鑄造起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)典型方案比較及棘輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

徐 進(jìn)

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心起重所， 山西 太原 030024）

鑄造橋式起重機(jī)是煉鋼工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于轉(zhuǎn)爐加料跨向轉(zhuǎn)爐兌鐵水、鋼水接收跨將鋼水罐吊運(yùn)到連鑄大包回轉(zhuǎn)臺上或在精煉跨將鋼水罐吊運(yùn)到精煉爐上。起升機(jī)構(gòu)作為起重機(jī)的核心功能部件，其運(yùn)行可靠性無疑是整臺起重機(jī)設(shè)計中的關(guān)鍵所在。由于其吊運(yùn)液態(tài)金屬發(fā)生故障造成的損失巨大，嚴(yán)重時甚至?xí)斐扇藛T傷亡，所以在設(shè)計的時候通常采用冗余機(jī)構(gòu)來確保其可靠性。

1 典型起升機(jī)構(gòu)方案

主起升機(jī)構(gòu)的傳動鏈設(shè)計有以下兩種方案：

1）主起升機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)設(shè)置兩套驅(qū)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(jī)構(gòu)設(shè)置兩套驅(qū)動裝置，在輸出軸上無剛性連接或起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動裝置時，均應(yīng)在鋼絲繩卷筒上設(shè)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(shè)置在卷筒制動盤上，起重機(jī)電源上電后系統(tǒng)自檢，當(dāng)檢測顯示各子系統(tǒng)狀態(tài)正常時，安全制動器打開。機(jī)構(gòu)正常工作時，安全制動器不動作；當(dāng)位于兩個卷筒軸上的編碼器檢測到兩卷筒轉(zhuǎn)速不一致時，系統(tǒng)判定有一套機(jī)構(gòu)的傳動軸發(fā)生斷裂，安全制動器抱閘；或者當(dāng)兩個編碼器檢測速度一致，但是速度超過預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速的1.2倍時，系統(tǒng)判定速度超限，安全制動器抱閘。

從機(jī)械連接角度來講，方案2）的優(yōu)點(diǎn)是：抱閘響應(yīng)速度快，可以在傳動鏈?zhǔn)r迅速動作，有效避免重大安全事故。缺點(diǎn)是：高速抱閘時會產(chǎn)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(jī)械損傷。再者，安全制動器本身也需要經(jīng)常維護(hù)，以確保關(guān)鍵時刻能夠正常工作[1]。

從電氣調(diào)試角度來講，由于安全制動器抱閘響應(yīng)時間較短，一般為300 ms左右，為了避免高速抱閘產(chǎn)生的沖擊對結(jié)構(gòu)件造成損壞，通常系統(tǒng)會預(yù)設(shè)，高速軸側(cè)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(jī)械沖擊，但是實(shí)際情況是：工作制動抱閘響應(yīng)時間一般為500～600 ms，比安全制動器響應(yīng)時間長。為了實(shí)現(xiàn)工作制動器先抱閘，必須在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)一個安全制動器抱閘的延時。這個延時如果太短，不能實(shí)現(xiàn)目的，如果太長，有可能造成卷筒超速嚴(yán)重，超出安全制動器的制動能力。恰當(dāng)?shù)难訒r需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，同時還需要現(xiàn)場多次調(diào)試才能完成。但是，即使現(xiàn)場調(diào)試妥當(dāng)，初期試驗(yàn)效果良好，由于長時間運(yùn)行后電氣元件會出現(xiàn)不同程度的老化，當(dāng)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(diǎn)，安全制動器在行業(yè)中的應(yīng)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(jī)上應(yīng)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(jī)構(gòu)采用兩套驅(qū)動裝置，兩個減速器的低速軸使用同步聯(lián)軸器剛性連接。當(dāng)其中一臺電動機(jī)或一套電控裝置發(fā)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(huán)。即使一套機(jī)構(gòu)發(fā)生類似于斷軸的故障，還有一套機(jī)構(gòu)可以支撐負(fù)載平穩(wěn)工作至少一個循環(huán)，以此來保證設(shè)備運(yùn)行安全。該方案避免了安全制動器動作時的機(jī)械沖擊。

