起升機(jī)構(gòu)安全冗余設(shè)計(jì)

李 荔

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

起升功能是起重機(jī)最基本的一項(xiàng)功能，因此起升機(jī)構(gòu)是起重機(jī)最重要的部件，如果起升機(jī)構(gòu)失效，將對(duì)人員和經(jīng)濟(jì)造成特別嚴(yán)重的后果，所以起升機(jī)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)尤為重要。由于起升機(jī)構(gòu)在起重設(shè)備中的重要性，對(duì)于起升機(jī)構(gòu)的安全規(guī)范設(shè)計(jì)，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都有詳細(xì)的要求。本文主要以橋式起升機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，該起升機(jī)構(gòu)主要包括起升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電機(jī)，減速箱，聯(lián)軸節(jié)，制動(dòng)器）和鋼絲繩纏繞系統(tǒng)（鋼絲繩，滑輪，卷筒），相關(guān)安全與冗余設(shè)計(jì)以這些內(nèi)容為主。

1 起升機(jī)構(gòu)各零部件的安全設(shè)計(jì)

起升機(jī)構(gòu)中各零部件的選型必須有足夠的安全冗余要求。起重設(shè)備由于不同的使用環(huán)境、使用時(shí)間和使用頻率的要求，對(duì)應(yīng)的有不同的機(jī)構(gòu)組別，因此對(duì)各零部件的選型和配置的要求也不同，具體可分為三種。

1.1 增加零部件安全系數(shù)

在起重機(jī)構(gòu)零部件選型及設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，要增大其安全系數(shù)，使其所選零件有足夠的富余量，實(shí)現(xiàn)保守設(shè)計(jì)。如電機(jī)，減速箱，制動(dòng)器，聯(lián)軸節(jié)和鋼絲繩直徑等部件選型與設(shè)計(jì)，安全系數(shù)要在滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，適當(dāng)增加安全系數(shù)。

1.2 增加備用起升驅(qū)動(dòng)設(shè)備

對(duì)于起升機(jī)構(gòu)零件安全設(shè)計(jì)，不僅需要考慮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全，還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加備用驅(qū)動(dòng)，如增加起升應(yīng)急機(jī)構(gòu)，來(lái)保證在主起升驅(qū)動(dòng)失效時(shí)，起重機(jī)可以利用應(yīng)急起升機(jī)構(gòu)對(duì)貨物進(jìn)行應(yīng)急起升。

1.3 增加低速制動(dòng)器裝置

在起重機(jī)構(gòu)起升卷筒上部或尾部安裝低速制動(dòng)器，可以進(jìn)一步提升起重機(jī)的工作安全性，比如當(dāng)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生失速情況是，低速制動(dòng)器裝置可以通過(guò)制動(dòng)起升卷筒，有效防止貨物的墜落，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2 起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)安全冗余設(shè)計(jì)

對(duì)特別重要的起升機(jī)構(gòu)，單獨(dú)增大某一個(gè)零部件的安全余量是不能滿足安全要求的，只有提升起升機(jī)構(gòu)的整體可靠性，采用系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，才能保證起升系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與安全。系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)是指重復(fù)配置某些關(guān)鍵部件，當(dāng)系統(tǒng)任何一個(gè)位置發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)冗余設(shè)備或部件就可以介入工作，承擔(dān)已損失設(shè)備或部件的功能，為系統(tǒng)提供服務(wù)，保證設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性。下面筆者就針對(duì)影響起升安全較大的兩項(xiàng)起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)做出詳細(xì)介紹。

2.1 驅(qū)動(dòng)裝置安全冗余

為保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體可靠性，本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用雙倍配置，當(dāng)一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，另一套完全相同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即可投入工作，保證起升工作能夠順利完成。

設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：第一，減速箱采用雙高速軸輸入形式，驅(qū)動(dòng)采用兩套電機(jī)，減速箱高速軸端安裝兩個(gè)相同功率的電機(jī)。起升電機(jī)功率按照單電機(jī)作業(yè)起升載荷所需的功率進(jìn)行計(jì)算。正常作業(yè)時(shí)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，如果一個(gè)電機(jī)發(fā)生故障，另一個(gè)完全相同功率的電機(jī)同樣滿足起吊載荷的要求；第二，每組驅(qū)動(dòng)配兩個(gè)高速制動(dòng)器，如果一個(gè)制動(dòng)器發(fā)生故障，另外一個(gè)制動(dòng)器同樣能夠起到安全制動(dòng)作用。

2.2 鋼絲繩纏繞安全冗余。

本設(shè)計(jì)中，起升機(jī)構(gòu)采取雙套起升鋼絲繩纏繞方式，即每個(gè)吊點(diǎn)使用兩根鋼絲繩。采用這種方式，可以雙倍保證鋼絲繩的安全系數(shù)要求。傳統(tǒng)的單套鋼絲繩纏繞法，一個(gè)吊點(diǎn)只用一根鋼絲繩，如果鋼絲繩突然發(fā)生斷裂，該吊點(diǎn)就會(huì)發(fā)生傾斜，無(wú)法保證重要貨物四角在任何狀況下水平的要求。而按照本設(shè)計(jì)采用雙套起升鋼絲纏繞方法，每個(gè)吊點(diǎn)有兩根鋼絲繩，即使一根鋼絲繩斷裂，還有一根鋼絲繩處于工作狀態(tài)，能夠保證吊點(diǎn)的穩(wěn)定平衡，具體如圖1所示。從每個(gè)卷筒分出兩根鋼絲繩（以紅色和綠色示意），通過(guò)滑輪組連接到吊點(diǎn)上，正常工作時(shí)，每個(gè)吊點(diǎn)的兩個(gè)鋼絲繩都承受載荷，如果有一根鋼絲繩斷裂，該吊點(diǎn)剩余的一根鋼絲繩承受該吊點(diǎn)載荷，保證不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)角的鋼絲繩斷裂發(fā)生吊點(diǎn)傾斜的問(wèn)題。

另外，雙套起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中，每個(gè)吊點(diǎn)的兩根鋼絲繩尾都連接到一個(gè)平衡裝置上，即每個(gè)吊點(diǎn)的兩根鋼絲繩是通過(guò)平衡裝置串聯(lián)的，平衡裝置使兩根鋼絲繩承受相同的載荷，防止在安裝鋼絲繩時(shí)，每根鋼絲繩由于長(zhǎng)短松緊誤差導(dǎo)致的受力不均，具體裝置如圖2所示。

圖1 雙套起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)

圖2 雙套起升鋼絲繩平衡裝置

3 結(jié)語(yǔ)

保證起重機(jī)安全流暢的工作是設(shè)計(jì)工程師必須關(guān)注的問(wèn)題，起重機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)知的安全隱患，因此在設(shè)計(jì)初期就要對(duì)重要起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全冗余設(shè)計(jì)，盡可能把可能出現(xiàn)的安全隱患考慮進(jìn)去，通過(guò)合理的安全設(shè)計(jì)避免起重機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)生安全事故。作為起重機(jī)基本功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，起升機(jī)構(gòu)安全冗余設(shè)計(jì)能有效防止部件故障導(dǎo)致的起升失效事件發(fā)生，降低人員傷亡和貨物經(jīng)濟(jì)損失。