起重機械一般電動葫蘆更換為冶金電動葫蘆探討

劉家成

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院鹽城分院，江蘇鹽城，224000）

0 引言

國家市場監督管理總局特設局函（2020）47號文件對起重機械改造的定義為：改變原有主要受力結構件的結構形式、主要機構形式、主參數的活動，而將普通電動葫蘆更換為冶金電動葫蘆，則改變了起重機械的起升機構形式，故此行為的施工類別應該劃分為改造。GB 6067.5-2014《起重機械安全規程 第5部分 橋式和門式起重機》中14.2.6規定吊運熔融金屬的起重機，額定起重量不大于16t時，可采用電動葫蘆作為起升機構，由于起重機械品種較多，本文僅討論以電動葫蘆作為起升機構且額定起重量不大于16t的起重機（無司機室），具體品種有電動單梁起重機，電動葫蘆橋式起重機。

起重機械改造涉及的內容方方面面，本文從檢驗角度出發，考慮技術法規，起重機械自上而下，主要討論工作級別、冶金電動葫蘆及鋼絲繩三點。

1 工作級別

車間以電動葫蘆作為起升機構的起重機的工作級別一般為A3或A4，而吊運熔融金屬或熾熱物品的起重機的工作級別至少為A6（電動葫蘆的工作級別不應低于M6）。提高起重機整機的工作級別目前一般有兩種方案，一種是整機降級使用，如16t或10t降級為5t使用；另一種是改造主梁，即對主梁進行加高加寬，使其強度和剛度達到要求，改造主梁需要重新設計計算，且需動火。

1.1 整機降級使用

GB/T 3811-2008《起重機設計規范》中規定起重機整機的工作級別由起重機的使用等級和載荷狀態級別確定，具體表1。

表1 起重機整機的工作級別

由表1可以看出，工作級別A3在起重機使用等級不變的前提下，想要提升到至少A6的工作級別，則需原起重機的載荷狀態級別為Q1,且載荷譜系數KP提升8倍，KP的計算公式為：

其中：

Ci為起重機各個有代表性的起升載荷相應的工作循環數；

CT為起重機總工作循環數；

PQi為能表征起重機在預期壽命期內工作任務的各個有代表性的起升載荷；

PQmax為起重機的額定起升載荷；

m為冪指數，為了便于級別的劃分，約定取m=3。

根據公式（1）可以得出，如果工作循環數和代表起升載荷不變化，則額定起升載荷PQmax應減小為原來的一半，故提升工作級別A3到A6，若采用整機降級使用的方法，應至少考慮兩點：第一原起重機的載荷狀態級別為Q1，即很少吊運額定載荷，經常吊運較輕載荷；第二改造后的整機額定起升載荷需減小一半左右，如5t改為3t以下，10t改為5t，16t改為10t等。

1.2 改造主梁

若采用改造主梁的方法，且保持原額定載重量不變，則需考慮工作級別對撓度的影響，TSG Q7016-2016《起重機械安裝改造重大修理監督檢驗規則》規定對A1～A3級，撓度不大于S/700；對A4～A6級，撓度不大于S/800；對A7、A8級，撓度不大于S/1000，按最大撓度變換要求，可知在跨度不變的要求下，撓度上限要求應為原撓度要求的70%。根據公式：

其中：

f垂直為垂直靜剛度

P為額定載重量與葫蘆自重之和（不包括主梁自重）

S為跨度

E為彈性模量

IX為主梁水平截面的慣性矩

由公式（2）可知，當P、S、E不變，主梁水平截面的慣性矩應為原慣性矩的1.43倍，當然這里所有的考慮是處于極限狀態的設計考慮，如若起重機在原來設計就多預留了相關載荷，那么在之后的改造設計中應考量進去，但是應向檢驗人員提供計算說明書。主梁水平截面的慣性矩計算需要主梁截面圖及相關數據，詳見圖（1）和公式（3）、（4）、（5），由于要同原慣性矩進行比較，則設計單位或制造單位應向檢驗人員同時提供改造前和改造后的圖紙。

圖1 主梁截面圖

S0=L0t0，S1=h1t1，S2=L2t2，S3=L3t3，S4，I4，h2根 據 工字鋼型號查詢標準GB/T 706-2016可得。

主梁截面水平形心軸x-x位置：

主梁截面慣性矩：

圖（1），公式（3）、（4）、（5）中 ：

編號0、1、2、3、4分別對應著上蓋板，腹板，斜側板，工字鋼下方的補強鋼板及工字鋼

S對應截面面積

L對應板材寬度或高度

t對應板材厚度

I對應自身慣性矩

由圖（1）和公式（3）、（4）、（5）可以看出，影響主梁垂直靜剛度的主要因素為主梁的凈高和鋼材各部位的厚度，如果需要校核主梁垂直靜剛度是否達到要求，可要求設計單位或制造單位提供主梁截面圖，并將相應數據帶入公式（3）、（4）、（5），算出主梁水平截面的慣性矩Ix，之后將結果和原數據算出的結果進行比較，觀察是否為原主梁水平截面的慣性矩1.43倍以上，如果是，則主梁垂直靜剛度達到要求。當然，對于設計單位或制造單位而言，除了垂直靜剛度，還應考慮主梁水平靜剛度和端梁設計，以滿足主梁的整體穩定性。

