池永兵
北京市特种设备检验检测研究院 北京 100029
2021年，某厂操作人员进行吊装作业，吊装设备质量为3 t，将产品吊装离地面2.5 m左右时起升机构出现溜钩，产品也随之开始下落，操作人员在下落期间按下急停键，起重机制动系统均无响应，直到产品持续下降落地，整个溜钩过程持续25 s。据使用单位反映，该吊装要求定位精度高，为减少溜钩现象，制动时间调整的非常短以实现快速制动，且为准确就位经常出现频繁点动操作，但在悬吊设备重新启动时经常出现溜钩现象。随后技术人员对故障起重机进行了多次空载测试运行均未发现故障现象。吊运3 t砝码进行载荷运行状态测试，起升点动、悬停再次启动、急停再次启动等，快速起落、慢速起落、快慢速切换起落，持续测试，整个重载运行模拟测试过程溜钩故障未再出现。因为所吊物品价值较高，使用单位要求查明溜钩原因并进行整改。
起重机维保技术人员到达现场后对该起重设备进行检查。起重机的电源为三相交流，频率为50 Hz，电压380 V，供电系统电压波动不超过10%，起重机内部电压损失符合GB/T 3811—2008《起重机设计规范》的要求。起重机于2006年7月投入使用，设备使用年限较长，至今已服役近15 a，长期有维修人员进行维护保养。设备品种为防爆桥式起重机，型号为QB5t，起升速度4/0.4 m/min，双速运行，起升高度为6 m，工作级别A5，起升机构由主起升防爆电动机、联轴器、连接轴、减速器、卷筒、钢丝绳、定滑轮、双轮吊钩等组成。设备购买初期使用频率不高、吊重较轻，近期频繁使用且吊重较大，满载工作状态经常出现。由于设备就位精度要求较高，经常出现频繁点动精准就位工况，且经常出现起重机带载悬停等待状况。
对起升机构各分部顺序进行排查：1）双轮吊钩钩头运转正常，双滑轮转动顺畅，吊钩检查无异常；
2）定滑轮一套运转顺畅，检查无异常；
3）钢丝绳无断丝断股，无明显弯曲，检查无异常；
4）卷筒无裂纹，转动无异常噪声，检查无异常；
5）减速器运行无噪声，打开检查窗转动传动齿轮无缺失，润滑良好，运行无异常；
6）拆开主起升电动机空载运行无异常噪声，制动器打开正常，制动器无裂纹，磨损无异常；
7）操作手柄查勘无故障点，针对控制线也进行多次多角度测试，没有接线不良故障；
8）查看连接轴、联轴器连接情况均未发现异常情况。
溜钩是指起升机构工作停止之后，切断起升机构电源，在制动器制动前，物体会下降一定的距离。或是物体停留在空中，起升机构继续工作时，起升机构通电，制动器打开，此时物体会出现一段距离的下降[1]，即较大的惯性导致重物出现下滑现象即溜钩。GB/T 14405—2011《通用桥式起重机》5.3.3要求：对吊钩起重机，起吊物品在下降制动时的制动距离(机构控制器处在下降速度的最低档稳定运行，拉回零位后，从制动器断电至重物停止时的下滑距离)不应大于1 min内稳定起升距离的1/65。5.3.4要求：对吊钩起重机，当起升机构的工作级别高于M4，且额定起升速度≥5 m/min时要求制动平稳，应采用电气制动方法，保证在(0.2～1.0)Gn范围内下降时，制动前的电动机转速降至同步转速的1/3以下，该速度应能稳定运行。TSG Q7016—2016《起重机械安装改造重大维修监督检验规则》要求：定位精度的实现取决于不同调速控制系统的完善程度和不同静态刚性指标的互补性匹配，而可接受定位精度是指低与中等之间的定位精度。制停距离和溜钩概念不同，溜钩是制停无法满足要求后的现象，一般场合下一定程度的制停距离是允许的，但在装配车间等重要的对位要求下出现溜钩现象是不被允许的。
