塔式起重機超速保護裝置失效的案例分析

盧銳昌

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院東莞檢測院，廣東東莞 523000）

0 引言

常見塔式起重機的起升機構(gòu)是通過鋼絲繩、卷筒來垂直吊運貨物，為保證其安全運行，國家制定了相關(guān)的標準。GB/T3811-2008 《起重機設(shè)計規(guī)范》 中的第6.1.1.3.3 條要求，在安全制動要求高的起升機構(gòu)中，為防止起升機構(gòu)的驅(qū)動裝置的損壞而出現(xiàn)安全事故，應(yīng)在鋼絲繩卷筒上裝設(shè)機械式制動器作為安全制動用[1]。GB/T5031-2019《塔式起重機》中第5.4.1.4.3 條要求起重機動臂變幅機構(gòu)為防止制動器或驅(qū)動機構(gòu)失效，應(yīng)設(shè)有可有操作者和超速保護開關(guān)控制的、直接作用于卷筒凸緣上的安全制動器[2]。TSG Q7016-2016《起重機械安裝、改造、重大維修監(jiān)督檢驗細則》第C8.2（7）項要求采用渦流制動器的起重機起升機構(gòu)、非平衡式變幅機構(gòu)須設(shè)置超速保護裝置[3]。超速保護裝置是起重機一個重要的安全保護裝置。目前，市場上使用的超速保護裝置可分為機械式和電子式。超速保護開關(guān)是一種機械式控制開關(guān)，其不僅能限制電動機的最高轉(zhuǎn)速，還能快速分斷電路，從而保障起重機安全運行。通常，它主要用于起重機起升機構(gòu)下降速度超速的保護電路里。常見的超速保護開關(guān)一種安裝在電機內(nèi)部線路，電機自帶超速保護裝置；另一種外加的安裝于電機軸上。對于外置的安裝于電機軸的超速保護開關(guān)，需注意其動作速度值的設(shè)定。在塔式起重機檢驗中，檢查超速保護的設(shè)置和整定是一項重要檢驗項目。本文主要結(jié)合塔式起重機超速保護裝置失效原因，在對超速保護裝置失效危害分析的基礎(chǔ)上，進行起重機械超速裝置檢驗方法的分析。

1 安全隱患情況

近日，東莞檢測院在對一臺塔式起重機的監(jiān)督檢驗中發(fā)現(xiàn)該設(shè)備起升機構(gòu)的超速保護裝置存在選型錯誤，其動作速度與現(xiàn)場塔式起重機不匹配，造成超速保護裝置動作失效。整體外觀如圖1 所示。安裝單位為廣安市海鄰設(shè)備安裝有限公司；制造單位為長沙中聯(lián)重科科技發(fā)展股份有限公司；型號為TC7030B；結(jié)構(gòu)形式為小車變幅、固定式；起升機構(gòu)調(diào)速方式為渦流制動器調(diào)速；起升速度為100 m/min；最大起重力矩為160 t·m；減速器型號為QE1675E；減速機速比為20.43；超速開關(guān)型號為LY1-1/1000 D；觸頭動作轉(zhuǎn)速為1 330 r/min。

圖1 塔式起重機整體外觀

從塔式起重機的設(shè)計文件（圖2）中可以看出，該塔式起重機的起升機構(gòu)采用渦流制動器調(diào)速。渦流制動器調(diào)速具有系統(tǒng)工作可靠、調(diào)速比大、具有后備工作能力等優(yōu)點，在起重機調(diào)速方式中被廣泛采用。渦流制動器主要由兩部分組成，其一是跟隨驅(qū)動電機同軸轉(zhuǎn)動的電樞，其二是與電動基座裝在一起的感應(yīng)器，它由磁極和激磁極繞組等組成。給渦流制動器通入激磁電流后，磁極產(chǎn)生磁通。當驅(qū)動電動機帶動渦流制動器的電樞旋轉(zhuǎn)時，磁極的磁通切割電樞表面產(chǎn)生渦流，此渦流與磁極的磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩的方向與電動機旋轉(zhuǎn)方向相反，起著制動的作用。起重機械運行過程中，起升與變幅機構(gòu)進行調(diào)試過程中，機構(gòu)內(nèi)部的支持制動器是處于完全打開的狀態(tài)，對于起重機械的調(diào)速運行沒有起到制動作用，而此時在起重機械設(shè)備系統(tǒng)中，作用在電動機軸上的兩個作用力矩，一個是由起升機構(gòu)起升重物所產(chǎn)生的負載力矩，另一個則是由起升機構(gòu)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置的調(diào)速力矩，通常將這種調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速力矩作為制動力矩，通過對力矩大小的調(diào)節(jié)實現(xiàn)過于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制。渦流制動調(diào)速主要是通過對于渦流制動器勵磁電流大小的控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對于起重機械電動機轉(zhuǎn)速大小的調(diào)節(jié)和控制，這種方式在進行起重機械電動機轉(zhuǎn)速大小調(diào)節(jié)過程中，一但出現(xiàn)控制信號故障或者欠流、欠壓問題時，會造成渦流制動調(diào)速的力矩消失或者減弱，從而造成起重機超速運行的發(fā)生。

