CN102530731B

CN102530731B - 单一故障保护起重机

Info

Publication number: CN102530731B
Application number: CN201110455033.1A
Authority: CN
Inventors: 徐宏伟; 胡亚东; 苏冬; 时军奎; 吴克利
Original assignee: Dalian Huarui Heavy Industry Group Co Ltd
Current assignee: Dalian Huarui Heavy Industry Group Co Ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN102530731A

Abstract

本发明开公了一种单一故障保护起重机，其特征在于：大车运行机构安装在桥架的四个角上，共四套，对称布置，采用分别驱动形式；小车运行机构安装在小车架上，共两组；起升机构安装在小车架的上平台，起升机构的钢绳A从卷筒上下来后，依次绕过滑轮A、F和D，固定于平衡臂的一端；钢绳B从卷筒上下来依次绕过滑轮C、E和B，固定在平衡臂的另一端，滑轮A、B、C、D安装在吊钩上；滑轮E、F则安装在定滑轮组上；装在大车运行机构、小车运行机构及起升机构上的双开闸制动器A、B及C均具有两套开闸装置，通过两个控制电路控制，一备一用，当一套开闸装置出现故障无法开闸时，制动器上的另一套开闸装置能够将制动器打开，确保该起重机的继续运行。

Description

单一故障保护起重机

技术领域

本发明涉及起重运输机械，尤其涉及用于核电站的特种起重机以及化工等危险环境中使用的起重机。

背景技术

目前，在核电站中放射性较高的厂房内运行的起重机，普遍存在一种现实隐患，当驱动部件出现单一故障时，需要维修人员进入到厂房中对故障进行排除，维修人员将遭受较大的辐射，从而对身体造成极大伤害。

现有技术中的单一故障保护起重机，如美国专利US4175427，SINGLEFAILURE PROOF CRANE(单一故障保护起重机)和美国专利US4069921，OVERHEAD CRANE INCLUDING A SINGLE FAILURE PROOF HOIST(具有单一故障保护起升机构的桥式起重机)，其主要技术特点是起升机构单一故障后对载荷的“保护”，只能够保持住载荷，防止载荷坠落，但不具备继续工作的能力，需要维修人员登上起重机将故障排除后才能继续运行。产生这种“待修不能续动”的缺陷的主要原因是目前起重机上使用的制动器均为单开闸式常闭制动器，当制动器出现开闸装置、线路故障时，制动器只会抱闸而无法开闸，导致传动链被闸死，即使驱动部件是冗余的，也无法对闸死的传动链进行驱动。

另外，现有技术中的单一故障保护起重机只是对起升机构设置了单一故障的保护，在大车运行和小车运行上则没有按单一故障保护进行设计。安全机构的设计是不充分的，无法满足更高安全级别的要求。

发明内容

本发明的目的在于，研发一种单一故障保护起重机，当起重机各驱动部件出现单一故障时，旨在克服传统制动器出现故障后传动链被闸死的缺陷，保证当起重机起升机构和大小车运行机构驱动部件出现单一故障时，起重机不仅能够保持住载荷，还能够继续工作或至少进行一个工作循环以便创造维修条件。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种单一故障保护起重机，包括大车运行机构、桥架、小车运行结构、起升机构、大车水平轮装配、小车水平轮装配、小车架和电气控制系统，其特征在于：大车运行机构安装在桥架的四个角上，共四套，对称布置，采用分别驱动形式；每套大车运行机构均由电动机A、双开闸制动器A、制动轮A、减速器A、联轴器I、轴I、联轴器II、大车车轮装配、编码器A和编码器B组成；小车运行机构安装在小车架上，共两组，每组小车运行机构均由小车车轮装配、2个联轴器III、2根浮动轴、2个联轴器IV、减速机B、电动机B、双开闸制动器B、制动轮B、编码器C和编码器D组成；起升机构安装在小车架上平面，由电动机C、制动轮联轴器、双开闸制动器C、减速器C、制动轮C、卷筒、平衡臂、定滑轮组、旋转吊钩、钢丝绳A、钢丝绳B、编码器E、编码器F、编码器G和编码器H组成；电动机C、制动轮联轴器、减速器C和制动轮C在卷筒的每端各布置一套，双开闸制动器C在卷筒的每端各布置一套；起升机构的钢丝绳A从卷筒上下来之后，依次绕过滑轮A、滑轮F和滑轮D，最后固定在平衡臂的一端；钢丝绳B从卷筒上下来之后，依次绕过滑轮C、滑轮E和滑轮B，最后固定在平衡臂的另一端；滑轮A、滑轮B、滑轮C、滑轮D安装在旋转吊钩上；滑轮E和滑轮F则安装在定滑轮组上；双开闸制动器A、双开闸制动器B和双开闸制动器C，均具有两套开闸装置，通过两个控制电路控制，一备一用，当一套开闸装置出现故障无法开闸时，制动器上的另一套开闸装置能够将制动器打开。

所述双开闸制动器A、双开闸制动器B和双开闸制动器C均包括制动器架、制动闸瓦、开闸装置、推杆、上闸装置和曲柄、其特征在于还包括备用开闸装置，其一端与制动器架刚性联接，其另一端则与曲柄铰接和/或自由连接。

