一起電動葫蘆起升制動器故障的分析及排除

凱澄起重機械有限公司 江陰 214429

0 引言

某現場一臺電動葫蘆起升機構無法正常工作。經核對出廠編號后，確認此葫蘆是為應對客戶特殊場合安全冗余要求而設計制造的一臺三制動鋼絲繩電動葫蘆，該葫蘆出廠試驗時機構工作正常，各項參數均符合出廠試驗要求。初步判斷現場可能存在起升機構或電氣控制部件工作不正常的情況。

1 原理簡述

該葫蘆起升機構配置有三種不同形式的制動器裝置，分別為錐形電機制動器（以下簡稱第一制動器）、電磁制動器（以下簡稱第二制動器）、慢速軸緊急制動器（以下簡稱第三制動器）。

第一制動器為錐形轉子電機自帶制動器，具體工作原理為利用電機通電后產生的電磁分力頂開壓力彈簧從而打開錐形制動盤，電機失電時電磁拉力消失，壓力彈簧迅速復位，制動盤自動抱閘。

第二制動器為附加配套的電磁制動器，電磁制動器由整流模塊、剎車制動盤兩部分組成，剎車制動盤直流電源由整流模塊直接提供，可根據實際情況設置電磁制動器制動盤的打開、抱閘時間。

第一、第二制動器均施加于起升機構的高速軸，為電動葫蘆正常運行時提供啟、制動功能。起升機構正常工作時，按住起升操作按鈕后，第二制動器整流模塊立即勵磁打開其配套制動盤，延時0.2～0.4 s后起升電機得電，同時錐形轉子電機制動盤打開。在啟動時采用上述的第一、第二制動器打開方式可有效防止電機過負載啟動；松開按鈕時，起升電機立即斷電，第一制動器同步抱閘，第二制動器延時0.2～0.4 s后抱閘，采用此抱閘方式既可避免第二制動器過早抱閘對機械結構造成過大沖擊，也確保在第一制動器發生故障時仍能使電機可靠制動。在錐形轉子電機自帶制動器的基礎上增加配置電磁制動器能夠進一步增加葫蘆起升機構啟、制動的穩定性和安全性。

第三制動器又稱緊急制動器，安裝時與葫蘆卷筒同軸。電機正常運行時第三制動器部件中的制動爪與制動輪一直處于松開狀態，當卷筒實際轉速超出額定轉速的1.3倍（該給定值依據GB 6007.1—2010 《起重機械安全規程 第一部分：總則 》中8.7 超速保護：超速開關的整定值取決于控制系統性能和額定下降速度，通常為額定速度的1.25～1.4倍設定）時制動爪與制動輪配合卡住，使卷筒停住，同時切斷相應電氣回路并點亮控制箱面板上的異常指示燈。

上述3套制動器裝置均能夠單獨可靠地支撐額定載荷，其中第三制動器直接作用于卷筒軸，在工作制動器出現故障、電機斷軸或減速器中出現故障時能夠可靠地支撐載荷。此設計目的是在安全冗余較為嚴苛的場合下為用戶提供一種更加安全有效的起重設備。制動器具體工作時序如圖1所示。

圖1 起升機構制動器工作時序圖

2 現場情況

用戶現場操作后，發現在按下升降操作按鈕，吊鉤在正常運行3～10 s后，在未松開操作按鈕的情況下吊鉤自動停止運行。重復上述操作幾次均有同樣情況出現，檢查電氣線路發現故障發生時控制箱異常指示燈常亮，而該指示燈點亮觸發條件為控制箱第三制動器動作。

第三制動器主要部件包括速度檢測開關、齒圈、牽引電磁鐵、速率表、制動爪與制動輪等，如圖2所示。

圖2 第三制動器主要元件示意

第三制動器的工作原理為：吊鉤上升或下降時，設置在鋼絲繩卷筒上的齒圈同步旋轉，固定在機殼上的檢測開關實時讀取齒圈轉過的齒數（齒圈與卷筒同軸），通過信號電纜將脈沖信號傳至速率表，速率表將檢測開關監測的單位時間（通常設定為1 s）內脈沖數與預設的1.3倍額定速度時的脈沖數進行比較，當實測脈沖數≥設定脈沖數時，速率表常開觸點閉合，牽引電磁鐵線圈得電后產生電磁拉力，拉動制動爪插入制動輪中完成卷筒制動，同時點亮控制箱面板上的異常指示燈。

首先檢查第一、第二制動器，結果為錐形制動盤無磨損、銹蝕現象，且制動間隙滿足單獨良好制動的要求。第二制動器連線正確，制動盤無異常情況。將第三制動器強制打開后再進行升降操作，第一、第二制動器打開、抱閘正常，未發現起升機構無法運行的情況。因此可排除第一、二制動器故障的因素。