2 冶金電動葫蘆檢驗的注意事項

正規廠家的冶金電動葫蘆按照國家相關標準生產，其配置已經基本滿足安全要求，例如GB 6067.5-2014中3.6.3規定以下翼緣作為運行軌道的、吊運熔融金屬或熾熱物品的起重機，應在起重小車底部設防輻射熱裝置， GB/T 3811-2008中5.9.1.8也提到主要承載結構的表面如果長期受到熱輻射作用，且表面溫度達150℃以上時，結構設計應考慮有效的隔熱防護措施，所以冶金電動葫蘆出廠時就自帶了反輻射的隔熱板，在檢驗時不需要做其余動作，只需現場觀察是否設置隔熱板。既然冶金電動葫蘆出廠時已經滿足國家相關標準，那么對于普通的電動單梁起重機改造為冶金橋式起重機，檢驗人員在檢驗中對于冶金電動葫蘆應該注意哪些要求呢？GB 6067.5-2014中給出了具體要求，總結有以下幾點：

2.1 布線部位及電氣設備采取保護措施，如設置隔熱層

這點同反輻射的隔熱板一樣，直接現場觀察是否設置。

2.2 滑輪

不得使用鑄鐵滑輪，使用單位或制造單位應向檢驗人員提供滑輪的合格證或者材質證明文件。

2.3 操作方式

采用遙控或者非跟隨式等遠離熱源的操作方式，并且保證操縱人員的操作視野，設置操作人員的安全通道。

2.4 超速保護裝置

GB 6067.5-2014中8.4.2規定對于吊運熔融金屬和其他危險物品的起重機，其起升機構應設超速保護，額定起重量不大于5t的電動葫蘆除外；常見的超速保護裝置有機械式超速裝置、電磁式超速裝置和光電式超速裝置。冶金電動葫蘆一般采用的是機械式超速裝置，在鋼絲繩卷筒上裝設機械式制動器作安全制動器，在機構失效或傳動裝置損壞導致物品超速下降，下降速度達到1.5倍額定速度前自動起作用，其制停距離要求為當工作制動器失靈時，安全制動器能可靠地支持住額定載荷且制動下滑量應不大于v/100（v為額定載荷下1min內穩定起升的距離，一般工作制動器下滑量要求為不大于v/65），且不大于200mm[1]。

2.5 安全制動器

超速保護裝置中提到了安全制動器，其結構型式見圖2。標準規定當起重機額定起重量大于5t時，電動葫蘆除設置一個工作制動器外，還應設置安全制動器，且設置在電動葫蘆的低速級上（當起重機額定起重量小于或等于5t時，也宜在低速級上設置安全制動器，否則電動葫蘆應按1.5倍額定起重量設計），并要求在正常作業時，安全制動器應在高速軸制動器閉合后延時閉合，其延時動作時間可調，進行緊急制動時，安全制動器應立即動作。

圖2 安全制動器結構

安全制動器的檢驗方法為提升額定載荷，人為調整錐形制動器，使其自由墜落過程中觸發安全制動器，觀察負載是否可靠制停，或者將電動葫蘆原有控制系統進行升級改造，選取變頻調速方式，通過人為調高供電頻率實現起升電機加速旋轉，從而驅動卷筒加速，觸發安全制動器動作[2]。

2.6 制動器控制

制動器控制應考慮兩種情況，一種是與電動機同時控制的制動器，另一種是與電動機分開控制的制動器。

2.6.1 與電動機同時控制的制動器

與電動機同時控制的制動器線路應設有保護裝置，在出現故障時能迅速切斷電動機和制動器的電源；如電動機接至制動器的導線長度不大于5m，制動器可不單獨設這樣的保護，而電動葫蘆本身含電動機與制動器一體，其連接導線長度自然不會大于5m，故不需設置保護裝置。

2.6.2 與電動機分開控制的制動器

與電動機分開控制的制動器的控制要采取預防措施，使得起動和制動時不出現任何失控的運動；如有電氣制動，機械制動應在電氣制動之后作用；電動機通電時制動器不得抱閘，短暫過渡狀態除外；制動器的控制應采取防止因一個接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。目前市場上大多數電動葫蘆（包括冶金葫蘆）的工作制動器采用的是錐形制動器，屬于與電動機同時控制的一種機械制動器，故電動葫蘆的工作制動器不需設置預防措施。

