塔式起重机超速保护装置失效的案例分析

卢锐昌

（广东省特种设备检测研究院东莞检测院，广东东莞 523000）

0 引言

常见塔式起重机的起升机构是通过钢丝绳、卷筒来垂直吊运货物，为保证其安全运行，国家制定了相关的标准。GB/T3811-2008 《起重机设计规范》 中的第6.1.1.3.3 条要求，在安全制动要求高的起升机构中，为防止起升机构的驱动装置的损坏而出现安全事故，应在钢丝绳卷筒上装设机械式制动器作为安全制动用[1]。GB/T5031-2019《塔式起重机》中第5.4.1.4.3 条要求起重机动臂变幅机构为防止制动器或驱动机构失效，应设有可有操作者和超速保护开关控制的、直接作用于卷筒凸缘上的安全制动器[2]。TSG Q7016-2016《起重机械安装、改造、重大维修监督检验细则》第C8.2（7）项要求采用涡流制动器的起重机起升机构、非平衡式变幅机构须设置超速保护装置[3]。超速保护装置是起重机一个重要的安全保护装置。目前，市场上使用的超速保护装置可分为机械式和电子式。超速保护开关是一种机械式控制开关，其不仅能限制电动机的最高转速，还能快速分断电路，从而保障起重机安全运行。通常，它主要用于起重机起升机构下降速度超速的保护电路里。常见的超速保护开关一种安装在电机内部线路，电机自带超速保护装置；另一种外加的安装于电机轴上。对于外置的安装于电机轴的超速保护开关，需注意其动作速度值的设定。在塔式起重机检验中，检查超速保护的设置和整定是一项重要检验项目。本文主要结合塔式起重机超速保护装置失效原因，在对超速保护装置失效危害分析的基础上，进行起重机械超速装置检验方法的分析。

1 安全隐患情况

近日，东莞检测院在对一台塔式起重机的监督检验中发现该设备起升机构的超速保护装置存在选型错误，其动作速度与现场塔式起重机不匹配，造成超速保护装置动作失效。整体外观如图1 所示。安装单位为广安市海邻设备安装有限公司；制造单位为长沙中联重科科技发展股份有限公司；型号为TC7030B；结构形式为小车变幅、固定式；起升机构调速方式为涡流制动器调速；起升速度为100 m/min；最大起重力矩为160 t·m；减速器型号为QE1675E；减速机速比为20.43；超速开关型号为LY1-1/1000 D；触头动作转速为1 330 r/min。

图1 塔式起重机整体外观

从塔式起重机的设计文件（图2）中可以看出，该塔式起重机的起升机构采用涡流制动器调速。涡流制动器调速具有系统工作可靠、调速比大、具有后备工作能力等优点，在起重机调速方式中被广泛采用。涡流制动器主要由两部分组成，其一是跟随驱动电机同轴转动的电枢，其二是与电动基座装在一起的感应器，它由磁极和激磁极绕组等组成。给涡流制动器通入激磁电流后，磁极产生磁通。当驱动电动机带动涡流制动器的电枢旋转时，磁极的磁通切割电枢表面产生涡流，此涡流与磁极的磁通相互作用产生转矩，此转矩的方向与电动机旋转方向相反，起着制动的作用。起重机械运行过程中，起升与变幅机构进行调试过程中，机构内部的支持制动器是处于完全打开的状态，对于起重机械的调速运行没有起到制动作用，而此时在起重机械设备系统中，作用在电动机轴上的两个作用力矩，一个是由起升机构起升重物所产生的负载力矩，另一个则是由起升机构调速系统中设置的调速力矩，通常将这种调速系统的调速力矩作为制动力矩，通过对力矩大小的调节实现过于转速的调节控制。涡流制动调速主要是通过对于涡流制动器励磁电流大小的控制调节，实现对于起重机械电动机转速大小的调节和控制，这种方式在进行起重机械电动机转速大小调节过程中，一但出现控制信号故障或者欠流、欠压问题时，会造成涡流制动调速的力矩消失或者减弱，从而造成起重机超速运行的发生。

图2 起升机构电机调速原理

在起重机作业过程中，如果重物在下降时涡流制动器出现故障等情况，就会造成制动力矩不足，重物超速下降，造成货物损坏和人员伤亡的事故。因此，塔式起重机起升机构采用涡流制动器时必须设置超速保护[4]。

现场塔式起重机的起升机构电动机型号为YZRSW280M-4/8（图3），电动机动力经过减速机（图4）、卷筒后在低速端输出，并在该输出轴处安装超速保护装置（图5），其超速保护开关触头与卷筒低速端输出轴同轴安装（图6）。超速开关整定值取决于控制系统性能和额定下降速度，依据TSG Q7016-2016《起重机械安装、改造、重大维修监督检验细则》要求，超速保护装置调定速度为额定速度的1.25～1.4倍[5]。

