塔式起重机吊钩超速保护装置研制应用和分析

王辉

在长期的建筑项目施工中对塔吊的运行故障情况进行了观察和统计，统计情况见表1。

表1 塔式起重机故障统计分析表

由统计表看出塔吊在运行中起吊的故障数量占了塔吊总故障数55%以上，很大程度上影响了塔吊的正常使用。同时，我对塔吊的起吊故障进一步分析，总结了塔吊起吊故障中，主要原因由：①钢丝绳；②启动电阻器；③驾驶室联动控制器；④滑轮组；⑤起吊电动机；⑥电源控制柜；⑦电气控制柜等7种。其中，电气控制柜的故障最为频繁，约占全部起吊故障的70%以上。并且因电气控制柜引起起吊故障中，以塔机吊钩超速坠钩的频率和危害最大，一旦发生故障将直接导致设备的损毁和人身的伤害。在我参建的工程项目中就曾经发生了4次塔机吊钩超速坠钩事故，造成了塔机吊钩、钢丝绳和地面材料及设备损坏。在奉贤宝龙广场建设项目上曾有一次2t材料在70m高空因吊钩溜钩坠落地面，离地面工作人员仅1m，虽未造成重大人身事故，但塔机和地面的其他设施均造成了较为严重的损坏。

1 塔机吊钩溜钩原因分析

不同类型的塔机吊钩溜钩的原因不尽相同，但发生故障的特点都具有一定的共性，因此对故障原因进行剖析。

1.1 电磁离合器控制线路出现故障

如江麓QT80EA塔机、吴淞建机厂QT80塔机、张家港QTZ80塔机、LIEBHERR-88HC塔机等均属此例，塔机电磁离合器控制原理，见图1。

图1 塔机电磁离合器控制电气图

（图1）中K为电磁离合器投档转换开关，1T、2T、3T为各档电磁离合器碳刷，DZ1、DZ2、DZ3为电磁离合器各档线圈。LLJ为欠电流继电器，用于控制起吊控制器。WL涡流制动器线圈，分别控制起吊轻、中、重档减速箱齿轮的齿合。当塔机起吊工作时，联动台主令控制器置于一档时接通流过LLJ的电源。当流过LLJ的电流大于额定电流，即涡流制动器流过的电流产生了足够的吊钩制动力矩时，欠电流继电器动作，打开吊钩制动器，塔机起吊开始工作。随着联动台主令控制器投入二挡、三档、四挡等，由于起吊电机转子的转动，涡流的电流随之减小，对吊钩的制动力矩也随之减小，吊钩有慢到快正常工作。

但是，一旦电磁离合器碳刷接触不良或线圈等产生故障，以及LLJ电流整定值调正适当偏小时，流过涡流制动器WL的电流偏小还不能产生对起吊电机足够的制动力矩，此时欠电流继电器LLJ已动作，电机的制动抱闸已得电打开，造成吊钩急速下降的溜钩事故。

1.2 电器元件老化及控制回路故障

在以往的建筑工程项目上塔式起重机的电器元件的老化产生的故障较为常见，有些关键电器部件老化故障造成塔机吊钩溜钩事故。以LIEBHERR-88HC塔机起吊控制回路为例，其他塔机类同。典型故障如，S2HK2B、S2HK4B分别为起吊上升和下降主接触器，S2HK1M为制动器交流接触器，当塔机起吊重物手柄返零位时，起吊接触器S2HK2B或S2HK4B应失电断开，制动器接触器S2HK1M也随即断开，制动器抱闸，吊钩刹住。但如果起吊接触器产生故障延迟释放时，制动器接触器依然得电，制动器还处在打开状态，吊钩就会因重物倒拖而高速下降，造成吊钩坠落事故。另外，制动器接触器S2HK1M系一复合式直流接触器，如果出现故障也会造成触头不能正常断开，从而导致制动器处于打开状态而使吊钩高速下降。

1.3 塔机起吊机械故障

塔机在机械部分的故障有时也会造成吊钩的溜钩现象。在塔机工作时，由于制动器打开，当塔机的电磁离合器产生故障或起吊减速箱润滑油变质，电磁离合器不能正常切入档位而处于空档时，由于起吊电机的转动力矩不能通过减速箱的齿轮传给绳筒，所以吊钩就会倒拖绳筒和齿轮箱而高速下降，从而产生吊钩溜钩现象。

2 塔机吊钩超速保护装置的原理和制作

根据上述分析吊钩超速下降的原因是塔机起吊电气和机械部分的故障造成的，因此改进原有电气控制线路的欠缺，从而能在吊钩超速下降时及时关闭制动器时解决问题的根本措施，见图2。

图2 塔机吊钩传动系统工作原理图

从图2看出起吊绳筒的转动通过钢丝绳经过滑轮来控制吊钩的起降运动，绳筒的转动快慢与滑轮的转动快慢以及吊钩的上下速度有直接关心。因此，在起吊绳筒、滑轮、钢丝绳、吊钩中取出超速的比较信号，并用此超速信号来控制起吊控制器，就能达到吊钩下降超速时能及时关闭起吊控制器而杜绝溜钩事故。为此经过详细的分析和数十次的实践和改进确定了两套方案解决塔机吊钩超速保护。

