一起電動葫蘆起升制動器故障的分析及排除

凱澄起重機(jī)械有限公司 江陰 214429

0 引言

某現(xiàn)場一臺電動葫蘆起升機(jī)構(gòu)無法正常工作。經(jīng)核對出廠編號后，確認(rèn)此葫蘆是為應(yīng)對客戶特殊場合安全冗余要求而設(shè)計制造的一臺三制動鋼絲繩電動葫蘆，該葫蘆出廠試驗時機(jī)構(gòu)工作正常，各項參數(shù)均符合出廠試驗要求。初步判斷現(xiàn)場可能存在起升機(jī)構(gòu)或電氣控制部件工作不正常的情況。

1 原理簡述

該葫蘆起升機(jī)構(gòu)配置有三種不同形式的制動器裝置，分別為錐形電機(jī)制動器（以下簡稱第一制動器）、電磁制動器（以下簡稱第二制動器）、慢速軸緊急制動器（以下簡稱第三制動器）。

第一制動器為錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)自帶制動器，具體工作原理為利用電機(jī)通電后產(chǎn)生的電磁分力頂開壓力彈簧從而打開錐形制動盤，電機(jī)失電時電磁拉力消失，壓力彈簧迅速復(fù)位，制動盤自動抱閘。

第二制動器為附加配套的電磁制動器，電磁制動器由整流模塊、剎車制動盤兩部分組成，剎車制動盤直流電源由整流模塊直接提供，可根據(jù)實際情況設(shè)置電磁制動器制動盤的打開、抱閘時間。

第一、第二制動器均施加于起升機(jī)構(gòu)的高速軸，為電動葫蘆正常運行時提供啟、制動功能。起升機(jī)構(gòu)正常工作時，按住起升操作按鈕后，第二制動器整流模塊立即勵磁打開其配套制動盤，延時0.2～0.4 s后起升電機(jī)得電，同時錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)制動盤打開。在啟動時采用上述的第一、第二制動器打開方式可有效防止電機(jī)過負(fù)載啟動；松開按鈕時，起升電機(jī)立即斷電，第一制動器同步抱閘，第二制動器延時0.2～0.4 s后抱閘，采用此抱閘方式既可避免第二制動器過早抱閘對機(jī)械結(jié)構(gòu)造成過大沖擊，也確保在第一制動器發(fā)生故障時仍能使電機(jī)可靠制動。在錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)自帶制動器的基礎(chǔ)上增加配置電磁制動器能夠進(jìn)一步增加葫蘆起升機(jī)構(gòu)啟、制動的穩(wěn)定性和安全性。

第三制動器又稱緊急制動器，安裝時與葫蘆卷筒同軸。電機(jī)正常運行時第三制動器部件中的制動爪與制動輪一直處于松開狀態(tài)，當(dāng)卷筒實際轉(zhuǎn)速超出額定轉(zhuǎn)速的1.3倍（該給定值依據(jù)GB 6007.1—2010 《起重機(jī)械安全規(guī)程 第一部分：總則 》中8.7 超速保護(hù)：超速開關(guān)的整定值取決于控制系統(tǒng)性能和額定下降速度，通常為額定速度的1.25～1.4倍設(shè)定）時制動爪與制動輪配合卡住，使卷筒停住，同時切斷相應(yīng)電氣回路并點亮控制箱面板上的異常指示燈。

上述3套制動器裝置均能夠單獨可靠地支撐額定載荷，其中第三制動器直接作用于卷筒軸，在工作制動器出現(xiàn)故障、電機(jī)斷軸或減速器中出現(xiàn)故障時能夠可靠地支撐載荷。此設(shè)計目的是在安全冗余較為嚴(yán)苛的場合下為用戶提供一種更加安全有效的起重設(shè)備。制動器具體工作時序如圖1所示。

