永磁直驅起升機構的安全性分析

吳軍

(河南衛華重型機械股份有限公司 河南新鄉市453400)

1 前言

1821年，世界上第一臺電動機雛形由英國物理學家法拉第完成，其工作原理是通電線圈在磁場中受到力的作用(或磁場對電流有力的作用)。10年后，法拉第發現了電磁感應現象，根據這一現象他又制成了世界上第一臺發電機模型，這里所說的磁場就是永磁體所產生的磁場。在沒有以釹鐵硼為代表的高磁能積永磁材料出現之前，由于鐵氧體磁能積僅有3.5-4.5 J/m3，所以無法生產制造大功率的電動機，以通電線圈形成勵磁代替永磁成為電動機的首選。

1983年6月和9月，日本住友特殊金屬株式會社和美國通用汽車公司先后獨立研制成功新型永磁材料釹鐵硼后，我國便相繼開始稀土釹鐵硼永磁電機的研究與開發。由于中國稀土礦的儲量居世界首位，燒結釹鐵硼永磁的產量約占世界總產量的四分之三，這一得天獨厚的優勢為中國稀土永磁電機的發展和應用提供了極為有利的條件。

釹鐵硼磁能積30-50 J/m3，有的甚至達到200 J/m3，且隨著釹鐵硼價格的不斷下降，使低速大扭矩電動機的生產推廣成為可能。近幾年來，國內一些起重機生產企業、電動機制造企業先后生產出了高達數百千瓦的電動機，也出現了以永磁直驅外轉子電動機代替傳統的電機機+減速器+制動器+卷筒組的起重機起升機構。作為新生事物，現行起重機的設計、制造標準對永磁直驅起升機構均未涉及，所以起重機制造企業、使用企業、檢測機構對永磁直驅外轉子電動機能否作為起重機的起升機構使用存在不同認識。

2 永磁直驅起升機構原理

永磁直驅起升機構利用永磁同步電機外轉子的外殼作為卷筒，內部是永磁同步電機的定子，定子兩端為剛性支撐底座，如圖1。通電后，卷筒帶動鋼絲繩運行，完成起重機的升降動作，實現對負載的直接驅動。永磁直驅起升機構采用了低速大扭矩電動機制造技術、智能化控制技術、安全制動技術，結構緊湊、簡潔，和傳統的起重機起升機構相比，永磁直驅起升機構無減速器、無高速軸制動器、無聯軸器等。采用此種結構，所有機械傳動部件(滾珠絲杠副、齒條與齒輪、傳動皮帶/皮帶輪以及齒輪箱等)均被取消，消除了由機械傳動帶來的反向間隙、柔度以及與之相關的其它問題，從傳動形式、節電、安全性及工作效率上對起重行業起升機構的性能進行了大幅提升。

圖1 永磁直驅起升機構示意圖

3 永磁直驅起升機構安全性分析

鑄造起重機在起重機產品的門類里是較為特殊的一個門類，特殊在于鑄造起重機吊運的是熔融金屬，一旦出現事故，后果不可想象。

所以為保證永磁直驅起升機構的安全，只要能夠說明永磁直驅起升機構滿足GB/T 7688.5-2012《冶金起重機技術條件 第5部分：鑄造起重機》(以下簡稱GB/T 7688.5)[1]對起升機構要求，那么就可以說明，在通用的橋門式起重機上，采用永磁直驅起升機構是可行的。

為了確保安全，GB/T 7688.5[1]的4.5部分對鑄造起重機的起升機構，做出了明確的規定(僅列出因起升機構改變，導致可能不符合要求的條款)：

“4.5.1每套主起升機構傳動鏈的驅動軸上應裝設兩套符合JB/T6406[3]或JB/T7020[4]要求且能獨立工作的制動器，每套制動器的安全系數應符合GBT3811-2008中6.1.1.3.13c[2]的規定。”

“4.5.2起升機構(電動葫蘆除外：傳動鏈應滿足下列條件之一：

1)主起升機構設置兩套驅動裝置，并在輸出軸剛性連接；

2)主起升機構設置兩套驅動裝置，在輸出軸上無剛性連接時或主起升機構設置一套驅動裝置時均應在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器；

注：兩套驅動裝置指兩臺電動機、兩套減速系統、一套或多套卷筒裝置和四套制動器。”