图3 起升机构的电动机

图4 起升机构的减速机

图5 超速保护装置

图6 起升机构传动原理

从该台塔式起重机的设计文件中可查出电动机转速为1 446/724 r/min，减速机速比为20.43，换算输出端为70.78/35.43 r/min。而超速开关触头动作转速为1 330 r/min，按额定速度的1.25～1.4 倍折算后转速为950～1 064 r/min，显然远超出低速输出端的速度范围。因此，该台塔式起重机存在超速装置存在选型错误，其未能在技术规范要求范围内触发动作。

2 问题原因及风险分析

2.1 问题原因

（1）该塔式起重机存在设计缺陷

该台塔式起重机由长沙中联重科科技发展股份有限公司2010年制造，广安市海邻设备安装有限公司2018年负责安装。经了解，该塔式起重机设计人员未考虑超速保护装置，由于安装位置不同造成的速度配备问题，把超速保护装置设计安装在低速输出端位置而选用了较大触发动作速度范围超速保护装置，造成该装置选型的错误。

（2）设计单位质量管理不到位

设计单位所出的设计图纸应有设计、审核、审批人员的签名确认，按照质量体系要求，审核人员应对设计图纸技术复核。由于质量管理不到位，设计、审核人员未能及时发现设计图纸中存在的设计缺陷，导致产品出现问题的客观原因。

2.2 风险分析

超速开关在进行超速保护过程中，主要是利用离心原理，通过超速开关中微动开关触头动作，超速开关触头一旦动作，起重机械高速轴电动机就会立即停止运转，从而实现对超速问题的控制。因此，起重机械中超速保护装置失效，主要表现为超速开关中微动开关的触头动作失效，对于其中机械的超速控制不起作用，仍会对设备造成损坏，甚至造成安全事故发生。

起重机起升机构和变幅机构调速时，机构的支持制动器是常开的，不起制动作用。此时，作用在电动机轴上有两个力矩，一是重物产生的负载力矩，二是由调速系统决定的调速力矩。在塔式起重机使用过程中，由于电气或机械原因可能会造成接触器粘连、涡流制动励磁电缺失等，从而造成调速力矩消失或较弱时，会造成重物坠落事故。因此，如果起重机械起升机构超速运行时超速保护装置失效，制动装置无法可靠制动，将会威胁到作业人员人身和设备安全。

该塔式起重机保护装置选型错误，选用超速保护装置的动作速度范围远大于该塔式起重机起升机构起升速度范围，因此该超速保护装置未能在塔式起重机起升机构起升过程中起安全保护作用。当重物超速下降超过额定速度1.25～1.4 倍时就无法触发动作，此时起升机构制动器未能及时可靠合闸制动，极易造成人员伤害的事故。其次，由于超速保护装置形同虚设，限速装置的失效导致塔式起重机在重物高速下降紧急制动，高速制动不仅会导致塔式起重机制动器的损坏，严重的还会导致塔式起重机整机倾翻[6-8]。

3 防范措施

（1）起重机设计人员应提高责任意识，应严格按起重机设计规范要求设计相关安全部件。设计人员应考虑安全部件安装位置对部件选型的影响，从而避免设计缺陷的出现。因此，要重视加强设计人员素质教育，制定相应的技术培训，提升设计人员的技术水平。

（2）起重机设计单位应建立切实可行的质量管理制度，认真履行质量保证体系文件相关要求。质量管理人员尤其是技术审核、审批人员认真履行职责，加强质量管理。建立安全管理长效机制，针对塔式起重机设计环节进行安全排查管理，及时发现设计环节的产品缺陷。只有强化管理制度落实，提升企业质量管理水平，才能保证塔式起重机的设计安全。

4 超速保护装置的检验

检验机构检验人员应加强超速保护装置的检验。超速保护主要检验超速保护的设置和整定，检验联锁保护应人为触动超速保护开关或断开超速保护继电器的联锁触点，此时机构电机应不能启动。超速保护装置的整定值取决于控制系统在下降最高速度时系统的控制状态。若系统未速度闭环控制，其静态速度精度较高超速保护整定倍数可为1.25；若系统处于开环状态，其速度精度较差，通常超速整定倍数约为下降速度的1.4倍。

对于采用电气或程序实现超速保护的，按其设计资料检查是否有超速保护功能及整定值是否符合要求。

5 结束语

针对起重机械超速保护装置的保护原理与失效情况，为了避免起重机械超速保护装置失效，对于设备造成损坏或者造成事故的发生，应注意做好超速保护装置的检验工作，也就是对于超速保护的设置以及整定情况进行检验，在进行联锁保护装置功能的检验中，可以通过人为触动超速保护开关等方式进行检验，而电气以及软件的超速保护装置，则可通过对照设计资料，对超速保护设计功能与整定值设置等进行检验。采用电气调速、电气制动以及其他方式调速但超速将造成重大事故的，都应设置超速保护。超速保护可以是超速开关，也可以是其它保护措施如超速保护制动器、失磁保护等。超速保护的检验主要检查是否设置和其整定值。根据设计资料和现场检查设置情况，根据系统检查整定值是否与设计资料要求相一致。

总之，起重机械超速保护装置失效，对于起重机械设备具有一定的损坏作用和影响，还可能造成事故问题的发生。因此，进行起重机械超速保护装置失效的分析，对于控制设备损坏与避免事故发生，有着积极的作用和意义。