鑄造起重機起升機構典型方案比較及棘輪機構的應用

徐 進

（太原重工股份有限公司技術中心起重所， 山西 太原 030024）

鑄造橋式起重機是煉鋼工藝中的關鍵設備之一，主要用于轉爐加料跨向轉爐兌鐵水、鋼水接收跨將鋼水罐吊運到連鑄大包回轉臺上或在精煉跨將鋼水罐吊運到精煉爐上。起升機構作為起重機的核心功能部件，其運行可靠性無疑是整臺起重機設計中的關鍵所在。由于其吊運液態金屬發生故障造成的損失巨大，嚴重時甚至會造成人員傷亡，所以在設計的時候通常采用冗余機構來確保其可靠性。

1 典型起升機構方案

主起升機構的傳動鏈設計有以下兩種方案：

1）主起升機構應當設置兩套驅動裝置，并在輸出軸剛性連接，如圖1所示。

圖1 雙減速器低速軸剛性連接雙卷筒方案

2）主起升機構設置兩套驅動裝置，在輸出軸上無剛性連接或起升機構設置一套驅動裝置時，均應在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器，如圖2所示。

2 高速軸剛性連接雙卷筒方案

圖2 高速軸剛性連接雙卷筒方案

因第2）種方案中用到安全制動器，先介紹一下安全制動器的工作原理。安全制動器一般設置在卷筒制動盤上，起重機電源上電后系統自檢，當檢測顯示各子系統狀態正常時，安全制動器打開。機構正常工作時，安全制動器不動作；當位于兩個卷筒軸上的編碼器檢測到兩卷筒轉速不一致時，系統判定有一套機構的傳動軸發生斷裂，安全制動器抱閘；或者當兩個編碼器檢測速度一致，但是速度超過預設轉速的1.2倍時，系統判定速度超限，安全制動器抱閘。

從機械連接角度來講，方案2）的優點是：抱閘響應速度快，可以在傳動鏈失效時迅速動作，有效避免重大安全事故。缺點是：高速抱閘時會產生巨大的沖擊力，有可能造成卷筒底座撕裂、主梁開裂等重大機械損傷。再者，安全制動器本身也需要經常維護，以確保關鍵時刻能夠正常工作[1]。

從電氣調試角度來講，由于安全制動器抱閘響應時間較短，一般為300 ms左右，為了避免高速抱閘產生的沖擊對結構件造成損壞，通常系統會預設，高速軸側的工作制動器先抱閘，斷開動力源，然后安全制動器再抱閘。這種做法理論上可以有效緩解機械沖擊，但是實際情況是：工作制動抱閘響應時間一般為500～600 ms，比安全制動器響應時間長。為了實現工作制動器先抱閘，必須在系統內預設一個安全制動器抱閘的延時。這個延時如果太短，不能實現目的，如果太長，有可能造成卷筒超速嚴重，超出安全制動器的制動能力。恰當的延時需要有豐富的經驗積累，同時還需要現場多次調試才能完成。但是，即使現場調試妥當，初期試驗效果良好，由于長時間運行后電氣元件會出現不同程度的老化，當安全制動器真正動作時，也不能100%地保證工作制動器先于安全制動器抱閘。鑒于以上幾點，安全制動器在行業中的應用程度不高。

3 雙減速器低速軸剛性連接雙卷筒方案

目前240 t以下鑄造起重機上應用最廣泛的還是第1）種方案，如圖1所示，該方案中主起升機構采用兩套驅動裝置，兩個減速器的低速軸使用同步聯軸器剛性連接。當其中一臺電動機或一套電控裝置發生故障時，另一套裝置能保證在額定起重量下安全地完成一個工作循環。即使一套機構發生類似于斷軸的故障，還有一套機構可以支撐負載平穩工作至少一個循環，以此來保證設備運行安全。該方案避免了安全制動器動作時的機械沖擊。

在控制系統方面，當起升機構采用變頻調速控制系統，一套裝置控制兩個電動機通過各自連接的減速器將扭矩傳遞給相應的卷筒，此時，兩個電動機的轉速相同，啟動制動同步進行，減速器低速軸上的同步聯軸器幾乎不受力。如果使用定子調壓調速系統，兩套驅動裝置的運行同步性稍差，但是基本能滿足兩套機構協同工作[2]。

如果電控系統為串電阻調速系統的話，不能保證兩個電動機動作的同步性，造成高速軸有轉速差或相位差，由于兩個減速器的低速軸端使用同步聯軸器剛性連接，低速軸轉速相同、相位相同。此時傳動鏈內部必然會產生有害的內應力。此時必須使用棘輪機構來釋放兩套傳動鏈的內應力。

4 棘輪機構的應用

棘輪機構由于其單向傳遞運動和扭矩的特征，常在起重機的主起升機構中成對使用，以避免產生有害的內力。如圖3所示。棘輪機構結構圖如圖4所示，棘輪機構內部組件示意圖如圖5所示。

圖3 棘輪機構在雙減速器雙卷筒剛性連接方案中應用

下面通過機構運轉的四個臨界狀態來展示棘輪機構釋放內力的作用過程：

1）起升啟動狀態：由于電控系統誤差造成兩個電機啟動不同步，導致先啟動的電動機超載（一拖二），假設左側減速器先運轉，該減速器棘輪機構的棘齒輪主動旋轉并通過卡在棘齒槽內的棘爪帶動輪轂轉動，輪轂與下一級齒輪軸通過平鍵連接傳遞扭矩到低速軸，同步聯軸器將該減速器低速軸的轉速和扭矩傳遞給右側減速器的低速軸，最終帶動右側棘輪機構的輪轂主動旋轉，帶動棘爪在棘齒輪上打滑（輪轂與棘齒輪之間通過自潤滑軸套保證同軸轉動），釋放內力，如圖6所示。

圖4 棘輪機構結構圖

圖5 棘輪機構內部組件示意圖

圖6 棘爪與棘輪相對滑動示意圖

2）起升制動狀態：由于電控系統誤差造成兩個工作制動器制動不同步，假設左側工作制動器先上閘，右側電機依然工作，扭矩將從右側減速器的低速軸傳入左側減速器，帶動左側棘輪機構的輪轂反向轉動，從而出現棘爪打滑，釋放內力。

3）下降啟動狀態：由于卷筒上的鋼絲繩拉力方向始終向下，所以不管是起升狀態還是下降狀態，減速器內部的齒輪受力方向不變。也就是說，在下降狀態時，兩個減速器內部棘輪機構都處于傳遞扭矩的鎖止狀態，如果單獨打開左側或右側減速器的工作制動器，載荷不會下降，此時，沒有打開的工作制動器承受兩個卷筒上的全部扭矩。只有兩側減速器的工作制動器同時打開時，載荷才會放下，此時，兩邊電動機同時處于發電狀態，克服卷筒扭矩使載荷平穩下降。

4）下降制動狀態：下降制動時，只要任意一側減速器的工作制動器上閘，就會使卷筒制動，提高制動的可靠性。

5 結語

采用雙減速器低速軸剛性連接雙卷筒方案，通過冗余設計，保證了機構運行的安全性與可靠性，同時配合使用雙棘輪機構，實現了兩套驅動機構之間功率流的柔性對接，避免了兩套驅動機構動作不同步時產生的有害內應力，提高設備的使用壽命和運行安全性。

[1]《機械設計手冊》聯合編寫組.機械設計手冊：第2版（修訂）[M].北京：化學工業出版社，1987.

[2]中國國家標準化管理委員會：起重機設計規范GB/T 3811—2008[S].2009-06-01.