起重机械一般电动葫芦更换为冶金电动葫芦探讨

刘家成

（江苏省特种设备安全监督检验研究院盐城分院，江苏盐城，224000）

0 引言

国家市场监督管理总局特设局函（2020）47号文件对起重机械改造的定义为：改变原有主要受力结构件的结构形式、主要机构形式、主参数的活动，而将普通电动葫芦更换为冶金电动葫芦，则改变了起重机械的起升机构形式，故此行为的施工类别应该划分为改造。GB 6067.5-2014《起重机械安全规程 第5部分 桥式和门式起重机》中14.2.6规定吊运熔融金属的起重机，额定起重量不大于16t时，可采用电动葫芦作为起升机构，由于起重机械品种较多，本文仅讨论以电动葫芦作为起升机构且额定起重量不大于16t的起重机（无司机室），具体品种有电动单梁起重机，电动葫芦桥式起重机。

起重机械改造涉及的内容方方面面，本文从检验角度出发，考虑技术法规，起重机械自上而下，主要讨论工作级别、冶金电动葫芦及钢丝绳三点。

1 工作级别

车间以电动葫芦作为起升机构的起重机的工作级别一般为A3或A4，而吊运熔融金属或炽热物品的起重机的工作级别至少为A6（电动葫芦的工作级别不应低于M6）。提高起重机整机的工作级别目前一般有两种方案，一种是整机降级使用，如16t或10t降级为5t使用；另一种是改造主梁，即对主梁进行加高加宽，使其强度和刚度达到要求，改造主梁需要重新设计计算，且需动火。

1.1 整机降级使用

GB/T 3811-2008《起重机设计规范》中规定起重机整机的工作级别由起重机的使用等级和载荷状态级别确定，具体表1。

表1 起重机整机的工作级别

由表1可以看出，工作级别A3在起重机使用等级不变的前提下，想要提升到至少A6的工作级别，则需原起重机的载荷状态级别为Q1,且载荷谱系数KP提升8倍，KP的计算公式为：

其中：

Ci为起重机各个有代表性的起升载荷相应的工作循环数；

CT为起重机总工作循环数；

PQi为能表征起重机在预期寿命期内工作任务的各个有代表性的起升载荷；

PQmax为起重机的额定起升载荷；

m为幂指数，为了便于级别的划分，约定取m=3。

根据公式（1）可以得出，如果工作循环数和代表起升载荷不变化，则额定起升载荷PQmax应减小为原来的一半，故提升工作级别A3到A6，若采用整机降级使用的方法，应至少考虑两点：第一原起重机的载荷状态级别为Q1，即很少吊运额定载荷，经常吊运较轻载荷；第二改造后的整机额定起升载荷需减小一半左右，如5t改为3t以下，10t改为5t，16t改为10t等。

1.2 改造主梁

若采用改造主梁的方法，且保持原额定载重量不变，则需考虑工作级别对挠度的影响，TSG Q7016-2016《起重机械安装改造重大修理监督检验规则》规定对A1～A3级，挠度不大于S/700；对A4～A6级，挠度不大于S/800；对A7、A8级，挠度不大于S/1000，按最大挠度变换要求，可知在跨度不变的要求下，挠度上限要求应为原挠度要求的70%。根据公式：

其中：

f垂直为垂直静刚度

P为额定载重量与葫芦自重之和（不包括主梁自重）

S为跨度

E为弹性模量

IX为主梁水平截面的惯性矩

由公式（2）可知，当P、S、E不变，主梁水平截面的惯性矩应为原惯性矩的1.43倍，当然这里所有的考虑是处于极限状态的设计考虑，如若起重机在原来设计就多预留了相关载荷，那么在之后的改造设计中应考量进去，但是应向检验人员提供计算说明书。主梁水平截面的惯性矩计算需要主梁截面图及相关数据，详见图（1）和公式（3）、（4）、（5），由于要同原惯性矩进行比较，则设计单位或制造单位应向检验人员同时提供改造前和改造后的图纸。