3 分析及處置

排除第一、第二制動器故障的因素后，復位第三制動器后再次操作起升機構，仍舊出現故障。此時測量得到第三制動器動作時吊鉤下降速度遠未超過額定轉速的1.3倍，故可以判定第三制動器存在誤動作的情況。

第三制動器誤動作原因有兩種情況：1）由牽引電磁鐵或傳動部件造成的機械故障；2）控制箱內速率表等電氣元件引起的電氣故障。經過拆檢，牽引電磁鐵、檢測開關、齒圈及傳動部件無錯位磨損痕跡，檢測后工作正常。查看控制箱各連接線路，未發現有斷路短路情況，各電氣控制元件性能良好。

葫蘆再次通電后查看速率表數值，發現速率表實測值異常，第三制動器動作時速率表實測值在90～105速率之間頻繁跳動。起升機構額定速度對應的單位時間內脈沖數反映在時速率表數據上時，顯示值應為23，故將第三制動器動作點設定為速率數值≥30（1.3倍額定速度時的理論脈沖數）。現場查看接近開關及齒圈均無異常，卷筒實際轉速也為正常數值，速率表產生如此高的實測值明顯是一個錯誤數值。懷疑接近開關或速率表可能損壞，現場更換新的接近開關和速率表后再次進行操作，速率表實測顯示值仍在90～105之間頻繁跳動，由此可判斷故障點不在速率表或接近開關上。

排除速率表的問題后進一步檢查該葫蘆動力線路并與用戶現場人員溝通，發現可能造成速率表實測值不正確的兩個情況：

1）用戶自行將起升機構由接觸器控制改造為變頻驅動（遠端增設變頻控制箱一只），變頻器輸出電纜在敷設時與第三制動器傳感器信號電纜整齊的捆扎在一起布線。2）速率表等元件均有黃綠線連接到葫蘆控制箱內部接地銅排上，但用戶自備的接入控制箱的外部電纜中未有接地線，控制箱輸入接地點空懸，無外部接地線路接入，未與車間現場接地網相連。

由變頻器工作特性可知：在對電源的逆變處理過程中，輸出電流信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形，IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達15 kHz，輸出回路電流信號中含有高次諧波，變頻器諧波通過輻射傳導方式可在兩根平行線纜之間產生高頻信號感應，線與線之間發生感應耦合。現場變頻器輸出電纜與接近開關傳感器信號電纜捆扎在一起走線，傳感器信號極有可能受到變頻輸出電纜攜帶的諧波產生的電磁干擾而造成脈沖信號失真。

根據以往進行的變頻器用于葫蘆起升機構的專項試驗數據，采用變頻控制時，起升電機啟動、停止時變頻器輸出電流隨著輸出頻率的增減會有短時間的震蕩，此過程如未采用可靠地抗干擾措施，則可能會對其他控制性元件特別是電子器件產生一定的干擾從而引起其他元器件工作不正常。

圖3 起升機構變頻控制啟停波形圖

依據以上推測判斷可能引起誤動作的原因后，本著消除干擾的基本原則——屏蔽、濾波、接地，對現場布線進行調整。1）變頻器輸出至電機的電纜與傳感器信號電纜分開布線，兩條線路不平行，無交叉。2）分別在變頻器輸出電纜及信號電纜上套金屬軟管，增加屏蔽措施。3）增加接地措施，使用16 mm2黃綠線使控制箱接地排與現場接地網相連。

采取上述措施后再次進行操作，速率表顯示值穩定為23，在設定的正常值范圍內。經過一段時間重復操作中始終未出現第三制動器誤動作的情況，此故障基本排除，由此可確認是由于變頻輸出產生的電磁干擾造成接近開關傳感器信號失真，從而引起第三制動器誤動作。

4 結語

隨著變頻器、PLC、伺服放大器、觸摸屏及各類電子、功率類元器件在起重設備上逐漸得到普遍應用，各種高頻通訊設施不斷出現，設備、線路之間的電磁輻射和電磁干擾影響也日趨嚴重，影響控制系統的干擾源大都產生在電流或電壓劇烈變化或產生高次諧波的部位。為盡可能避免或降低功率元件輸出對控制系統產生的電磁干擾，在起重設備設計、安裝時給出以下建議：

1）因接線距離過長將增大電纜上高頻漏電流，所以應盡可能縮短變頻器至電機連線長度。

2）必要時在變頻器輸入側與輸出側串接AC電抗器、電源濾波器等外圍設備，達到抑制諧波的目的，以減少傳輸過程中的電磁輻射，降低變頻器對電源及輸出側電線的干擾。

3）變頻器、電子設備連引出電纜可采用屏蔽電纜或采取有效的屏蔽隔離措施。

4）信號線與動力線分開布線，應避免動力電纜與控制電纜長距離平行走線，控制電纜和動力電纜必須交叉時，應盡可能使其按90°角交叉。

5）電氣設備均應可靠接地，變頻器等高頻設備與電機使用專用接地線；其他傳感器、電子設備不得與變頻器共用接地樁；各接地線之間應避免形成環路。