圖1 起升機(jī)構(gòu)制動器工作時序圖

2 現(xiàn)場情況

用戶現(xiàn)場操作后，發(fā)現(xiàn)在按下升降操作按鈕，吊鉤在正常運行3～10 s后，在未松開操作按鈕的情況下吊鉤自動停止運行。重復(fù)上述操作幾次均有同樣情況出現(xiàn)，檢查電氣線路發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時控制箱異常指示燈常亮，而該指示燈點亮觸發(fā)條件為控制箱第三制動器動作。

第三制動器主要部件包括速度檢測開關(guān)、齒圈、牽引電磁鐵、速率表、制動爪與制動輪等，如圖2所示。

圖2 第三制動器主要元件示意

第三制動器的工作原理為：吊鉤上升或下降時，設(shè)置在鋼絲繩卷筒上的齒圈同步旋轉(zhuǎn)，固定在機(jī)殼上的檢測開關(guān)實時讀取齒圈轉(zhuǎn)過的齒數(shù)（齒圈與卷筒同軸），通過信號電纜將脈沖信號傳至速率表，速率表將檢測開關(guān)監(jiān)測的單位時間（通常設(shè)定為1 s）內(nèi)脈沖數(shù)與預(yù)設(shè)的1.3倍額定速度時的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)實測脈沖數(shù)≥設(shè)定脈沖數(shù)時，速率表常開觸點閉合，牽引電磁鐵線圈得電后產(chǎn)生電磁拉力，拉動制動爪插入制動輪中完成卷筒制動，同時點亮控制箱面板上的異常指示燈。

首先檢查第一、第二制動器，結(jié)果為錐形制動盤無磨損、銹蝕現(xiàn)象，且制動間隙滿足單獨良好制動的要求。第二制動器連線正確，制動盤無異常情況。將第三制動器強(qiáng)制打開后再進(jìn)行升降操作，第一、第二制動器打開、抱閘正常，未發(fā)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)無法運行的情況。因此可排除第一、二制動器故障的因素。

3 分析及處置

排除第一、第二制動器故障的因素后，復(fù)位第三制動器后再次操作起升機(jī)構(gòu)，仍舊出現(xiàn)故障。此時測量得到第三制動器動作時吊鉤下降速度遠(yuǎn)未超過額定轉(zhuǎn)速的1.3倍，故可以判定第三制動器存在誤動作的情況。

第三制動器誤動作原因有兩種情況：1）由牽引電磁鐵或傳動部件造成的機(jī)械故障；2）控制箱內(nèi)速率表等電氣元件引起的電氣故障。經(jīng)過拆檢，牽引電磁鐵、檢測開關(guān)、齒圈及傳動部件無錯位磨損痕跡，檢測后工作正常。查看控制箱各連接線路，未發(fā)現(xiàn)有斷路短路情況，各電氣控制元件性能良好。

葫蘆再次通電后查看速率表數(shù)值，發(fā)現(xiàn)速率表實測值異常，第三制動器動作時速率表實測值在90～105速率之間頻繁跳動。起升機(jī)構(gòu)額定速度對應(yīng)的單位時間內(nèi)脈沖數(shù)反映在時速率表數(shù)據(jù)上時，顯示值應(yīng)為23，故將第三制動器動作點設(shè)定為速率數(shù)值≥30（1.3倍額定速度時的理論脈沖數(shù)）?，F(xiàn)場查看接近開關(guān)及齒圈均無異常，卷筒實際轉(zhuǎn)速也為正常數(shù)值，速率表產(chǎn)生如此高的實測值明顯是一個錯誤數(shù)值。懷疑接近開關(guān)或速率表可能損壞，現(xiàn)場更換新的接近開關(guān)和速率表后再次進(jìn)行操作，速率表實測顯示值仍在90～105之間頻繁跳動，由此可判斷故障點不在速率表或接近開關(guān)上。

