雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用棘輪棘爪齒輪箱的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案＊

史文杰

鄭州機(jī)械研究所有限公司 鄭州 450052

0 引言

根據(jù)JB/T 7688.5—2012《冶金起重機(jī)技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[1]要求，起吊重要或危險(xiǎn)物品時(shí)，起升機(jī)構(gòu)宜采用2套驅(qū)動(dòng)裝置，包括2臺(tái)電動(dòng)機(jī)、2套減速系統(tǒng)、1套或多套卷筒裝置，且每套驅(qū)動(dòng)裝置有2臺(tái)制動(dòng)器。當(dāng)其中1臺(tái)電動(dòng)機(jī)或1套電控裝置發(fā)生故障時(shí)，另一套驅(qū)動(dòng)裝置能保證在額定起重量時(shí)完成一個(gè)工作循環(huán)[2]。與此同時(shí)，多套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)不可避免存在不同步，對傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成不利影響。每臺(tái)齒輪箱加裝1套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)[3]，能有效緩解電機(jī)或制動(dòng)器的不同步對傳動(dòng)系統(tǒng)的損害。

實(shí)際應(yīng)用表明高性能的棘輪棘爪機(jī)構(gòu)能夠有效延長起升系統(tǒng)的使用壽命，但電機(jī)和制動(dòng)器的不同步依舊存在，在棘輪棘爪機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用的同時(shí)，會(huì)有1臺(tái)齒輪箱對應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)短時(shí)單獨(dú)承受全部提升載荷，在起升系統(tǒng)整體輕量化的大趨勢下，這種本應(yīng)由2套傳動(dòng)系統(tǒng)分?jǐn)偟妮d荷反復(fù)短時(shí)施加在1套傳動(dòng)系統(tǒng)上的情況，影響著傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)對棘輪棘爪機(jī)構(gòu)本身性能也提出了更高要求[4]。針對傳動(dòng)系統(tǒng)不同步及棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)需要調(diào)試檢修的機(jī)構(gòu)和零部件，為管理和操作人員采取相應(yīng)措施提供有效參考，進(jìn)一步提高起升機(jī)構(gòu)的使用壽命和安全可靠性。

1 棘輪棘爪機(jī)構(gòu)在起升機(jī)構(gòu)中的重要作用

1.1 雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的工作原理

棘輪棘爪機(jī)構(gòu)具有單向傳遞扭矩特性，采用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的起升系統(tǒng)由聯(lián)軸器或卷筒剛性聯(lián)結(jié)2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[5]，如圖1所示，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)速差時(shí)，在2套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)和再嚙合調(diào)節(jié)作用下，整個(gè)系統(tǒng)不斷地處于動(dòng)平衡狀態(tài)，使起升機(jī)構(gòu)的輸出端只能產(chǎn)生同一轉(zhuǎn)速，保證了被提物品的安全平穩(wěn)吊運(yùn)。

圖1 雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用棘輪棘爪機(jī)構(gòu)工作原理簡化示意圖

1.2 棘輪棘爪機(jī)構(gòu)在調(diào)節(jié)制動(dòng)不同步方面的作用

起升機(jī)構(gòu)的2臺(tái)電機(jī)均配置了制動(dòng)系統(tǒng)[6]，制動(dòng)系統(tǒng)由于受出廠差異、安裝調(diào)試及使用磨損等影響，不可避免存在制動(dòng)先后差異。此差異體現(xiàn)在傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)對2套齒輪箱的剛性連接部分產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)沖擊振動(dòng)加劇，制動(dòng)后傳動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)筒、齒輪，齒輪箱，小車臺(tái)架存在殘留不均衡載荷。2套齒輪箱內(nèi)設(shè)置棘輪棘爪機(jī)構(gòu)后，在制動(dòng)器先后制動(dòng)過程中，通過棘爪在棘輪內(nèi)部的滑動(dòng)和跳齒再嚙合，消除輸出端聯(lián)軸器或轉(zhuǎn)筒的扭轉(zhuǎn)不良載荷，達(dá)到最佳平衡靜態(tài)內(nèi)應(yīng)力載荷狀態(tài)。例如，起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)后，吊鉤存在輕微溜鉤現(xiàn)象時(shí)，制動(dòng)裝置可能存在制動(dòng)不同步現(xiàn)象，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)通過單向傳遞扭矩的特性，釋放了制動(dòng)不同步產(chǎn)生的輸出端不良扭轉(zhuǎn)載荷，輸出端自適應(yīng)調(diào)節(jié)到最佳平衡過程中帶動(dòng)吊鉤輕微溜鉤。最終使傳動(dòng)系統(tǒng)保持在均衡靜載荷狀態(tài)，減小甚至消除對單臺(tái)齒輪箱內(nèi)齒輪產(chǎn)生持續(xù)性額外疲勞載荷，同時(shí)減小對齒輪箱箱體及小車架產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用，有效提升傳動(dòng)系統(tǒng)使用壽命和安全可靠性。