图1 主梁截面图

S0=L0t0，S1=h1t1，S2=L2t2，S3=L3t3，S4，I4，h2根 据 工字钢型号查询标准GB/T 706-2016可得。

主梁截面水平形心轴x-x位置：

主梁截面惯性矩：

图（1），公式（3）、（4）、（5）中 ：

编号0、1、2、3、4分别对应着上盖板，腹板，斜侧板，工字钢下方的补强钢板及工字钢

S对应截面面积

L对应板材宽度或高度

t对应板材厚度

I对应自身惯性矩

由图（1）和公式（3）、（4）、（5）可以看出，影响主梁垂直静刚度的主要因素为主梁的净高和钢材各部位的厚度，如果需要校核主梁垂直静刚度是否达到要求，可要求设计单位或制造单位提供主梁截面图，并将相应数据带入公式（3）、（4）、（5），算出主梁水平截面的惯性矩Ix，之后将结果和原数据算出的结果进行比较，观察是否为原主梁水平截面的惯性矩1.43倍以上，如果是，则主梁垂直静刚度达到要求。当然，对于设计单位或制造单位而言，除了垂直静刚度，还应考虑主梁水平静刚度和端梁设计，以满足主梁的整体稳定性。

2 冶金电动葫芦检验的注意事项

正规厂家的冶金电动葫芦按照国家相关标准生产，其配置已经基本满足安全要求，例如GB 6067.5-2014中3.6.3规定以下翼缘作为运行轨道的、吊运熔融金属或炽热物品的起重机，应在起重小车底部设防辐射热装置， GB/T 3811-2008中5.9.1.8也提到主要承载结构的表面如果长期受到热辐射作用，且表面温度达150℃以上时，结构设计应考虑有效的隔热防护措施，所以冶金电动葫芦出厂时就自带了反辐射的隔热板，在检验时不需要做其余动作，只需现场观察是否设置隔热板。既然冶金电动葫芦出厂时已经满足国家相关标准，那么对于普通的电动单梁起重机改造为冶金桥式起重机，检验人员在检验中对于冶金电动葫芦应该注意哪些要求呢？GB 6067.5-2014中给出了具体要求，总结有以下几点：

2.1 布线部位及电气设备采取保护措施，如设置隔热层

这点同反辐射的隔热板一样，直接现场观察是否设置。

2.2 滑轮

不得使用铸铁滑轮，使用单位或制造单位应向检验人员提供滑轮的合格证或者材质证明文件。

2.3 操作方式

采用遥控或者非跟随式等远离热源的操作方式，并且保证操纵人员的操作视野，设置操作人员的安全通道。

2.4 超速保护装置

GB 6067.5-2014中8.4.2规定对于吊运熔融金属和其他危险物品的起重机，其起升机构应设超速保护，额定起重量不大于5t的电动葫芦除外；常见的超速保护装置有机械式超速装置、电磁式超速装置和光电式超速装置。冶金电动葫芦一般采用的是机械式超速装置，在钢丝绳卷筒上装设机械式制动器作安全制动器，在机构失效或传动装置损坏导致物品超速下降，下降速度达到1.5倍额定速度前自动起作用，其制停距离要求为当工作制动器失灵时，安全制动器能可靠地支持住额定载荷且制动下滑量应不大于v/100（v为额定载荷下1min内稳定起升的距离，一般工作制动器下滑量要求为不大于v/65），且不大于200mm[1]。

2.5 安全制动器

超速保护装置中提到了安全制动器，其结构型式见图2。标准规定当起重机额定起重量大于5t时，电动葫芦除设置一个工作制动器外，还应设置安全制动器，且设置在电动葫芦的低速级上（当起重机额定起重量小于或等于5t时，也宜在低速级上设置安全制动器，否则电动葫芦应按1.5倍额定起重量设计），并要求在正常作业时，安全制动器应在高速轴制动器闭合后延时闭合，其延时动作时间可调，进行紧急制动时，安全制动器应立即动作。

图2 安全制动器结构

安全制动器的检验方法为提升额定载荷，人为调整锥形制动器，使其自由坠落过程中触发安全制动器，观察负载是否可靠制停，或者将电动葫芦原有控制系统进行升级改造，选取变频调速方式，通过人为调高供电频率实现起升电机加速旋转，从而驱动卷筒加速，触发安全制动器动作[2]。

2.6 制动器控制

制动器控制应考虑两种情况，一种是与电动机同时控制的制动器，另一种是与电动机分开控制的制动器。

2.6.1 与电动机同时控制的制动器

与电动机同时控制的制动器线路应设有保护装置，在出现故障时能迅速切断电动机和制动器的电源；如电动机接至制动器的导线长度不大于5m，制动器可不单独设这样的保护，而电动葫芦本身含电动机与制动器一体，其连接导线长度自然不会大于5m，故不需设置保护装置。