“4.5.9起升機構應保證電動機先通電，制動器后打開，當電動機失電后，高速軸制動器應立即制動。”

“4.5.11主起升機構制動器的控制，應有防止因一個接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。”

3.1 永磁直驅起升機構是否符合GB/T 7688.5[1]中4.5.1條的規定

GB/T 7688.5中規定：“4.5.1每套主起升機構傳動鏈的驅動軸上應裝設兩套符合JB/T6406[3]或JB/T7020[4]要求且能獨立工作的制動器，每套制動器的安全系數應符合GB/T3811-2008[2]中6.1.1.3.13c)的規定”。按常規理解及我國現有鑄造起重機的實際現狀，此條中的兩套獨立工作的制動器是指安裝在減速器高速軸上或二級高速軸上(起升機構采用一個行星減速器帶動兩個普通減速器品字型布置時)，永磁直驅起升機構是以永磁同步電機外轉子的外殼作為卷筒，直接卷繞鋼絲繩實現對重物起升和下降，省去了減速環節，沒有了減速器，也就沒有了高速級與低速級的分別。永磁直驅起升機構制動器采用是電磁鉗盤制動器制動外轉子的突緣部分，如圖2。一般認為，永磁直驅起升機構的“減速器高速軸上或二級高速軸上”未安裝獨立工作的制動器是不符合要求的。

圖2 采用永磁直驅起升機構的起重機

但是，GB/T 7688.5中的4.5.1條中并沒有特別指明兩套獨立工作的制動器是安裝在高速級還是低速級。此條中的“符合JB/T6406或JB/T7020要求”的制動器分別是電力液態鼓式制動器和電力液壓盤式制動器，符合這兩個標準的制動器是不是適宜做低速級制動器？在起重機上，尚未見使用的先例。

所以永磁直驅起升機構是否符合GB/T 7688.5中4.5.1條的規定，其核心問題是：裝在卷筒上的安全制動器是否可以作為工作制動器使用？如果可以作為工作制動器使用，至于制動器的數量、控制等問題都將迎刃而解！

3.2 永磁直驅起升機構是否符合GB/T 7688.5中4.5.2條的規定

永磁直驅起升機構是外轉子電動機的轉子做為卷筒使用，其實質是一臺低速大扭矩電動機，即起升機構有一套驅動裝置、卷筒設置有安全制動器，所以符合GB/T 7688.5中4.5.2的b款：“主起升機構設置一套驅動裝置時均應在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器”。

這里也需提出，盡管GB/T 7688.5中4.5.2條中款沒有明確安全制動器的驅動形式是液壓還是電磁，但一般理解和實際工程應用，安全制動器是指液壓盤式制動器。之所以不采用電磁制動器，主要原因在于電磁制動器較液壓盤式制動器上閘時間更短，易給傳動系統造成沖擊，可能會導致傳動鏈上的零部件損壞。

3.3 永磁直驅起升機構是否符合GB/T 7688.5中4.5.9條的規定

GB/T 7688.5中4.5.9條是對起升機構制動器的控制提出的要求，對于永磁直驅起升機構而言，此條與GB/T 7688.5中4.5.1條相同，在于理解安裝在永磁直驅起升機構上的安全制器是什么性質的制動器，是安全制器還是工作制動器？如果理解為工作制動器，現有的電氣控制技術完全可以保證電動機先通電制動器后打開，當電動機失電后制動器應立即制動，也就符合GB/T 7688.5中4.5.9條的要求。

3.4 永磁直驅起升機構是否符合GB/T 7688.5中4.5.11條的規定

GB/T 7688.5中4.5.11條是對制動器控制提出的要求，目前對于鑄造起重機，不論是工作制動器還是安全制動器均采用冗余控設計，以防止因一個接觸器損壞、粘連造成控制失效。所以永磁直驅起升機構滿足此條規定不是問題。

4 安全制動器可否做為工作制動器使用

目前，鑄造起重機上所使用的安全制動器均為液壓驅動、控制。安全制動器在通電后液壓松閘，斷電后彈簧上閘，即為常閉型制動器。安全制動器在下述情況下投入使用：

1)在工作制動器上閘失效時；

2)在高速軸聯軸節斷裂，減速機軸或減速機齒輪斷裂時；

3)卷筒斷軸時；

4)其他原因使吊具超出設定運行速度時。

上述四種工況的表現都是卷筒超出設定轉動速度，其信號來自電動機軸的編碼器和卷筒軸編碼器。其中，在第一種工況下，另外一個參照信號可以來自工作制動器的松閘/上閘指示開關，即PLC對工作制動器給出上閘指令后，工作制動器的松閘/上閘指示開關將在一定的時間內反饋一個正確的信號，如果該信號有誤，這時安全制動器將會制動。

