塔式起重機吊鉤超速保護裝置研制應用和分析

王輝

在長期的建筑項目施工中對塔吊的運行故障情況進行了觀察和統計，統計情況見表1。

表1 塔式起重機故障統計分析表

由統計表看出塔吊在運行中起吊的故障數量占了塔吊總故障數55%以上，很大程度上影響了塔吊的正常使用。同時，我對塔吊的起吊故障進一步分析，總結了塔吊起吊故障中，主要原因由：①鋼絲繩；②啟動電阻器；③駕駛室聯動控制器；④滑輪組；⑤起吊電動機；⑥電源控制柜；⑦電氣控制柜等7種。其中，電氣控制柜的故障最為頻繁，約占全部起吊故障的70%以上。并且因電氣控制柜引起起吊故障中，以塔機吊鉤超速墜鉤的頻率和危害最大，一旦發生故障將直接導致設備的損毀和人身的傷害。在我參建的工程項目中就曾經發生了4次塔機吊鉤超速墜鉤事故，造成了塔機吊鉤、鋼絲繩和地面材料及設備損壞。在奉賢寶龍廣場建設項目上曾有一次2t材料在70m高空因吊鉤溜鉤墜落地面，離地面工作人員僅1m，雖未造成重大人身事故，但塔機和地面的其他設施均造成了較為嚴重的損壞。

1 塔機吊鉤溜鉤原因分析

不同類型的塔機吊鉤溜鉤的原因不盡相同，但發生故障的特點都具有一定的共性，因此對故障原因進行剖析。

1.1 電磁離合器控制線路出現故障

如江麓QT80EA塔機、吳淞建機廠QT80塔機、張家港QTZ80塔機、LIEBHERR-88HC塔機等均屬此例，塔機電磁離合器控制原理，見圖1。

圖1 塔機電磁離合器控制電氣圖

（圖1）中K為電磁離合器投檔轉換開關，1T、2T、3T為各檔電磁離合器碳刷，DZ1、DZ2、DZ3為電磁離合器各檔線圈。LLJ為欠電流繼電器，用于控制起吊控制器。WL渦流制動器線圈，分別控制起吊輕、中、重檔減速箱齒輪的齒合。當塔機起吊工作時，聯動臺主令控制器置于一檔時接通流過LLJ的電源。當流過LLJ的電流大于額定電流，即渦流制動器流過的電流產生了足夠的吊鉤制動力矩時，欠電流繼電器動作，打開吊鉤制動器，塔機起吊開始工作。隨著聯動臺主令控制器投入二擋、三檔、四擋等，由于起吊電機轉子的轉動，渦流的電流隨之減小，對吊鉤的制動力矩也隨之減小，吊鉤有慢到快正常工作。

但是，一旦電磁離合器碳刷接觸不良或線圈等產生故障，以及LLJ電流整定值調正適當偏小時，流過渦流制動器WL的電流偏小還不能產生對起吊電機足夠的制動力矩，此時欠電流繼電器LLJ已動作，電機的制動抱閘已得電打開，造成吊鉤急速下降的溜鉤事故。

1.2 電器元件老化及控制回路故障

在以往的建筑工程項目上塔式起重機的電器元件的老化產生的故障較為常見，有些關鍵電器部件老化故障造成塔機吊鉤溜鉤事故。以LIEBHERR-88HC塔機起吊控制回路為例，其他塔機類同。典型故障如，S2HK2B、S2HK4B分別為起吊上升和下降主接觸器，S2HK1M為制動器交流接觸器，當塔機起吊重物手柄返零位時，起吊接觸器S2HK2B或S2HK4B應失電斷開，制動器接觸器S2HK1M也隨即斷開，制動器抱閘，吊鉤剎住。但如果起吊接觸器產生故障延遲釋放時，制動器接觸器依然得電，制動器還處在打開狀態，吊鉤就會因重物倒拖而高速下降，造成吊鉤墜落事故。另外，制動器接觸器S2HK1M系一復合式直流接觸器，如果出現故障也會造成觸頭不能正常斷開，從而導致制動器處于打開狀態而使吊鉤高速下降。

1.3 塔機起吊機械故障

塔機在機械部分的故障有時也會造成吊鉤的溜鉤現象。在塔機工作時，由于制動器打開，當塔機的電磁離合器產生故障或起吊減速箱潤滑油變質，電磁離合器不能正常切入檔位而處于空檔時，由于起吊電機的轉動力矩不能通過減速箱的齒輪傳給繩筒，所以吊鉤就會倒拖繩筒和齒輪箱而高速下降，從而產生吊鉤溜鉤現象。

2 塔機吊鉤超速保護裝置的原理和制作

根據上述分析吊鉤超速下降的原因是塔機起吊電氣和機械部分的故障造成的，因此改進原有電氣控制線路的欠缺，從而能在吊鉤超速下降時及時關閉制動器時解決問題的根本措施，見圖2。

圖2 塔機吊鉤傳動系統工作原理圖

從圖2看出起吊繩筒的轉動通過鋼絲繩經過滑輪來控制吊鉤的起降運動，繩筒的轉動快慢與滑輪的轉動快慢以及吊鉤的上下速度有直接關心。因此，在起吊繩筒、滑輪、鋼絲繩、吊鉤中取出超速的比較信號，并用此超速信號來控制起吊控制器，就能達到吊鉤下降超速時能及時關閉起吊控制器而杜絕溜鉤事故。為此經過詳細的分析和數十次的實踐和改進確定了兩套方案解決塔機吊鉤超速保護。