圖2 起升機構(gòu)電機調(diào)速原理

在起重機作業(yè)過程中，如果重物在下降時渦流制動器出現(xiàn)故障等情況，就會造成制動力矩不足，重物超速下降，造成貨物損壞和人員傷亡的事故。因此，塔式起重機起升機構(gòu)采用渦流制動器時必須設(shè)置超速保護[4]。

現(xiàn)場塔式起重機的起升機構(gòu)電動機型號為YZRSW280M-4/8（圖3），電動機動力經(jīng)過減速機（圖4）、卷筒后在低速端輸出，并在該輸出軸處安裝超速保護裝置（圖5），其超速保護開關(guān)觸頭與卷筒低速端輸出軸同軸安裝（圖6）。超速開關(guān)整定值取決于控制系統(tǒng)性能和額定下降速度，依據(jù)TSG Q7016-2016《起重機械安裝、改造、重大維修監(jiān)督檢驗細則》要求，超速保護裝置調(diào)定速度為額定速度的1.25～1.4倍[5]。

圖3 起升機構(gòu)的電動機

圖4 起升機構(gòu)的減速機

圖5 超速保護裝置

圖6 起升機構(gòu)傳動原理

從該臺塔式起重機的設(shè)計文件中可查出電動機轉(zhuǎn)速為1 446/724 r/min，減速機速比為20.43，換算輸出端為70.78/35.43 r/min。而超速開關(guān)觸頭動作轉(zhuǎn)速為1 330 r/min，按額定速度的1.25～1.4 倍折算后轉(zhuǎn)速為950～1 064 r/min，顯然遠超出低速輸出端的速度范圍。因此，該臺塔式起重機存在超速裝置存在選型錯誤，其未能在技術(shù)規(guī)范要求范圍內(nèi)觸發(fā)動作。

2 問題原因及風險分析

2.1 問題原因

（1）該塔式起重機存在設(shè)計缺陷

該臺塔式起重機由長沙中聯(lián)重科科技發(fā)展股份有限公司2010年制造，廣安市海鄰設(shè)備安裝有限公司2018年負責安裝。經(jīng)了解，該塔式起重機設(shè)計人員未考慮超速保護裝置，由于安裝位置不同造成的速度配備問題，把超速保護裝置設(shè)計安裝在低速輸出端位置而選用了較大觸發(fā)動作速度范圍超速保護裝置，造成該裝置選型的錯誤。

（2）設(shè)計單位質(zhì)量管理不到位

設(shè)計單位所出的設(shè)計圖紙應(yīng)有設(shè)計、審核、審批人員的簽名確認，按照質(zhì)量體系要求，審核人員應(yīng)對設(shè)計圖紙技術(shù)復(fù)核。由于質(zhì)量管理不到位，設(shè)計、審核人員未能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙中存在的設(shè)計缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)問題的客觀原因。

2.2 風險分析

超速開關(guān)在進行超速保護過程中，主要是利用離心原理，通過超速開關(guān)中微動開關(guān)觸頭動作，超速開關(guān)觸頭一旦動作，起重機械高速軸電動機就會立即停止運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對超速問題的控制。因此，起重機械中超速保護裝置失效，主要表現(xiàn)為超速開關(guān)中微動開關(guān)的觸頭動作失效，對于其中機械的超速控制不起作用，仍會對設(shè)備造成損壞，甚至造成安全事故發(fā)生。

起重機起升機構(gòu)和變幅機構(gòu)調(diào)速時，機構(gòu)的支持制動器是常開的，不起制動作用。此時，作用在電動機軸上有兩個力矩，一是重物產(chǎn)生的負載力矩，二是由調(diào)速系統(tǒng)決定的調(diào)速力矩。在塔式起重機使用過程中，由于電氣或機械原因可能會造成接觸器粘連、渦流制動勵磁電缺失等，從而造成調(diào)速力矩消失或較弱時，會造成重物墜落事故。因此，如果起重機械起升機構(gòu)超速運行時超速保護裝置失效，制動裝置無法可靠制動，將會威脅到作業(yè)人員人身和設(shè)備安全。