1.3 棘輪棘爪機(jī)構(gòu)在調(diào)節(jié)電機(jī)不同步方面的作用

起升機(jī)構(gòu)工作過程中，2臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速或載荷的差異通過2套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)各自的滑動(dòng)和再嚙合過程來協(xié)調(diào)，1臺(tái)電機(jī)載荷較大時(shí)，整套傳動(dòng)系統(tǒng)給上述電機(jī)轉(zhuǎn)速以負(fù)反饋，當(dāng)前電機(jī)的載荷過渡一部分到另一臺(tái)電機(jī)，2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和載荷得到一次調(diào)節(jié)。2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和載荷差異不可避免地多次出現(xiàn)，2套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)隨之完成多次調(diào)節(jié)，從而整個(gè)系統(tǒng)不斷處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這個(gè)過程中，通過2套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的跳齒和重新嚙合，動(dòng)態(tài)分?jǐn)?臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力到每套傳動(dòng)系統(tǒng)，避免對傳動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)產(chǎn)生頻繁的沖擊損壞。隨著調(diào)速電機(jī)性能的升級(jí)[7]，起升機(jī)構(gòu)工作時(shí)2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)差異逐漸減小，棘輪棘爪機(jī)構(gòu)通過棘爪在棘輪內(nèi)的小范圍滑動(dòng)能進(jìn)一步保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性和使用壽命。

2 雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)在起升和下降過程中，2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和載荷的差異會(huì)體現(xiàn)在電機(jī)的電流上。如圖2所示，監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器4檢測電機(jī)3的電流，電流差異較大則兩電機(jī)負(fù)載不均，需采取措施；電流值超過設(shè)計(jì)值時(shí)，則可能存在超載或傳動(dòng)系統(tǒng)阻力性故障。2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差異又可直接通過傳感器2監(jiān)測上述減速器1的輸入轉(zhuǎn)速來記錄識(shí)別，輸入轉(zhuǎn)速差異較大，則其中一套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的棘爪彈出嚙合可能存在故障需檢修；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)另一套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的電機(jī)負(fù)載大部分起吊載荷、電流顯著增大。通過傳感器6監(jiān)測上述減速器棘輪軸系的軸承部位振動(dòng)情況，可判斷棘爪跳齒頻繁程度，以及軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。傳感器2、4、6的監(jiān)測結(jié)果存在相關(guān)性，縮小故障可能范圍，節(jié)省故障排查時(shí)間；同時(shí)也可相互印證，避免誤判和漏判，顯著提升監(jiān)測系統(tǒng)可靠性。

圖2 雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)硬件布置示意圖

2.2 雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案的具體實(shí)施方式

雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)方案的具體實(shí)施包括硬件和軟件兩個(gè)方面。

硬件方面如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)置在棘輪棘爪機(jī)構(gòu)減速器1和電動(dòng)機(jī)3之間的用于監(jiān)測輸入轉(zhuǎn)速的非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器2，設(shè)置在電動(dòng)機(jī)3供電電纜上的感應(yīng)式非接觸電流傳感器4，設(shè)置在所述減速器1棘輪棘爪機(jī)構(gòu)所在軸系的軸承座位置的磁吸座安裝式的振動(dòng)傳感器6。上述傳感器2，4，6通過安裝在附近的直流電源供電，傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集器集中轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過專用線纜傳送到工控機(jī)。

軟件方面，根據(jù)棘輪棘爪式齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理和傳動(dòng)系統(tǒng)常見失效形式，設(shè)計(jì)編制針對性失效判定程序，安裝在上述工控機(jī)中。上述傳感器將生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到上述工控機(jī)并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，各指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)正常時(shí)，上述工控機(jī)顯示器上各指標(biāo)對應(yīng)的綠色指示燈亮，表明正常運(yùn)行；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存在異常時(shí)，上述工控機(jī)顯示器上異常指標(biāo)對應(yīng)的紅色指示燈亮，同時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，表面需檢修維護(hù)，同時(shí)正常指標(biāo)對應(yīng)的指示燈依然顯示綠色。每個(gè)異常指標(biāo)都對應(yīng)了需排查的主要原因，能快速鮮明準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)鏈異常，為快速排查相應(yīng)的問題提供有效參考。

2.3 雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的性能優(yōu)勢

本實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要性能優(yōu)勢：

1）及時(shí)準(zhǔn)確性 系統(tǒng)監(jiān)測了多個(gè)有內(nèi)在聯(lián)系的參數(shù)對象，增加了提前識(shí)別傳動(dòng)系統(tǒng)異常的可能性，盡早排除導(dǎo)致異常的因素，降低或避免生產(chǎn)損失，提高了安全生產(chǎn)保障。

2）自檢性 監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測指標(biāo)所對應(yīng)的故障因素存在相關(guān)性，使得本監(jiān)測系統(tǒng)具有自我診斷驗(yàn)證性能，能有效避免因?yàn)閭€(gè)別傳感器問題導(dǎo)致的誤判和漏判，有效提升監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

3）低妨礙性 監(jiān)測系統(tǒng)中各傳感器可采用非接觸式或磁吸式布置形式完成信號(hào)采集，可以方便地對現(xiàn)役雙驅(qū)動(dòng)起升系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測升級(jí)優(yōu)化，盡可能降低對生產(chǎn)任務(wù)的影響，縮短了升級(jí)優(yōu)化時(shí)間，降低了對現(xiàn)場原有設(shè)備零部件布置的影響。

3 總結(jié)

雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)的兩套驅(qū)動(dòng)裝置通過2套高性能棘輪棘爪機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)和再嚙合過程，調(diào)節(jié)了起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行和停機(jī)全工作循環(huán)過程中各傳動(dòng)及支撐保持部件的載荷均衡性，有效提升了雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)的使用壽命和安全可靠性。與此同時(shí)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測不同步程度及棘輪棘爪機(jī)構(gòu)等零部件的性能水平，及時(shí)提示需要調(diào)整和維護(hù)的部位，進(jìn)一步提高起升機(jī)構(gòu)的使用壽命及安全可靠性，降低停產(chǎn)總時(shí)長和檢修總成本。并且盡可能地考慮了現(xiàn)役雙驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測升級(jí)優(yōu)化的便捷性。