2.6.2 与电动机分开控制的制动器

与电动机分开控制的制动器的控制要采取预防措施，使得起动和制动时不出现任何失控的运动；如有电气制动，机械制动应在电气制动之后作用；电动机通电时制动器不得抱闸，短暂过渡状态除外；制动器的控制应采取防止因一个接触器损坏、粘连造成控制失效的措施。目前市场上大多数电动葫芦（包括冶金葫芦）的工作制动器采用的是锥形制动器，属于与电动机同时控制的一种机械制动器，故电动葫芦的工作制动器不需设置预防措施。

2.6.3 安全制动器的控制

由于安全制动器是晚于工作制动器动作，故安全制动器的控制肯定是与电动机分开的。故安全制动器的控制，都应有防止因一个接触器损坏、粘连造成控制失效的措施。

2.7 限位

2.7.1 限位具体要求

吊运熔融金属的起重机，主起升机构在上升极限位置应设置不同形式双重二级保护装置，并且能够控制不同的断路装置，当起升高度大于20m时，还应当设置下降极限位置限位器。今年国家市场总局[2021]16号文件也开展了起重机械隐患排查治理工作，针对的正是高度限位装置，由于高度限位装置的配置不当、缺失、损坏和失效等原因，引起的事故所占比例较高，要求安装（加装）高度限位装置，提高设备本质安全，这与吊运熔融金属的起重机安全要求是一致的（其例外情况中安装了传动式高度限位装置的桥、门式起重机不再要求设置“双限位”装置的要求不适用于吊运熔融金属的起重机）。值得注意的是，双限位要求是能够控制不同的断路装置，一般第一限位设置在控制回路，第二限位设置在动力回路，见图3、图4。

图3 第一限位电气图

图4 第二限位电气图

2.7.2 试验方法

其试验方法是吊具上升到第一起升高度上限位置时，第一起升高度限位器动作，并自动切断起升动力源，停止上升方向的运行，且应能保证下降方向运行的操作功能。在使用单位或安装单位的配合下，断开主电源开关并在其出线端验电确认，人为短接第一起升高度限位器触点。吊具继续上升到第二起升高度上限位置时，第二起升高度限位器动作，并自动切断更高一级的起升动力源（如第一级起升高度限位器分断上升接触器回路，第二级起升高度限位器分断总电源接触器回路等）后停止上升方向的运行（此时可不要求下降方向运行的操作功能）。试验结束后，需将起升高度限位器恢复至正常状态。

3 钢丝绳

3.1 钢丝绳安全系数

GB 6067.5-2014中4.3.1.2规定吊运熔融金属或炽热物品的起重机，应采用性能不低于GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》规定的金属绳芯（IWR）或金属股芯（IWS）的耐高温钢丝绳；安全系数应符合GB/T 3811-2008中相关规定，对于额定起重量不大于16t的起重机，其安全系数不应小于5.6，这里需要注意的是安全系数5.6对应的是机构工作级别为M6的运动绳，而钢丝绳选用与机构工作级别息息相关，故当电动葫芦的工作级别为M7或M8时，其钢丝绳安全系数对应不小于7.1和9。

3.2 钢丝绳直径

目前冶金起重机用钢丝绳基本结构为6×19W-IWRC或6×36WS-IWRC，而 6×36WS-IWRC 较 6×19W-IWRC 的柔性更好，价格也更高，用于冶金电动葫芦一般采用6×19W-IWRC较多，6×19W-IWRC冶金起重机用钢丝绳公称直径范围普遍在φ12-40mm之间，钢丝绳公称抗拉强度多选用1670MPa、1770MPa、1870MPa 三种[3]居多，根据公式（6）：

其中：

F0为钢丝绳的整绳最小破断拉力，单位为千牛（KN）

S为钢丝绳最大工作静拉力，单位为牛顿（KN）

n为钢丝绳的最小安全系数

以额定起重量为16t，工作级别为A6的吊运熔融金属或炽热物品的电动单梁起重机举例，其钢丝绳最大工作静拉力S=16✕9.8÷4=39.2，n取5.6，则钢丝绳的整绳最小破断拉力F0应为220KN，若选用公称抗拉强度1870MPa的钢芯钢丝绳，查表可得最小钢丝绳直径为18mm[4]。

4 结束语

针对使用单位将普通葫芦更换为冶金葫芦，本文从技术法规方面出发，以检验角度分析探讨了注意事项。通过本文可以得出，将普通葫芦更换为冶金葫芦不仅技术要求较高，而且成本较大，故现场发现此现象，检验人员一般不建议使用单位进行改造，而建议使用单位复原到设备原本状况，如使用单位的确需要吊运熔融金属或炽热物品，则建议使用单位再重新购置一台吊运熔融金属或炽热物品的起重机械。