安全制動器的上閘指令來自PLC，安全制動器在接到上閘指令后安全制動器泵站電控箱給泵站電機和液壓系統閥件斷電，安全制動器液壓缸里的高壓油迅速回到油箱，安全制動器可在0.3s內上閘。松閘時間為1.3s，制動時下滑距離一般為100mm。

目前，國內進口的安全盤式制動器主要來自德國、法國，國內也有生產，但勻按企業標準生產，無國家標準、行業標準。

按照GB/T 7688.5對制動器使用要求來看，安全制動器作為工作制動器使用是可行的，也完全滿足GB/T 7688.5的規定。

5 安全制動器的使用現狀

由于安全制動器均安裝在起升機構的低速端，制動力矩大，而且僅在緊急狀態時工作，安全制動器還有不少的技術難題需要攻克。

1)安全制動器的生產、制造無相應國家、行業標準，目前國外的生產企業均根據自己的經驗生產制造。

2)安全制動器的安全系數大小，無相應的標準。安全系數大小在GB/T3811—2008[2]《起重機設計規范》、GB/T 7688.5、FEM標準中均未具體給出，安全制動器廠家的一般推薦數值為≥1.5，如果安全系數取值過大，制動時會給起升機構傳動鏈上的零部件造成較大的沖擊荷，甚至導致傳動鏈上的零部件損壞。

3)起重機突然斷電或安全制動器出現誤動作時，由于安全制動器響應時間短，一般會先于工作制動器上閘，在低速軸上施加一個很大的制動力矩，使低速軸在短時間內停止轉動，但高速軸上的電動機、制動輪(盤)等具有的轉動慣量也要在短時間內消耗掉，給傳動系統造成很大的沖擊載荷，可能導致傳動鏈上的零部件損壞。某公司為國內一鋼鐵企業生產的鑄造起重機就曾出現過安全制動器誤動作，使高速軸聯軸器損壞、電動機飛出去的事故。

對于永磁直驅起升機構，沒有了常規的減速器、電動機、制動輪(盤)、聯軸器等，所以可有效地避免此類事故的發生。

4)安全制動器長期處于不工作狀態，僅在緊急狀態時參與工作，維護保養常被忽略。而且，一臺安全制動器從起重機出廠到起重機報廢，幾乎就不會參與工作，所以在緊急狀態時，安全制動器能否起到安全作用，存疑。

5)和機械控制、電氣控制相比，液態控制系統的可靠性差，能否在事故時準確動作，存疑。

把電磁鉗盤式制動器作為安全制動器使用時，對于鑄造起重機的主起升機構而言，也同樣存在上面難題。

鑄造起重機主起升機構安裝安全制動器，是太原重工股份有限公司上世紀80～90年代引進吸收德國的技術，在德國由于鑄造起重機后期的生產數量很小，安全制動器在鑄造起重機上的使用比中國還少，而且由于上述種種原因，輸出軸剛性連接成為鑄造起重機主起升機構的首選。

6 結論

本文對標GB/T 7688.5-2012《冶金起重機技術條件 第5部分：鑄造起重機》中起升機構的安全條款，論證了永磁直驅起升機構的安全性。得出結論：

1)永磁直驅起升機構符合GB/T 7688.5中4.5.2的b款：“主起升機構設置一套驅動裝置時均應在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器”。

2)起重機設計者、使用方之所以有疑慮的焦點是：裝在卷筒上的安全制動器是否可以理解為工作制動器并作為工作制動器使用。

3)當安裝在外轉子上制動器的可靠性可以有效保證時，此制動器既可當安全制動器使用，也可作為工作制動器使用。

4)作為一項新技術，現行標準尚未將其包含其中。

所以，根據技術現狀及現有技術標準，在永磁直驅電機質量可靠的情況下，從形式及安全性分析，永磁直驅起升機構完全可在鑄造起重機的主起升機構上使用，當然也可以在通用橋、門式的起升機構及其它起重機的起升機構上使用。