪直徑。

N、μ、D這3個(gè)參數(shù)會(huì)隨著氣候、環(huán)境、設(shè)備的運(yùn)行狀況的改變而變化，當(dāng)制動(dòng)器的實(shí)際制動(dòng)力矩小于貨物的靜力矩時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)停車制動(dòng)時(shí)的溜鉤。所以引起3個(gè)參數(shù)減小的原因就是發(fā)生這類溜鉤的主要原因。

3.1.1 制動(dòng)塊和制動(dòng)輪間的摩擦系數(shù)μ降低

(1) 當(dāng)制動(dòng)輪表面有油污、被雨淋或受潮時(shí)，會(huì)造成制動(dòng)面摩擦系數(shù)μ減小，導(dǎo)致制動(dòng)力矩減小，引起溜鉤故障的發(fā)生。預(yù)防對(duì)策：在塔機(jī)的使用過程中，要對(duì)起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器做好防護(hù)，使制動(dòng)輪表面保持清潔和干燥，避免油污、油漆、潤滑油或其他雜物黏附，避免雨水噴淋，保持摩擦系數(shù)的恒定，防止因摩擦系數(shù)降低導(dǎo)致溜鉤故障的發(fā)生。

(2) 制動(dòng)間隙過小或打開不均勻,制動(dòng)器在制動(dòng)過程中兩側(cè)或一側(cè)的間隙過小[6]，造成制動(dòng)塊與制動(dòng)輪頻繁摩擦,制動(dòng)輪嚴(yán)重發(fā)熱引起摩擦系數(shù)降低產(chǎn)生溜鉤故障。

預(yù)防對(duì)策：按照制動(dòng)器產(chǎn)品說明書的技術(shù)要求，定期均勻調(diào)整制動(dòng)間隙。

3.1.2 制動(dòng)塊和制動(dòng)輪間的正壓力降低

(1) 制動(dòng)器杠桿系統(tǒng)中某些活動(dòng)關(guān)節(jié)(鉸鏈)被卡住，造成停車時(shí)正壓力減小，引起制動(dòng)力矩減小或消失，導(dǎo)致溜鉤故障的發(fā)生。

預(yù)防對(duì)策：定期用潤滑油潤滑活動(dòng)關(guān)節(jié)，保持活動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)作靈活。

(2) 主彈簧過松、制動(dòng)間隙過大或推桿行程不到位，造成停車時(shí)正壓力減小，導(dǎo)致溜鉤故障發(fā)生。

預(yù)防對(duì)策：按產(chǎn)品說明書定期調(diào)整主彈簧松緊、制動(dòng)間隙和推桿行程。

3.1.3 制動(dòng)輪的直徑減小

制動(dòng)輪表面磨損嚴(yán)重，致使制動(dòng)輪直徑D減小，制動(dòng)器制動(dòng)力矩減小，導(dǎo)致溜鉤故障的發(fā)生。

預(yù)防對(duì)策：及時(shí)更換制動(dòng)輪。

3.2 制動(dòng)過程中的溜鉤

從司機(jī)給出停車指令到電動(dòng)機(jī)完全停止、制動(dòng)器完全閉合這一過程稱為制動(dòng)過程。在這個(gè)過程中，隨著電氣控制系統(tǒng)控制過程的結(jié)束，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Mdc逐漸減少，制動(dòng)器的制動(dòng)力矩Mzd逐漸增加。如果由于某種原因的變化造成Mdc+Mzdlt;MJ,就會(huì)造成起吊貨物的失控下溜。主要原因如下：

(1) 在制動(dòng)過程中，線路電壓太低[9]使電動(dòng)機(jī)的工作力矩低于負(fù)載力矩[7]，或電動(dòng)機(jī)突然失電，而此時(shí)制動(dòng)器還沒有完全制動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致Mdc+Mzdlt;MJ引起溜鉤故障。

預(yù)防對(duì)策：定期檢查和維護(hù)電氣控制系統(tǒng)，保證供電電源的可靠性；保證起重機(jī)內(nèi)部電壓降不超過5%[8]。

(2) 電氣控制系統(tǒng)的控制程序錯(cuò)誤，制動(dòng)器制動(dòng)動(dòng)作延時(shí)，即制動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩過小或完全消失后才開始閉合，導(dǎo)致Mdc+Mzdlt;MJ而引起溜鉤故障。這種現(xiàn)象常發(fā)生在采用變頻調(diào)速器、直流調(diào)速器、定子調(diào)壓調(diào)速器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)軟制動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能而忽略了對(duì)準(zhǔn)確停車時(shí)間的調(diào)整，會(huì)發(fā)生這類溜鉤。