該塔式起重機保護裝置選型錯誤，選用超速保護裝置的動作速度范圍遠大于該塔式起重機起升機構(gòu)起升速度范圍，因此該超速保護裝置未能在塔式起重機起升機構(gòu)起升過程中起安全保護作用。當重物超速下降超過額定速度1.25～1.4 倍時就無法觸發(fā)動作，此時起升機構(gòu)制動器未能及時可靠合閘制動，極易造成人員傷害的事故。其次，由于超速保護裝置形同虛設(shè)，限速裝置的失效導(dǎo)致塔式起重機在重物高速下降緊急制動，高速制動不僅會導(dǎo)致塔式起重機制動器的損壞，嚴重的還會導(dǎo)致塔式起重機整機傾翻[6-8]。

3 防范措施

（1）起重機設(shè)計人員應(yīng)提高責任意識，應(yīng)嚴格按起重機設(shè)計規(guī)范要求設(shè)計相關(guān)安全部件。設(shè)計人員應(yīng)考慮安全部件安裝位置對部件選型的影響，從而避免設(shè)計缺陷的出現(xiàn)。因此，要重視加強設(shè)計人員素質(zhì)教育，制定相應(yīng)的技術(shù)培訓(xùn)，提升設(shè)計人員的技術(shù)水平。

（2）起重機設(shè)計單位應(yīng)建立切實可行的質(zhì)量管理制度，認真履行質(zhì)量保證體系文件相關(guān)要求。質(zhì)量管理人員尤其是技術(shù)審核、審批人員認真履行職責，加強質(zhì)量管理。建立安全管理長效機制，針對塔式起重機設(shè)計環(huán)節(jié)進行安全排查管理，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計環(huán)節(jié)的產(chǎn)品缺陷。只有強化管理制度落實，提升企業(yè)質(zhì)量管理水平，才能保證塔式起重機的設(shè)計安全。

4 超速保護裝置的檢驗

檢驗機構(gòu)檢驗人員應(yīng)加強超速保護裝置的檢驗。超速保護主要檢驗超速保護的設(shè)置和整定，檢驗聯(lián)鎖保護應(yīng)人為觸動超速保護開關(guān)或斷開超速保護繼電器的聯(lián)鎖觸點，此時機構(gòu)電機應(yīng)不能啟動。超速保護裝置的整定值取決于控制系統(tǒng)在下降最高速度時系統(tǒng)的控制狀態(tài)。若系統(tǒng)未速度閉環(huán)控制，其靜態(tài)速度精度較高超速保護整定倍數(shù)可為1.25；若系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，其速度精度較差，通常超速整定倍數(shù)約為下降速度的1.4倍。

對于采用電氣或程序?qū)崿F(xiàn)超速保護的，按其設(shè)計資料檢查是否有超速保護功能及整定值是否符合要求。

5 結(jié)束語

針對起重機械超速保護裝置的保護原理與失效情況，為了避免起重機械超速保護裝置失效，對于設(shè)備造成損壞或者造成事故的發(fā)生，應(yīng)注意做好超速保護裝置的檢驗工作，也就是對于超速保護的設(shè)置以及整定情況進行檢驗，在進行聯(lián)鎖保護裝置功能的檢驗中，可以通過人為觸動超速保護開關(guān)等方式進行檢驗，而電氣以及軟件的超速保護裝置，則可通過對照設(shè)計資料，對超速保護設(shè)計功能與整定值設(shè)置等進行檢驗。采用電氣調(diào)速、電氣制動以及其他方式調(diào)速但超速將造成重大事故的，都應(yīng)設(shè)置超速保護。超速保護可以是超速開關(guān)，也可以是其它保護措施如超速保護制動器、失磁保護等。超速保護的檢驗主要檢查是否設(shè)置和其整定值。根據(jù)設(shè)計資料和現(xiàn)場檢查設(shè)置情況，根據(jù)系統(tǒng)檢查整定值是否與設(shè)計資料要求相一致。

總之，起重機械超速保護裝置失效，對于起重機械設(shè)備具有一定的損壞作用和影響，還可能造成事故問題的發(fā)生。因此，進行起重機械超速保護裝置失效的分析，對于控制設(shè)備損壞與避免事故發(fā)生，有著積極的作用和意義。