2.6.3 安全制動器的控制

由于安全制動器是晚于工作制動器動作，故安全制動器的控制肯定是與電動機分開的。故安全制動器的控制，都應有防止因一個接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。

2.7 限位

2.7.1 限位具體要求

吊運熔融金屬的起重機，主起升機構在上升極限位置應設置不同形式雙重二級保護裝置，并且能夠控制不同的斷路裝置，當起升高度大于20m時，還應當設置下降極限位置限位器。今年國家市場總局[2021]16號文件也開展了起重機械隱患排查治理工作，針對的正是高度限位裝置，由于高度限位裝置的配置不當、缺失、損壞和失效等原因，引起的事故所占比例較高，要求安裝（加裝）高度限位裝置，提高設備本質安全，這與吊運熔融金屬的起重機安全要求是一致的（其例外情況中安裝了傳動式高度限位裝置的橋、門式起重機不再要求設置“雙限位”裝置的要求不適用于吊運熔融金屬的起重機）。值得注意的是，雙限位要求是能夠控制不同的斷路裝置，一般第一限位設置在控制回路，第二限位設置在動力回路，見圖3、圖4。

圖3 第一限位電氣圖

圖4 第二限位電氣圖

2.7.2 試驗方法

其試驗方法是吊具上升到第一起升高度上限位置時，第一起升高度限位器動作，并自動切斷起升動力源，停止上升方向的運行，且應能保證下降方向運行的操作功能。在使用單位或安裝單位的配合下，斷開主電源開關并在其出線端驗電確認，人為短接第一起升高度限位器觸點。吊具繼續上升到第二起升高度上限位置時，第二起升高度限位器動作，并自動切斷更高一級的起升動力源（如第一級起升高度限位器分斷上升接觸器回路，第二級起升高度限位器分斷總電源接觸器回路等）后停止上升方向的運行（此時可不要求下降方向運行的操作功能）。試驗結束后，需將起升高度限位器恢復至正常狀態。

3 鋼絲繩

3.1 鋼絲繩安全系數

GB 6067.5-2014中4.3.1.2規定吊運熔融金屬或熾熱物品的起重機，應采用性能不低于GB 8918-2006《重要用途鋼絲繩》規定的金屬繩芯（IWR）或金屬股芯（IWS）的耐高溫鋼絲繩；安全系數應符合GB/T 3811-2008中相關規定，對于額定起重量不大于16t的起重機，其安全系數不應小于5.6，這里需要注意的是安全系數5.6對應的是機構工作級別為M6的運動繩，而鋼絲繩選用與機構工作級別息息相關，故當電動葫蘆的工作級別為M7或M8時，其鋼絲繩安全系數對應不小于7.1和9。

3.2 鋼絲繩直徑

目前冶金起重機用鋼絲繩基本結構為6×19W-IWRC或6×36WS-IWRC，而 6×36WS-IWRC 較 6×19W-IWRC 的柔性更好，價格也更高，用于冶金電動葫蘆一般采用6×19W-IWRC較多，6×19W-IWRC冶金起重機用鋼絲繩公稱直徑范圍普遍在φ12-40mm之間，鋼絲繩公稱抗拉強度多選用1670MPa、1770MPa、1870MPa 三種[3]居多，根據公式（6）：

其中：

F0為鋼絲繩的整繩最小破斷拉力，單位為千牛（KN）

S為鋼絲繩最大工作靜拉力，單位為牛頓（KN）

n為鋼絲繩的最小安全系數

以額定起重量為16t，工作級別為A6的吊運熔融金屬或熾熱物品的電動單梁起重機舉例，其鋼絲繩最大工作靜拉力S=16?9.8÷4=39.2，n取5.6，則鋼絲繩的整繩最小破斷拉力F0應為220KN，若選用公稱抗拉強度1870MPa的鋼芯鋼絲繩，查表可得最小鋼絲繩直徑為18mm[4]。

4 結束語

針對使用單位將普通葫蘆更換為冶金葫蘆，本文從技術法規方面出發，以檢驗角度分析探討了注意事項。通過本文可以得出，將普通葫蘆更換為冶金葫蘆不僅技術要求較高，而且成本較大，故現場發現此現象，檢驗人員一般不建議使用單位進行改造，而建議使用單位復原到設備原本狀況，如使用單位的確需要吊運熔融金屬或熾熱物品，則建議使用單位再重新購置一臺吊運熔融金屬或熾熱物品的起重機械。