岸桥俯仰电机超速故障的原因分析与维修

天津港欧亚国际集装箱码头有限公司　石正雄

摘　要： 结合岸桥俯仰机构超速故障的检修过程，分析故障原因和处理方法。

关键词： 岸桥; 超速开关; 电机超速故障

The Reason Analysis and Maintenance of Quay Crane's Boom Electromotor Overspeed Fault

Tianjin Port Euro-Asia International Container Terminal Co., Ltd.　Shi Zhengxiong

Abstract： According to the maintenance process of the quay crane's boom mechanism overspeed fault, this paper analyzed the causes and handling methods of it.

Key words: quay crane; overspeed protection switch; electromotor overspeed fault

1　引言

电机超速保护装置是岸桥上的一个重要的安全保护装置，是为了避免岸桥起升和俯仰机构由于机械或电气故障导致货物快速自由下降或前大梁超速运行，发生机损和安全事故而采取的一个保护措施。《起重机设计规范》GB/T 3811-2008中明确要求，对于重要的、负载超速会引起危险的起升机构和非平衡式变幅机构应设置超速开关。

常见的超速开关类型有电子式和机械式。机械式超速开关通过安装在电机内部同轴上的离心式开关检测电机转速，当电机转速超过限定转速时，依靠离心力打开微动触点使电机停止或减速[1]。机械式超速开关的特点是直观、简单，但是检查和调整比较困难。电子式超速开关一般安装于钢丝绳卷筒侧，通过控制器读取编码器信号实现速度检测功能，当转速超过控制器设定值时，控制器输出信号断开电机控制电源，制动器紧急制动，实现超速保护的功能。电子式超速开关的特点是修改设定参数和检修方便。

本公司65 t-66 m岸桥起升机构和俯仰机构均采用德国霍伯纳公司生产的EGS4型可编程式电子式超速开关。EGS4型超速开关通过1个速度传感器来检测转速，传感器输出脉冲信号到控制器，控制器输出信号包括2个常闭点和1个系统故障检测点，控制器设置1个RS232接口用于参数设定和编程。EGS4型超速开关自带1个编程软件EGS4PRO，可以通过笔记本连接RS232接口与控制器通讯，进行参数设定和编程。在EGS4PRO软件界面中，可以设置超速开关的限制转速、超速开关恢复百分比(当转速低于设定参数乘以这个百分比时，超速开关自行恢复)、转速超速检测延时；通过软件还可以对转速进行实时监控，并可以将监控数据以表格的形式存储到电脑硬盘。

俯仰机构由1台功率为315 kW的安川BDK-IKMU交流变频电机驱动，额定转速为1 438 r/min，俯仰机构减速箱传动比为106.5；起升机构则由2台功率为580 kW的安川BDK-IKMU交流变频电机驱动，起升机构电机额定转速为1 800 r/min，减速箱传动比为20.856。俯仰机构和起升机构的超速开关都通过卷筒轴端的一对传动比为54 ∶26齿轮和一个减速比为1 ∶1的小型斜齿轮传动齿轮箱来传动。由岸桥的使用说明书可知，2个机构超速开关设定值均为小型斜齿轮传动齿轮箱额定转速的115%，即起升机构超速开关设定值为：n115%=1 800÷20.856÷1×54÷26×115%≈206.14 r/min，同样计算可以得到俯仰机构超速开关设定值为32.25 r/min。

2　俯仰电机超速故障的原因分析

自投产以来，109#岸桥俯仰机构多次发生俯仰电机超速故障，造成俯仰机构意外停止。在故障的排查过程中，首先对超速开关的接线进行了检查，并未发现异常。随后通过起重机远程控制监视系统的状态回放功能，分析俯仰电机的速度给定和速度反馈情况，转速基本相同，最大偏差情况下偏差率仅为额定转速1 438 r/min的0.05%，属于正常范围，排除了电机确实超速的情况。俯仰机构闭环速度控制系统的速度反馈检测点为俯仰电机同轴的脉冲编码器，而超速开关位于俯仰钢丝绳卷筒一端，二者之间的检测方式不一样，但是检测结果应该是相同的。而出现不同的结果。经过初步分析，原因可能有以下2种。

(1)超速开关实际转速不到设定转速时即动作。由于超速开关为电子式，误动作几率很小，但是仍然存在这种可能性。所以须通过超速开关自带的编程软件EGS4PRO检验超速开关动作时超速开关的实际转速。

(2)由电机到超速开关的传动装置出现速度误差，导致超速开关动作。由电机到超速开关经过多级齿轮的啮合传动，由于齿轮啮合传动时可能存在冲击、振动，影响齿轮传动的平稳性，导致超速开关瞬时转速过大。对该情况的判断需要通过监控软件画面，检验超速开关转速波动情况。

