断轴保护系统在冶金起重中的应用

断轴保护系统在冶金起重中的应用

王守航

第一炼钢厂

摘要：本文通过分析冶金铸造吊起重机减速机出现齿轮轴断裂的各种可能，旨在研究发生减速机断轴后怎样使安全液压制动器自动快速抱死卷筒盘，而不依赖于操作工拍紧急停止按钮来实现，使机构及时停止非正常动作，从而避免发生重大安全事故。

关键词：冶金铸造吊减速机；齿轮轴断裂；安全液压制动器

前言

南钢第一炼钢厂冶金铸造吊起重机主卷一次行星减速机曾发生断轴情况，给人员和设备带来巨大的安全隐患。断轴保护系统，是针对在天车主卷机构发生一次与二次减速机齿轮轴断裂的情况后通过断轴保护系统能够及时的使安全制动器动作从而使主卷机构及时停止非正常动作，最终达到安全保护的功能。本系统通过在主卷高速侧与低速侧加装编码器采集卷筒轴与减速机高速轴运转速度的脉冲信号，将信号传输至PLC记数模块后对数据信号进行一系列的数据对比，通过西门子STEP7软件编写断轴检测系统程序，从而达到通过PLC与编码器实现天车断轴保护的功能。

1起重机作业工艺流程简介

起重机作业经由倒罐站、脱硫、转炉、精炼、RH、连铸等流程完成。

2存在的隐患及改造预想

2.1浅藏隐患

厂内铸造起重机长期吊运钢水与铁水且满负荷运行，起重机各传动机构均需承受较大的负载，因此每一个传动部件都在承受着重大的考验，而作为主卷机构传动核心的一、二次减速机的运行状况直接关乎着安全生产能否顺行。

我厂起重机曾经出现过一次减速机内部高速传动轴断裂的情况，由于事发后操作工及时拍下紧急停止按钮未造成重大安全事故，但考虑到发生减速机传动轴断裂时情况会比较复杂，不能保证所有操作工都能及时反应拍下紧急停止按钮，因此设想通过起重机控制系统检测，从而实现当减速机传动轴发生断裂时，安全液压制动器及时抱死，避免主卷机构下滑造成吊物自由落体。

2.2改造设想

设想在卷筒出轴一侧（后文简称低速测）与减速机高速传动出轴处（后文简称高速测）安装测速编码器，在PLC主站加装扩展技术模块机架，通过对高速侧与低速测编码器脉冲读数进行系统科学的对比来判断传动轴断裂后可能会造成的异常情况，具体对比方式需通过PLC编程实现。

3原理分析

调试断轴保护系统主要能实现四种保护功能。为了消除编码器的累积误差，每次主令控制器回到零位后都将计数器模块的计数值清零。为了消除干扰信号，只有当检测到的断轴信号持续550ms后才真正输出闭合安全制动器的信号。下面分别详细的阐述一下每一种保护的原理和起到的作用：

Nd1:1#电机编码器计数值

Nd2:2#电机编码器计数值

Nj1:1#卷筒编码器计数值

Nj2:2#卷筒编码器计数值

△Nd1:1#电机编码器在100ms内计数值的变化量

△Nd2:2#电机编码器在100ms内计数值的变化量

△Nj1:1#卷筒编码器在100ms内计数值的变化量

△Nj2:2#卷筒编码器在100ms内计数值的变化量

Q1：一次行星减速机的速比3.392

Q2：二次固定减速器的速比32.05

Q3：卷筒侧编码器增速齿轮箱的速比8.25

3.1高速侧断轴保护

高速侧断轴保护能够检测减速机高速齿轮轴是否存在断裂情况，具体设计原理为：

高速侧两个电机的计数值之和再除以减速机速比等于卷筒侧编码器数值除以编码器增速器速比，即下式

﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;﹙Q1×Q2﹚＝△Nj1&pide;Q3

﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;﹙Q1×Q2﹚＝△Nj2&pide;Q3

整理一下可得

﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;△Nj1＝﹙Q1×Q2﹚&pide;Q3

﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;△Nj2＝﹙Q1×Q2﹚&pide;Q3

取一个误差值γ，比值超出这个范围即认定为断轴，根据实际监测γ取56（经验值），即

﹙Q1×Q2－γ﹚&pide;Q3＜﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;△Nj1＜﹙Q1×Q2＋γ﹚&pide;Q3

﹙Q1×Q2－γ﹚&pide;Q3＜﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;△Nj2＜﹙Q1×Q2＋γ﹚&pide;Q3

带入数值即得

6.390＜﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;△Nj1＜19.965

6.390＜﹝△Nd1＋△Nd2﹞&pide;△Nj2＜19.965

PLC程序段将2个高速侧编码器读数做加数运算，然后将运算值除以卷筒侧编码器读数，比较最终运算值是否在6.390-19.965之间。

3.2低速侧断轴保护

低速侧断轴保护能够检测减速机低速齿轮轴是否存在断裂情况，具体设计原理为：

两个卷筒侧的计数值做减法，当差值的绝对值超过一定范围时认定为断轴，即

-δ＜△Nj1－△Nj2＜δ

-ε＜Nj1-Nj2＜ε

根据实际监控判断，这里δ（经验值）取值20，ε（经验值）取值350，即

-20＜△Nj1－△Nj2＜20

-350＜Nj1-Nj2＜350

PLC程序段将1#卷筒与2#卷筒在100ms内编码器变化量差值进行比较，测量数值是否如在范围内。

3.3主起升工作制动器故障保护

考虑工作制动器抱死状态，主起升机构向下运动即造成卷筒运动编码器产生数值变化，具体设计原理为：

当工作制动器抱闸后，发现卷筒向下运动，并超过一定速度时安全制动器抱闸，即

△Nj1＜Ω；△Nj2＜Ω；

这里将Ω取值-14，约为整个机构额定转速的4%，即

△Nj1＜-14或△Nj2＜-14时，安全制动器抱闸

4投用试验

4.1高低速侧模拟试验

测试方法：人为的拆除其中卷筒侧和电机侧编码器的线，造成一侧编码器无计数，模拟断轴后速度偏差情况。

结论：安全制动器动作，能够起到保护作用

4.2主起升工作制动器故障保护试验

测试：在主起升停止运行状态下，手动打开工作制动器，模拟工作制动器故障情况，造成溜钩。

结论：安全制动器动作，能够起到保护作用。

4.3系统故障报警后处理方案

当断轴保护系统动作后，需要及时通知维护人员到现场检查，判断是否真的出现断轴情况。当确认断轴后，需要先按下驾驶室联动台上的“故障复位”按钮，然后再进行送电，打开安全制动器，继续作业。切勿随便按下“故障复位”按钮，造成吊物二次下滑。

若未发现齿轮轴有断裂但系统动作，则如下流程图1逐步进行排查：

5结论

断轴保护系统能给冶金铸造吊起重机带来巨大的安全效益，很大程度上避免起重机因起升机构传动部位损坏而发生吊物高空坠落的安全事故的可能，给钢铁行业严峻的安全形势带来一丝曙光，值得大力推广。

图1

参考文献

[1]《STEP7V5.5编程手册》SIEMENS