在控制系統(tǒng)方面，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，一套裝置控制兩個電動機(jī)通過各自連接的減速器將扭矩傳遞給相應(yīng)的卷筒，此時，兩個電動機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，啟動制動同步進(jìn)行，減速器低速軸上的同步聯(lián)軸器幾乎不受力。如果使用定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，兩套驅(qū)動裝置的運(yùn)行同步性稍差，但是基本能滿足兩套機(jī)構(gòu)協(xié)同工作[2]。

如果電控系統(tǒng)為串電阻調(diào)速系統(tǒng)的話，不能保證兩個電動機(jī)動作的同步性，造成高速軸有轉(zhuǎn)速差或相位差，由于兩個減速器的低速軸端使用同步聯(lián)軸器剛性連接，低速軸轉(zhuǎn)速相同、相位相同。此時傳動鏈內(nèi)部必然會產(chǎn)生有害的內(nèi)應(yīng)力。此時必須使用棘輪機(jī)構(gòu)來釋放兩套傳動鏈的內(nèi)應(yīng)力。

4 棘輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

棘輪機(jī)構(gòu)由于其單向傳遞運(yùn)動和扭矩的特征，常在起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)中成對使用，以避免產(chǎn)生有害的內(nèi)力。如圖3所示。棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，棘輪機(jī)構(gòu)內(nèi)部組件示意圖如圖5所示。

圖3 棘輪機(jī)構(gòu)在雙減速器雙卷筒剛性連接方案中應(yīng)用

下面通過機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的四個臨界狀態(tài)來展示棘輪機(jī)構(gòu)釋放內(nèi)力的作用過程：

1）起升啟動狀態(tài)：由于電控系統(tǒng)誤差造成兩個電機(jī)啟動不同步，導(dǎo)致先啟動的電動機(jī)超載（一拖二），假設(shè)左側(cè)減速器先運(yùn)轉(zhuǎn)，該減速器棘輪機(jī)構(gòu)的棘齒輪主動旋轉(zhuǎn)并通過卡在棘齒槽內(nèi)的棘爪帶動輪轂轉(zhuǎn)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(lián)軸器將該減速器低速軸的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給右側(cè)減速器的低速軸，最終帶動右側(cè)棘輪機(jī)構(gòu)的輪轂主動旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)動），釋放內(nèi)力，如圖6所示。

圖4 棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖5 棘輪機(jī)構(gòu)內(nèi)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(tài)：由于電控系統(tǒng)誤差造成兩個工作制動器制動不同步，假設(shè)左側(cè)工作制動器先上閘，右側(cè)電機(jī)依然工作，扭矩將從右側(cè)減速器的低速軸傳入左側(cè)減速器，帶動左側(cè)棘輪機(jī)構(gòu)的輪轂反向轉(zhuǎn)動，從而出現(xiàn)棘爪打滑，釋放內(nèi)力。

3）下降啟動狀態(tài)：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(tài)還是下降狀態(tài)，減速器內(nèi)部的齒輪受力方向不變。也就是說，在下降狀態(tài)時，兩個減速器內(nèi)部棘輪機(jī)構(gòu)都處于傳遞扭矩的鎖止?fàn)顟B(tài)，如果單獨(dú)打開左側(cè)或右側(cè)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(cè)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(jī)同時處于發(fā)電狀態(tài)，克服卷筒扭矩使載荷平穩(wěn)下降。

4）下降制動狀態(tài)：下降制動時，只要任意一側(cè)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(jié)語

采用雙減速器低速軸剛性連接雙卷筒方案，通過冗余設(shè)計，保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全性與可靠性，同時配合使用雙棘輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了兩套驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間功率流的柔性對接，避免了兩套驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作不同步時產(chǎn)生的有害內(nèi)應(yīng)力，提高設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行安全性。

[1]《機(jī)械設(shè)計手冊》聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計手冊：第2版（修訂）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.

[2]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會：起重機(jī)設(shè)計規(guī)范GB/T 3811—2008[S].2009-06-01.