出现故障的防爆桥式起重机工作级别A5，起升速度4/0.4 m/min，起升高度6 m，该设备订购时考虑工作使用工况为不频繁使用，使用等级选U4，起重机总工作循环数1.25×105＜CT≤2.5×105，较少吊运额定载荷，经常吊运中等或轻量载荷，起重机的载荷状态级别Q2，载荷谱系数选用0.125＜KP≤0.250，按照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》要求选用A5工作级别完全满足使用工况且有一定的安全裕量。由于近期工作量的猛增，使用等级和载荷状态有了较大的提高，起重机的工作级别和使用工况不匹配，工作级别低于实际使用等级，造成起重机起升机构能力无法满足实际需求。针对起重机重载溜钩问题，首先通过建立以下故障树进行分析，故障树路径如图1所示。
图1 故障树分析路径
3.1 电动机与制动系统
QB5t防爆桥式起重机主起升机构采用隔爆型BZDW4.1-6锥形转子制动电动机（见图2），功率为5.0 kW。由于其启动转矩较大、结构简单、制动安全可靠、制动无需另外电源、体积小、维修方便，故在起重设备上普通应用。该电动机属于制动电动机，制动器在锥形电动机尾端实现制动功能。当电动机通电运行时，转子向电动机尾端方向带动多个活接头套装式联轴器、连接轴移动，锥形转子电动机的气隙磁场产生轴向磁拉力，压缩制动弹簧，使风扇制动轮与电动机端盖上的制动环脱开，电动机能自由转动。断电后制动器弹簧带动多个活接头套装式联轴器、连接轴向电动机前端方向移动退回，轴向磁拉力消失，转子在制动弹簧的推力下产生轴向移动，使风扇制动轮压紧制动环，产生摩擦力，完成制动。
图2 YEZ系列锥形转子制动异步电动机
该起重机的主起升电动机与减速器连接如图3所示，由于锥形三相电动机运转完全断电时，转子需带动多个活接头套装式联轴器、连接轴（长1 200 mm）向电动机前端方向移动退回制动，因套装式联轴器自重过大、连接轴过长，导致套装件往复活动时卡滞，尤其在设备初装或维修更换时，由于设备安装尺寸不满足要求，同心度出现误差，造成制动盘回位不彻底，制动力矩不足。在修理过程中更换电动机等部件最易出现此类情况。
图3 起升机构装配图及实物图
现场对连接机构与卷筒进行复查，卷筒无裂纹、转动过程无异常噪声，连接器也未发现异常，钢丝绳也无断股、弯曲现象。出现起重机溜钩故障时卷筒与连接器均处于正常工作状态，故卷筒与连接器故障原因可排除。
3.2 减速器
若减速器运行齿轮磨损超出极限或负载齿脱落会造成溜钩故障，但此类情况一旦出现，将不能再次起升运行，且主起升电动机运行噪声异常大，主起升机构与卷筒结构脱节，彻底不能起升或下降。现场对减速器内部进行了检查，没有发现多余物，转动传动齿轮完好、吊装产品是以起升速度匀速下降，减速器属于正常工作状态，故减速器故障原因可以排除。
3.3 主起升电动机
虽然锥形转子制动电动机结构简单、体积小、布置方便，但通过观看现场录像发现，频繁点动会导致电动机瞬时过载，功率模块发热大，系统频繁动作，制动器无法完全闭合和开启，抱闸无法立即响应，导致溜钩[2]。一种可能是主弹簧出现过松的情况，主起升的制动系统制动力矩不够，无法将电动机转子停住；
另一种可能是摩擦面出现了较大的破损或划伤，导致摩擦片跟制动轮接触面积减少，制动力矩不能达到要求[3]，起升机构制停距离过大从而出现溜钩故障，故电动机与制动系统的故障隐患不可排除。
3.4 电气控制部分
起升机构采用继电器接触器控制方式，由主起升防爆电动机、控制电缆、接触器、操作手柄等组成，现场对操作手柄控制线进行多次测试均未出现连接不良现象，故操作手柄故障可以排除。电气控制部分由主电源开关、主接触器及继电器等构成主回路，由控制变压器及控制手柄构成控制回路，控制手柄为主令元件，接触器为执行元件，摁下手柄上的按钮，控制接触器吸合动作，接触器接触主电路通电给电动机，电动机运转（见图4、图5）。由于该设备属于防爆起重机，电气系统安装在密封的防爆箱体内，频繁点动、长时间工作会造成接触器系统散热不良，导致接触器内主触点出现粘连、变形等现象，无法完全断开接触器，电动机主回路无法正常断电，引起接触器触点烧毁、粘连等故障。防爆箱的密封结构不利于经常性地观察和维修，电气控制的故障隐患不可排除。