根据以上2个思路，首先对超速开关的可靠性进行了验证。通过超速开关自带的编程软件EGS4PRO查看，109#岸桥俯仰机构超速开关设定值为35 r/min，即当超速开关输入轴转速超过35 r/min,并且保持100 ms以上时，超速开关-1常闭点断开。当转速下降10%后，即31.5 r/min时断开常闭点再次闭合。由于人为将俯仰电机输出转速加大，超速开关动作后，将造成俯仰机构急停，十分危险。然而起升机构与俯仰机构超速开关型号、底座、齿轮啮合情况全部相同，因此决定用起升机构来验证俯仰机构超速开关的可靠性。将俯仰机构超速开关拆下安装在起升机构超速开关的位置，将起升机构超速故障线圈强制断开，另外将硬件线路起升主控线路上超速开关中间继电器常闭点利用导线短接，避免起升机构急停，并且将起升超速开关信号点加到起升机构减速程序中。起升机构动作，起升卷筒速度不断增大，当达到超速开关设定值35 r/min时，超速开关常闭点断开，机构开始减速，当减速到31.5 r/min后，超速开关常闭点又闭合，机构又开始加速。通过EGS4PRO的报表功能可以直观地看到超速开关动作时的转速及减速动作，如图1所示(由于篇幅原因只截取部分数据，并且为了直观的看到超速开关的动作，测试中取消了EGS4PRO中设置的100 ms的延时设定)。这说明超速开关本身的可靠性良好，可以排除超速开关误动作的原因。

图1　超速开关动作时生成数据表格图

其次，从传动装置的误差方面查找原因。在俯仰机构运行过程中，通过EGS4PRO的实时监控功能对数据进行了分析，可以看到速度波动幅度较大，峰值可以达到34.16 r/min，已经接近35 r/min的设定值，可见传动装置的误差较大，偶尔产生超过35 r/min设定值的尖峰扰动，并且时长超过100 ms的延时功能没有被过滤掉，是导致俯仰超速开关动作而发生故障的直接原因。

通过现场观察分析，并查阅设备出厂时的调试报告，发现传动装置的误差来源可能是：①设备在机械零部件的安装时存在装配误差，并且机房内布置有3套驱动机构，设备运行时存在较大的震动干扰；②齿轮在装配时为了避免因轮齿摩檫发热膨胀而卡死而留有的齿侧间隙，随着齿轮磨损量逐渐增大，也会逐渐增大，在齿间产生冲击载荷从而影响齿轮传动的平稳性。虽然为了避免这些干扰源，在调试中同一项目每台设备超速开关设定值都有一定的差异，一般都会偏大于理论上的115%额定转速，避免超速开关误动作，如109#岸桥俯仰机构超速开关设定值为35 r/min，大于计算得出的32.25 r/min的设计值，但是109#岸桥俯仰机构超速开关的传动误差仍然导致了故障发生。另外，《起重机设计规范》GB/T 3811-2008中说明，超速开关的整定值取决于控制系统性能和额定下降速度，通常为额定下降速度的1.25~1.4倍。因此尽管俯仰机构的超速开关参数设定值大于厂家标明的115%额定转速，但仍然符合起重机设计规范的要求。

3　处理方法与效果

随后，对小型齿轮箱的齿轮装配进行调整，以减小传动装置的速度波动。通过增加或减少铜垫片来改变齿侧间隙，调整完毕后，使用塞尺测量齿轮副的齿侧间隙值。因为在静态下，齿侧间隙值为一个定值，在齿轮副运转状态下，齿侧间隙由于速度、载荷等工况变化而产生变化，最终确定了齿侧间隙的一个合理范围。调整完毕后通过测试，结果运行时速度曲线较为平稳，超速开关运行时的最大峰值均有所降低，最大峰值为33.2 r/min。调整后至今已有一年时间，没有再次发生故障，俯仰电机超速故障得到排除。

4　结语

电机超速故障影响到设备的安全运行，通过此次故障的检修，探索了电机超速故障开关的工作原理和检测方法，在日后的维护和检查中，将按照相关标准定期对电机超速保护装置进行校验，减少设备故障的次数，使设备安全稳定地运行。

参考文献

[1]　李力，余新亮，邓代军，黄兵，胡远全. 起重机械超速保护开关检测装置设计及应用[J]. 工业安全与环保2012(10):48-50.

石正雄： 300461，天津市滨海新区临海路1698号

DOI： 10.3963/j.issn.1000-8969.2015.06.002

收稿日期： 2015-08-14