預(yù)防對(duì)策：調(diào)整電氣控制系統(tǒng)控制程序，使電動(dòng)機(jī)在速度降低到軟制動(dòng)設(shè)置速度，系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)器閉合指令后，調(diào)速裝置繼續(xù)保持電動(dòng)機(jī)具有一定的電磁轉(zhuǎn)矩，直到制動(dòng)器制動(dòng)過程完全結(jié)束。這樣設(shè)置，既可以實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的軟停車功能，又能保證起升機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確停車。

(3) 電氣控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生故障比如控制制動(dòng)器的接觸器粘連[9]，導(dǎo)致制動(dòng)器無法斷電閉合，或者制動(dòng)器受電磁干擾的影響而錯(cuò)誤打開，或者調(diào)速器故障造成制動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)過早失磁，都會(huì)引起溜鉤故障的發(fā)生。

預(yù)防對(duì)策：采用閉環(huán)控制、冗余設(shè)計(jì)和抗干擾技術(shù)提高電氣系統(tǒng)控制的可靠性，減少系統(tǒng)的故障率。增加應(yīng)急控制程序，即一旦發(fā)生意外溜鉤，立即啟動(dòng)緊急停車功能。對(duì)于安全要求較高的場合應(yīng)增加一套安全制動(dòng)器。定期進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和保養(yǎng)，減少系統(tǒng)控制元件因環(huán)境因素影響出現(xiàn)故障。

3.3 提升操作過程的溜鉤

把操作手柄從零位扳向提升工作檔位，起升機(jī)構(gòu)由停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為提升運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)起吊貨物所受的合成力矩為Mhc=Mq-(Mj+Mm)，式中Mj為起吊貨物的靜力矩，Mm為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩，Mq為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq必須滿足Mq≥Mj+Mm才能逐漸加速啟動(dòng)。啟動(dòng)完畢穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Mdc=Mj+Mm，電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，起升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)貨物穩(wěn)速提升。

如果起升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq≤Mj+Mm，貨物不僅不能提升，反而會(huì)下滑，產(chǎn)生溜鉤故障。或者穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)Mdclt;Mj+Mm，起升機(jī)構(gòu)就會(huì)減速運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)溜鉤故障。

引起這類溜鉤故障的主要原因如下：

(1) 在提升操作過程中，電源電壓太低或電動(dòng)機(jī)突然失電，造成Mq降低或消失，導(dǎo)致Mq≤Mj+Mm。

預(yù)防對(duì)策：定期檢查和維護(hù)電氣控制系統(tǒng)，保證供電電源的可靠性；保證起重機(jī)內(nèi)部電壓降不超過5%。

(2) 電氣控制系統(tǒng)的控制程序錯(cuò)誤，制動(dòng)器打開太早，即制動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩還沒有建立時(shí)就打開，造成Mq≤Mj+Mm，引起溜鉤。

預(yù)防對(duì)策：調(diào)整電氣控制系統(tǒng)控制程序，增加時(shí)序控制，檢測電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值，當(dāng)滿足Mq≥Mj+Mm后再給出指令打開制動(dòng)器。

(3) 電氣控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生故障，比如調(diào)速器故障或保護(hù)裝置動(dòng)作在制動(dòng)器閉合前電動(dòng)機(jī)提前失磁，導(dǎo)致溜鉤故障的發(fā)生。

預(yù)防對(duì)策：采用閉環(huán)控制、冗余設(shè)計(jì)和抗干擾技術(shù)提高電氣系統(tǒng)控制的可靠性，減少系統(tǒng)的故障率。增加應(yīng)急控制程序，即一旦發(fā)生意外溜鉤，立即啟動(dòng)緊急停車功能。對(duì)于安全要求較高的場合應(yīng)增加一套安全制動(dòng)器。定期進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和保養(yǎng)，減少系統(tǒng)控制元件因環(huán)境因素影響出現(xiàn)故障。