3 機械式塔機吊鉤超速保護方案

在此方案中，我將結合設備工作原理對重量限位滑輪進行改裝，機械式塔機吊鉤超速保護器，如圖3。

圖3機械式塔機吊鉤超速保護器原理圖

圖3 中，重量限位滑輪和滑輪軸硬連接，并把軸延長一端由兩個軸承支撐，另一端安裝一片支架，支架上安裝2～3個動臂，由彈簧向軸心拉住，在另一支架上安裝活動的3個帶動微動開關的觸頭分別對應輕、中、重檔。3個微動開關一端并聯和供電電源相連，另一端和起吊制動器線圈相連。當塔機吊鉤下降工作時，起吊繩筒轉動，鋼絲繩通過滑輪運動，滑輪也隨即轉動?；嗇S另一端支架上的活動臂由于離心力的作用向外張開，轉動速度越快，活動臂張開幅度越大，如果因各種原因造成吊鉤下降超速，活動臂就會將對應的微動開關觸動及時斷開起吊制動器電源，起吊電機立刻制動而避免吊機溜鉤的事故。

根據以上的方案，我做了幾十次實驗，并在施工工程中在不同型號的塔機上進行了安裝，有效防止了塔機吊鉤溜鉤事故，有效率超過90%。但是，機械式塔機吊鉤超速保護裝置還存在一定的缺陷。如：①因為不同塔機的滑輪、軸承、傳動軸、支架、活動臂等的規格都不相同，所以每臺塔機都要加工專用的附件，加工較繁瑣、復雜及成本較高。②機械式的裝置安裝時間較長工序多，還要動用鈑金、電焊等多個工種。③維護調試周期較短，否則會造成不動作或誤動作。

因此，制作一個結構簡單、運行更可靠安全、維護更方便的塔機吊鉤超速保護裝置，迫切的促使我去探索、實踐和制作。經過了深入的研究、分析，幾百次的實驗，各種不同型號塔機的實踐研發了電子式塔機吊鉤超速保護裝置的方案。

4 電子式塔機吊鉤超速保護裝置

在設計電子式塔機吊鉤超速保護裝置時，我充分的考慮到各類塔機的通用性，根據塔機起吊故障的機械原理，提取吊鉤實時的轉速信號與吊鉤的最大速度信號進行比較。如實時速度超過最大速度，則通過控制線路將起吊制動器及時關閉，吊鉤有效制動。塔機吊鉤電子式超速保護裝置電氣原理，見圖4。

圖4 塔機吊鉤超速保護裝置電氣原理圖

具體制作方案是我根據不同型號的塔機分別在繩筒上或重量限位的滑輪上引出起吊鋼絲繩筒的同步轉速信號，在相應的位置裝一支架，在支架上安裝一傳感器探頭，并在繩筒或重量限位的滑輪邊緣貼一塊磁片，繩筒或滑輪每轉一圈，磁片即對傳感器探頭有一次感應脈沖信號，此感應脈沖信號傳送到圖四的控制器中，見圖5。

電子式塔機吊鉤超速保護控制器裝有由二組四位發光管組成的顯示器，其中三組顯示器1SJ、2SJ、3SJ分別由繼電器1J、2J、3J的觸頭供電。1J、2J、3J繼電器的線圈分別由離合器轉換開關輕、中、重檔同步控制，1SJ、2SJ、3SJ顯示器上排數碼管分別顯示塔機輕、中、重檔吊鉤的實際速度，即磁片對傳感器探頭的感應脈沖N/分，見圖6。

圖5 傳感器安裝示意圖

圖6 電子式塔機吊鉤超速保護裝置示意圖

當上排數碼管顯示N/分時，也就是塔機吊鉤產生超速或溜鉤時，顯示表的常開觸頭閉合，繼電器4J、5J、6J的線圈相應得電。其常閉觸頭打開，斷開塔機控制回路，塔機起吊制動器自動抱閘，吊鉤制動。繼電器4J、5J、6J相應的常開觸頭閉合，音響器報警，提醒駕駛員塔機吊鉤超速保護器動作，吊鉤超速，以便檢查處理。經過了數百次的模擬試驗和塔機上的實際試驗。我還對不同型號的塔機選取不同轉速信號取樣點，對那些重量限位滑輪和滑輪軸間隙較大的塔機（如江麓QT80EA塔機），因為間隙較大，停車時滑輪會震動較大，滑輪上的磁片對傳感器誤動作而影響塔機起吊正常工。因此對這類塔機，我將吊鉤速度信號取樣點選在繩筒上。對重量限位滑輪與軸配合較緊密的塔機（如L1EBHERR塔機）把信號取樣點選在重量限位滑輪上。經我多年以來在各種塔機上使用，該塔機吊鉤超速保護裝置無機械傳動，無磨損，安裝方便，調試簡易，顯示正確，保護動作迅速可靠，制作和維護成本低，在各類塔機上使用至今，從未發生塔機吊鉤超速下降的溜鉤現象，有效地保證了建筑工程的機械施工。

[1]徐洪光.塔式起重機RCS起升機構常見故障檢查分析.工程機械與維修，2002（09）.

[2]曹雯源.電子式塔機吊鉤超速保護器的研制.2006年施工機械化新技術交流會論文集（第七輯）.

[3]王輝.塔式起重機吊鉤超速保護器的研制和應用.建筑知識：學術刊，2013：449～450.