图4 接触器构造
图5 接触器控制电动机图解
经过分析，认为防爆桥式起重机出现溜钩故障一种可能是机械故障。频繁点动导致制动器抱闸无法完全闭合时又打开，使制动瓦发热，从而导致电动机发热，电动机转子制动弹簧张力释放不彻底，使制动器复位开关未抱死电动机转子，不能实现制动功能。
另一种可能是电气控制系统接触器主触点粘连未完全释放开（电气接触器受热变形接触器主接触点粘连，在反复多次极端测试时电气发热极端情况应再次、多次出现），而引起电动机停车时无法正常断电，出现溜钩现象。
经过实践检测检验，可断定溜钩故障为偶发故障，造成溜钩的根本原因是经常满载长时间工作，超出起升机构的工作能力。直接原因一是机械故障，减速器与锥形电动机连接设计不合理，机械多个活接头套装式联轴器自重过大、连接轴过长，频繁维修更换使得套装件往复活动时更易出现卡滞。另外，电动机经常出现瞬时过载，转矩保护导致系统频繁动作，电气接触器内主触点粘连、变形未完全断开造成溜钩故障，都与频繁点动操作有直接关系。
更换原有起升机构，将现有主起升机构更换为集成防爆起升机构（见图6），由于使用者不需要更大的减速比，因此，更换双速防爆电动葫芦，减少了中间传动系统，起升速度提高，工作效率得以提高，精准就位时使用慢速就位以保证精度。并在减速器外侧增加1套附加电磁制动器，从而实现主起升动作时电动机侧机械制动器+减速器侧电磁制动器双制动系统，使制动灵敏度高、制动更直接、效果更好。采用双制动形式，可有效减少因电动机故障引起的溜钩现象，极大地减小发生机械故障的几率，还能保证精准定位，避免发生溜钩[4]。
图6 集成防爆起升机构
把接触器继电器控制系统更换为矢量变频控制系统（见图7）。矢量变频器系统采用IGBT元件控制电路，避免电流的通断粘连现象，且在矢量模式下，对电动机的启动电流（0～50 Hz）具有很好的力矩控制性能，实现柔性启动、运行。主回路减少了交流接触器触点控制，避免了频繁点动造成接触器触头粘连或烧蚀烧损而引起的电动机损坏故障[5]。并且，由于变频控制驱动的电动机机械特性硬、精确定位的优点，电动机转速输出稳定，不随起吊重物的变化而变化。即使频繁点动，起制停时整机振动和冲击也明显减小，对机械连接部件的冲击更小、使制动效果更佳、调速精度更高、运行顺畅，延长了起重机机械部分的寿命。
图7 矢量变频控制系统工作原理
为防止起升机构出现溜钩，要求变频器启动信号早于机械制动器的动作信号，通过调节励磁的时间使电动机的起动时间与机械制动器的释放时间相配合。启动之前先进行预励磁，以保证电动机快速地提供起动转矩，能保证启动转矩超过150%额定转矩，甚至考虑超载因素提供200%额定转矩。保证变频器输出转矩和机械制动器的制动转矩平稳切换，提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，有效避免出现溜钩现象。
起重机溜钩现象的危害性较大，可能对设备造成损坏损失，影响工作效率，对工作人员造成非常大的安全隐患。生产中发现溜钩时必须高度重视，要认真分析其原因，经常检查调整制动器，及时更换磨损超标的制动盘、闸皮、抱闸轮等元件，以保证制动可靠有效；
对不可靠的电气控制要及时改进；
在作业过程中，避免频繁点动，严格规范操作，避免发生安全事故。
该单位另有3台同型号起重机设备，针对此次溜钩故障对其余3台起重机进行专项检查，并按上述方案进行改造，优化集成主起升结构，加装矢量变频器，把原有380 V、50 Hz的电流直接控制电动机改为380 V、0～50 Hz的变频控制电动机。从而实现起升、下降动作灵敏、制动有效，避免溜钩故障，确保运行顺畅，安全可靠性大幅提高。
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