桥式起重机紧急停止系统的设计探究

刘旌

摘要：桥式起重机由于其负载大，工况复杂，因此需要对紧急停止系统进行设计。本文先讨论了桥式起重机紧急停止系统的必要性，而且还介绍了桥式起重器的制动机理，分别从机械制动和电气制动两个方面对制动系统进行了论述，并在最后提出恶劣紧急停止系统的设计方案，为桥式起重机的紧急停止系统的设计提供理论支撑。

关键词：桥式起重机;紧急停止;系统控制

中图分类号：TH215                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）22-0153-02

0  引言

桥式起重机的工作环境复杂，吊重相对较大，尤其在紧急或特定气象状况导致非常严重的特殊事故，需要进行紧急停机制动。一般情况下，失效保护机制安装在起重机低速轴的末端，有别于日常制动器，专门作为失效保护紧急安全制动器执行紧急停止命令。因此对桥式起重机紧急停止系统设计的展开研究是很有意义的。

桥吊的主要适用环境为集装箱码头，安装位置常见在岸边，对集装箱进行装卸，是海港、码头等主要的运输设备，起到连接海陆的桥梁作用。因此桥吊的运作是海港码头的核心，其工作的效率很大程度影响着整个集装箱码头运作能力。如图1所示为日常的桥吊结构，其起升应急制动器的安装位置在卷筒处，這里的卷筒的作用是收集起升钢丝绳，制动器主要通过电磁阀和液压系统共同控制。正常时，电磁阀是没有进行通电的，制动器是打开状态。当发生紧急情况或者意外事故需要进行紧急制动时，电磁阀就会通过断电处理使得应急制动器开始进行制动，保证机械设备的安全。如果在此过程中电磁控制与机械制动不同步就会使得制动器发生故障，影响其正常运作。

1  桥式起重机制动机理

桥式起重机的主要组成有三大部分，第一部分为桥架结构，第二部分运行机构和第三部分电气控制。其主要作用机制是利用升降机构调运吊重，起重小车在轨道上进行运动是实现吊重的空间移动。制动机制主要有两种，第一种为机械制动，第二种为电气制动。机械制动是通过制动器配合液压系统和电磁控制来实现实时的制动方式。电气制动具体可以分为三种形式。一是反接制动，就是利用切换电源相序的方式实现制动。二是能耗制动，是指在电机定子绕组通入直流电流，利用电磁感应作用实现制动。三是再生制动，是将电动机切换成发电机运转，通过惯性力矩，将一其他能量储存为电能并，并且实现制动的过程[1]。桥吊起升应急制动器系统主要是由液压站和制动器两个部分控制，而液压电磁的运作又会受到PLC控制，因此紧急制动系统主要有机械制动系统和电气制动系统，机械制动系统由液压站-制动盘构成，电气制动系统由PLC控制。

2  机械控制制动系统

2.1 制动器的选择

通常来说，制动器可以分为鼓式、盘式、带式和蹄式四种类型的制动器。一般情况下，桥式起重机的工作制动器为鼓式制动器，这是因为对于起重机械而言蹄式制动器属于内胀式并不适用，通常在汽车制动系统中的使用比较广。而盘式和带式制动器都可以用来当做失效保护紧急安全制动器，在这里通常情况下也是选择盘式制动器，这是因为紧急制动时会产生摩擦热，带式制动器由于其结构特征的原因散热性不好，但是盘式制动器其结构可以进行很好的散热，而且盘式制动器受到的制动力是轴向力，因此制动轴不会受到弯曲载荷的作用。而且盘式制动器的制动盘和制动闸片摩擦接触形式为平面接触，容易磨合，可以忍受相对比较大的热量。因此综合考虑采用鼓式制动器作为工作制动器，盘式制动器作为紧急安全制动器[2-3]。

2.2 盘式制动器制动机制分析

桥式起重机在实际制动过程中电磁阀会执行断电操作，是动能转换为摩擦功的能量转化过程，摩擦涵盖了两个方面的摩擦，一是导轨与滑轮的滑动摩擦，二是制动器装置的制动摩擦。

通常情况下，需要已知初始速度和制动加速度进行制动范围的设计[4-5]，因此制动距离可以由下式计算：

3  电气控制制动系统

起重机的电气控制可以分为供电、配电保护、驱动、控制及故障监控四部分。为了能够及时的执行紧急制动，桥式起重机的供电系统需要安置一个或多个电源切断装置，进行多重保护，来确保能够使起重机进行正常的供断电，而且能够在特殊情况下及时的断开应急电源。其开关类型有两种形式，一是断路器，二是接触器。而且一般情况下采用两种方式供电，有正常工作电路和应急工作电路，如果突然失去电力，应急电源同样可以确保起重机的正常运作。