排除速率表的問題后進(jìn)一步檢查該葫蘆動力線路并與用戶現(xiàn)場人員溝通，發(fā)現(xiàn)可能造成速率表實測值不正確的兩個情況：

1）用戶自行將起升機(jī)構(gòu)由接觸器控制改造為變頻驅(qū)動（遠(yuǎn)端增設(shè)變頻控制箱一只），變頻器輸出電纜在敷設(shè)時與第三制動器傳感器信號電纜整齊的捆扎在一起布線。2）速率表等元件均有黃綠線連接到葫蘆控制箱內(nèi)部接地銅排上，但用戶自備的接入控制箱的外部電纜中未有接地線，控制箱輸入接地點空懸，無外部接地線路接入，未與車間現(xiàn)場接地網(wǎng)相連。

由變頻器工作特性可知：在對電源的逆變處理過程中，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達(dá)15 kHz，輸出回路電流信號中含有高次諧波，變頻器諧波通過輻射傳導(dǎo)方式可在兩根平行線纜之間產(chǎn)生高頻信號感應(yīng)，線與線之間發(fā)生感應(yīng)耦合。現(xiàn)場變頻器輸出電纜與接近開關(guān)傳感器信號電纜捆扎在一起走線，傳感器信號極有可能受到變頻輸出電纜攜帶的諧波產(chǎn)生的電磁干擾而造成脈沖信號失真。

根據(jù)以往進(jìn)行的變頻器用于葫蘆起升機(jī)構(gòu)的專項試驗數(shù)據(jù)，采用變頻控制時，起升電機(jī)啟動、停止時變頻器輸出電流隨著輸出頻率的增減會有短時間的震蕩，此過程如未采用可靠地抗干擾措施，則可能會對其他控制性元件特別是電子器件產(chǎn)生一定的干擾從而引起其他元器件工作不正常。

圖3 起升機(jī)構(gòu)變頻控制啟停波形圖

依據(jù)以上推測判斷可能引起誤動作的原因后，本著消除干擾的基本原則——屏蔽、濾波、接地，對現(xiàn)場布線進(jìn)行調(diào)整。1）變頻器輸出至電機(jī)的電纜與傳感器信號電纜分開布線，兩條線路不平行，無交叉。2）分別在變頻器輸出電纜及信號電纜上套金屬軟管，增加屏蔽措施。3）增加接地措施，使用16 mm2黃綠線使控制箱接地排與現(xiàn)場接地網(wǎng)相連。

采取上述措施后再次進(jìn)行操作，速率表顯示值穩(wěn)定為23，在設(shè)定的正常值范圍內(nèi)。經(jīng)過一段時間重復(fù)操作中始終未出現(xiàn)第三制動器誤動作的情況，此故障基本排除，由此可確認(rèn)是由于變頻輸出產(chǎn)生的電磁干擾造成接近開關(guān)傳感器信號失真，從而引起第三制動器誤動作。

4 結(jié)語

隨著變頻器、PLC、伺服放大器、觸摸屏及各類電子、功率類元器件在起重設(shè)備上逐漸得到普遍應(yīng)用，各種高頻通訊設(shè)施不斷出現(xiàn)，設(shè)備、線路之間的電磁輻射和電磁干擾影響也日趨嚴(yán)重，影響控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化或產(chǎn)生高次諧波的部位。為盡可能避免或降低功率元件輸出對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾，在起重設(shè)備設(shè)計、安裝時給出以下建議：

1）因接線距離過長將增大電纜上高頻漏電流，所以應(yīng)盡可能縮短變頻器至電機(jī)連線長度。

2）必要時在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接AC電抗器、電源濾波器等外圍設(shè)備，達(dá)到抑制諧波的目的，以減少傳輸過程中的電磁輻射，降低變頻器對電源及輸出側(cè)電線的干擾。

3）變頻器、電子設(shè)備連引出電纜可采用屏蔽電纜或采取有效的屏蔽隔離措施。

4）信號線與動力線分開布線，應(yīng)避免動力電纜與控制電纜長距離平行走線，控制電纜和動力電纜必須交叉時，應(yīng)盡可能使其按90°角交叉。

5）電氣設(shè)備均應(yīng)可靠接地，變頻器等高頻設(shè)備與電機(jī)使用專用接地線；其他傳感器、電子設(shè)備不得與變頻器共用接地樁；各接地線之間應(yīng)避免形成環(huán)路。