3.4 下降操作時(shí)的溜鉤

在起升機(jī)構(gòu)下降啟動(dòng)的瞬間,起吊貨物所受的合成力矩Mhc=Mm-(Mj+Mq)。啟動(dòng)的初期，Mhc=Mm-(Mj+Mq)≥0，即貨物的靜力矩Mm≥Mj+Mq，電動(dòng)機(jī)在貨物的拖動(dòng)下加速啟動(dòng)，隨著速度的增加，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩越來越大，當(dāng)合成力矩Mhc=Mm-(Mj+Mdc)=0時(shí)電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，起升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)貨物穩(wěn)速下降。

在下降啟動(dòng)過程中或者穩(wěn)速下降運(yùn)行中，如果因某種原因電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小或?yàn)榱悖浳飳?huì)失速下滑，導(dǎo)致溜鉤故障發(fā)生。

導(dǎo)致下降時(shí)出現(xiàn)溜鉤的原因和預(yù)防對(duì)策和3.3節(jié)相同。

3.5 違章操作引起的溜鉤

常見的違章操作有以下兩種情況：

(1) 超載使用、斜拉斜拽、操作過猛[10]、大風(fēng)作業(yè)，致使Mqlt;Mj+Mm，導(dǎo)致溜鉤故障發(fā)生。

(2) 在發(fā)生意外溜鉤故障時(shí)，司機(jī)進(jìn)行反向操作，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)反復(fù)處在啟動(dòng)過程之中，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法建立，導(dǎo)致溜鉤故障加劇。

預(yù)防對(duì)策：為防止違章操作引起的溜鉤故障，要完善超載保護(hù)器、大風(fēng)報(bào)警器對(duì)操作回路的聯(lián)鎖控制，防止超載作業(yè)。出現(xiàn)意外溜鉤故障時(shí)要禁止通過反向操作的方式[11]應(yīng)對(duì)溜鉤故障，應(yīng)及時(shí)操作緊急停止按鈕、切斷電源，強(qiáng)制停車，防止故障擴(kuò)大。對(duì)操作人員要定期進(jìn)行安全操作培訓(xùn)，使之養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，防止誤操作的發(fā)生。

4 結(jié)語

綜上所述，引起起重機(jī)的溜鉤故障的原因是多方面的，有機(jī)械部件的原因、電氣控制的原因、供電電源的原因、作業(yè)環(huán)境的原因、違章操作的原因以及電磁干擾的原因。有時(shí)候常常是多種因素的組合作用造成的溜鉤故障。因而在分析和處理溜鉤故障時(shí)，切記頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳，進(jìn)行簡單的處理，而要以起升機(jī)構(gòu)工作原理為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合分析，制定出一個(gè)系統(tǒng)的防溜鉤措施，才能從根本上防止起重機(jī)溜鉤故障的發(fā)生。建議起重機(jī)研發(fā)和制造單位，綜合分析引起溜鉤故障的各種原因，利用傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，研發(fā)一套起重機(jī)防溜鉤控制系統(tǒng)以消除起重溜鉤隱患[12]，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)的安全保護(hù)，保證起重機(jī)的使用安全，提高起重機(jī)的工作效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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Analysis and prevention countermeasures for gliding hook fault of construction tower crane

Wang Jidong1, Yan Yuping2, Li Jing1

(1. School of Civil Engineering, Zhengzhou Institute of Technology， Zhengzhou 450044， China； 2. Architectural Engineering Department, Zhengzhou Railway Vocational and Technical College， Zhengzhou 451460， China)

The gliding hook fault of the tower crane is systemically analyzed by using the classification analysis method and the theoretical analysis method, the various possible causes of the tower crane gliding hook fault are elaborated in detail and the countermeasures for the design and manufacturing of tower cranes and their users are also provided to avoid the occurrence of gliding hooks and ensure the safety of tower cranes.

tower crane; gliding hook; mechanical driven system; electrical control system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.012

TH213.6

B

1002-4956(2017)11-0042-04

2017-05-08

鄭州工程技術(shù)學(xué)院建筑電氣與智能化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(CXTD2017K4)

王繼東(1965—)，男，河南周口，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖb備自動(dòng)化技術(shù).

E-mail1209732553@qq.com