起重机的供电系统由三部分组成，分别有驱动、控制和照明类型的电源。驱动电源由电源控制柜内的主开关控制，控制机构运动。控制电源通常负责各个控制回路的供电，确保在主电源失电时，控制回路依旧可以工作。照明电源则是进行日常照明和相关需要光照的电器使用。针对各个驱动机构的电机，起重机的配电保护系统能够对每一个驱动电机进行短路和过载保护。短路保护通常使用速熔熔断器或选用热磁断路器进行保护，这是为了防止电路故障瞬间产生大电流造成设备损坏和严重事故。过载保护通常使用热继电器进行保护，这是为了防止超载造成总电流超过额定电流，过载保护及时断电，防止导线和电气等受到损坏。起重机的驱动系统一般通过凸轮控制器和控制变频器来共同控制和驱动机构的运行，主要设施为控制柜。凸轮控制器直接控制电动机的正转、反转、启动和停止，因此需要凸轮控制器要具有操作应灵活轻便、工作可靠、触头接触良好等一系列优点。变频器因为其具有启动力矩大、运行平稳、运行效率相对较高的特点，相比较于变极调速、滑差调速、交流串极调速等，具有更好的控制能力和精确性。电机通常选用绕线式异步电动机，主要因为起动力矩大，起动平稳，能够适应频繁起动、反转、制动、停止等日常运作的需求。

桥式起重机的控制核心为PLC，具体的控制部件有CPU、传输模块及模拟模块等。CPU可以连续监控该系统的功能是否正常，传输模块可以实现现场与操作室的信号连接，命令的执行可以得到及时的反馈。利用其丰富的功能指令进行编程，能够发现并记录错误和特殊系统事件。其中的模块化无底板设计，更加便于扩展，具有很高的普适性。

4  桥式起重机紧急停止系统的设计

4.1 俯仰驱动机械保护

俯仰机构驱动装置设在机器房，主要由电机、联轴节、制动器、卷筒、低速轴盘式制动器以及超速保护装置、限位保护装置及角度位置编码器等组成。俯仰超速保护是前大梁俯仰速度超速时使机构停止工作的安全装置：超速保护，装在电机的另一出轴端上，速比1：1，当俯仰机构的速度达到额定速度的115%时，使电机停止工作，并使盘式制动器和低速级制动器同时制动，保证前大梁的俯仰安全。

在确保大梁能够进行正常工作运作，在这里进行两方面的制动设置，一是高速端液压盘式制动器，二是低速端液压盘式制动器。在紧急情况下，当前大梁俯仰超速，速度达到额定速度的1.15倍时，通过紧停按钮或超速马达动作，使得两个制动器同时制动，确保安全。

4.2 电气控制保护

自动急停保护装置的具体特征是利用电流收集信号，进而传输至终端，并进行逻辑判断。通过控制电流信号采集电路采集接触器线圈电流断开信号，以此作为负载电流延时断开的起点;通过负载电流信号采集电路采集接触器负载端电流断开信号，以此作为负载电流延时断开的终点;通过逻辑判断电路将负载电流延时断开的时间，与电路预先设定的延时时间值进行比较，当前者大于后者时驱动电路动作，驱动脱扣器使与之相连的开关断开主电源;当前者小于后者时，驱动电路不动作。

5  结论

随着桥式起重机的应用范围越来越广泛，其工作安全要求也会随之提高，因此对桥式起重机紧急停止的设计需要进行更加深入的研究，而且不仅仅只考虑到制动控制，需要从桥式起重机的工作环境、整体机械结构和电气设备等因素进行综合性的考虑设计，才能构造具有整体效能的制动控制系统，更能有力度的保障起重机械的安全性能。

参考文献：

[1]李海洋.起重机电气控制系统及上车布局优化的设计与实现[D].大连海事大学，2012.

[2]梁俏冰.起重机无线遥控系统的紧急停止功能[J].起重运输机械，2002（5）：24-25.

[3]解振宇.浅论电动单梁起重机紧急停止开关[J].中外企业家，2015（15）：209，211.

[4]胡江林.桥式起重机抱闸开闭控制保护系统的设计[J].浙江交通职业技术学院学报，2018，19（3）：32-35.

[5]楊亚林.桥式起重机大车制动系统分析[J].建筑机械化，2014（6）：52-53.