3 机械式塔机吊钩超速保护方案

在此方案中，我将结合设备工作原理对重量限位滑轮进行改装，机械式塔机吊钩超速保护器，如图3。

图3机械式塔机吊钩超速保护器原理图

图3 中，重量限位滑轮和滑轮轴硬连接，并把轴延长一端由两个轴承支撑，另一端安装一片支架，支架上安装2～3个动臂，由弹簧向轴心拉住，在另一支架上安装活动的3个带动微动开关的触头分别对应轻、中、重档。3个微动开关一端并联和供电电源相连，另一端和起吊制动器线圈相连。当塔机吊钩下降工作时，起吊绳筒转动，钢丝绳通过滑轮运动，滑轮也随即转动。滑轮轴另一端支架上的活动臂由于离心力的作用向外张开，转动速度越快，活动臂张开幅度越大，如果因各种原因造成吊钩下降超速，活动臂就会将对应的微动开关触动及时断开起吊制动器电源，起吊电机立刻制动而避免吊机溜钩的事故。

根据以上的方案，我做了几十次实验，并在施工工程中在不同型号的塔机上进行了安装，有效防止了塔机吊钩溜钩事故，有效率超过90%。但是，机械式塔机吊钩超速保护装置还存在一定的缺陷。如：①因为不同塔机的滑轮、轴承、传动轴、支架、活动臂等的规格都不相同，所以每台塔机都要加工专用的附件，加工较繁琐、复杂及成本较高。②机械式的装置安装时间较长工序多，还要动用钣金、电焊等多个工种。③维护调试周期较短，否则会造成不动作或误动作。

因此，制作一个结构简单、运行更可靠安全、维护更方便的塔机吊钩超速保护装置，迫切的促使我去探索、实践和制作。经过了深入的研究、分析，几百次的实验，各种不同型号塔机的实践研发了电子式塔机吊钩超速保护装置的方案。

4 电子式塔机吊钩超速保护装置

在设计电子式塔机吊钩超速保护装置时，我充分的考虑到各类塔机的通用性，根据塔机起吊故障的机械原理，提取吊钩实时的转速信号与吊钩的最大速度信号进行比较。如实时速度超过最大速度，则通过控制线路将起吊制动器及时关闭，吊钩有效制动。塔机吊钩电子式超速保护装置电气原理，见图4。

图4 塔机吊钩超速保护装置电气原理图

具体制作方案是我根据不同型号的塔机分别在绳筒上或重量限位的滑轮上引出起吊钢丝绳筒的同步转速信号，在相应的位置装一支架，在支架上安装一传感器探头，并在绳筒或重量限位的滑轮边缘贴一块磁片，绳筒或滑轮每转一圈，磁片即对传感器探头有一次感应脉冲信号，此感应脉冲信号传送到图四的控制器中，见图5。

电子式塔机吊钩超速保护控制器装有由二组四位发光管组成的显示器，其中三组显示器1SJ、2SJ、3SJ分别由继电器1J、2J、3J的触头供电。1J、2J、3J继电器的线圈分别由离合器转换开关轻、中、重档同步控制，1SJ、2SJ、3SJ显示器上排数码管分别显示塔机轻、中、重档吊钩的实际速度，即磁片对传感器探头的感应脉冲N/分，见图6。

图5 传感器安装示意图

图6 电子式塔机吊钩超速保护装置示意图

当上排数码管显示N/分时，也就是塔机吊钩产生超速或溜钩时，显示表的常开触头闭合，继电器4J、5J、6J的线圈相应得电。其常闭触头打开，断开塔机控制回路，塔机起吊制动器自动抱闸，吊钩制动。继电器4J、5J、6J相应的常开触头闭合，音响器报警，提醒驾驶员塔机吊钩超速保护器动作，吊钩超速，以便检查处理。经过了数百次的模拟试验和塔机上的实际试验。我还对不同型号的塔机选取不同转速信号取样点，对那些重量限位滑轮和滑轮轴间隙较大的塔机（如江麓QT80EA塔机），因为间隙较大，停车时滑轮会震动较大，滑轮上的磁片对传感器误动作而影响塔机起吊正常工。因此对这类塔机，我将吊钩速度信号取样点选在绳筒上。对重量限位滑轮与轴配合较紧密的塔机（如L1EBHERR塔机）把信号取样点选在重量限位滑轮上。经我多年以来在各种塔机上使用，该塔机吊钩超速保护装置无机械传动，无磨损，安装方便，调试简易，显示正确，保护动作迅速可靠，制作和维护成本低，在各类塔机上使用至今，从未发生塔机吊钩超速下降的溜钩现象，有效地保证了建筑工程的机械施工。

[1]徐洪光.塔式起重机RCS起升机构常见故障检查分析.工程机械与维修，2002（09）.

[2]曹雯源.电子式塔机吊钩超速保护器的研制.2006年施工机械化新技术交流会论文集（第七辑）.

[3]王辉.塔式起重机吊钩超速保护器的研制和应用.建筑知识：学术刊，2013：449～450.