与现有技术相比较，本发明的优点显而易见，主要表现在：

1.冗余程度高、安全性和可靠性高，大车运行机构、小车运行机构和起升机构均采用冗余设计，当出现单一故障时，起重机还能够继续吊运载荷。

2.采用双开闸制动器，当一套开闸装置出现故障无法开闸时，另一套开闸装置能够将制动器打开，保证机构的正常工作。

附图说明

图1单一故障保护起重机的主视图；

图2图1的俯视图；

图3大车运行机构示意图；

图4小车运行机构示意图；

图5起升机构俯视图；

图6图5的仰视图；

图7钢丝绳缠绕原理图；

图8传统形式的制动器；

图9双开闸制动器(一)；

图10双开闸制动器(二)；

图11PLC及监控管理系统配置图；

图12起升机构控制系统；

图13起升机构保护系统及检测装置布置图；

图14起升机构制动器控制逻辑图。

在图中：1、大车运行机构，2、桥架，3、小车运行机构，4、起升机构，5、大车水平轮装配，6、小车水平轮装配，7、小车架，8、电气控制系统；1.1、电动机A，1.2、双开闸制动器A，1.2.1、制动器架，1.2.2、制动闸瓦，1.2.3、开闸装置；1.2.4、推杆，1.2.5、上闸装置，1.2.6、曲柄，1.2.7、备用开闸装置，1.3、制动轮A，1.4、减速器A，1.5、联轴器I，1.6、轴I，1.7、联轴器II，1.8、大车车轮装配，1.9、编码器A，1.10、编码器B，3.1、小车车轮装配，3.2、联轴器III，3.3、浮动轴，3.4、联轴器IV，3.5、减速机B，3.6、电动机B，3.7、双开闸制动器B，3.8、制动轮B，3.9、编码器C，3.10、编码器D，4.1、电动机C，4.2、制动轮联轴器，4.3、双开闸制动器C，4.4、减速器C，4.5、制动轮C，4.6、卷筒，4.7、平衡臂，4.8、定滑轮组，4.9、制动轮D，4.10、旋转吊钩，4.11、钢丝绳A，4.12、钢丝绳B，4.13、滑轮A，4.14、滑轮B，4.15、滑轮C，4.16、滑轮D，4.17、滑轮E，4.18、滑轮F，4.19、编码器E，4.20、编码器F，4.21、编码器G，4.22、编码器H，8.1.1-1冗余CPU模块I，8.1.1-2冗余CPU模块II，8.1.2-1冗余PROFIBUS-DP总线通讯模块，8.1.3光纤接口模块，8.1.4-1电气室1#远程站，8.1.4-2电气室2#远程站，8.1.4-3司机室远程站，8.1.4-4小车盘远程站，8.1.5-1起升机构1#变频器，8.1.5-22#变频器，8.1.6-1大车机构1#变频器，8.1.6-2大车机构2#变频器，8.1.7-1小车机构1#变频器，8.1.7-2小车机构2#变频器，8.1.8现场总线耦合器，8.1.9-1大车1#位置检测多圈绝对值编码器，8.1.9-2大车2#位置检测多圈绝对值编码器，8.1.10-1起升机构1#称重单元，8.1.10-2起升机构2#称重单元，8.1.11-1起升机构卷筒侧位置检测多圈绝对值编码器，8.1.11-2起升机构吊钩侧拉线式多圈绝对值编码器，8.1.12-1起升机构卷筒侧位置检测多圈绝对值编码器，8.1.12-2小车激光测距仪，8.1.13以太网网络交换机，8.1.14电气室工业计算机，8.1.15司机室触摸屏，8.1.16电气室打印机。

具体实施方式

如图1～图14所示的一种单一故障保护起重机，包括大车运行机构1、桥架2、小车运行机构3、起升机构4、大车水平轮装配5、小车水平轮装配6、小车架7和电气控制系统8，详见图1和图2。

大车运行机构1安装在桥架2的四个角上，共四套，对称布置，采用分别驱动形式。每套大车运行机构1均由电动机A1.1、双开闸制动器A1.2、制动轮A1.3、减速器A1.4、联轴器I1.5、轴I 1.6、联轴器II1.7、大车车轮装配1.8、编码器A1.9和编码器B1.10组成，如图3所示。

小车运行机构3安装在小车架7上，共两组，如图2所示。每组小车运行机构3均由小车车轮装配3.1、2个联轴器III3.2、2根浮动轴3.3、2个联轴器IV3.4、减速机B3.5、电动机B3.6、双开闸制动器B3.7、制动轮B3.8、编码器C3.9和编码器D3.10组成，如图4所示。每套小车运行机构3都按能够单独驱动额定载荷选取，当一套出现故障时，另一套能够在额定速度下继续工作。

起升机构4安装在小车架7上平面，由电动机C4.1、制动轮联轴器4.2、双开闸制动器C4.3、减速器C4.4、制动轮C4.5、卷筒4.6、平衡臂4.7、定滑轮组4.8、制动轮D4.9、旋转吊钩4.10、钢丝绳A4.11、钢丝绳B4.12、编码器E4.19、编码器F4.20、编码器G4.21和编码器H4.22组成；电动机C4.1、制动轮联轴器4.2、减速器C4.4和制动轮C4.5在卷筒4.6的每端布置一套，双开闸制动器C4.3在卷筒4.6的每端布置一套，如图5和图6所示。每套电动机C4.1、制动轮联轴器4.2、双开闸制动器C4.3、减速器C4.4和制动轮C4.5都按能够在额定速度下单独驱动额定载荷选取，当一套出现故障时，卷筒4.6另一端的一套能够继续在额定速度下正常工作，不受工作循环次数的限制。

双开闸制动器A1.2、双开闸制动器B3.7和双开闸制动器C4.3，均具有两套开闸装置，通过两个控制电路控制，一备一用，当一套开闸装置出现故障无法开闸时，制动器上的另一套开闸装置能够将制动器打开，这样可避免一套开闸装置出现故障时制动器无法打开。

起升机构4的钢丝绳缠绕原理见图7，为交叉缠绕的形式。钢丝绳A4.11从卷筒4.6上下来之后，依次绕过滑轮A4.13、滑轮F4.18和滑轮D4.16，最后固定在平衡臂4.7的一端；钢丝绳B4.12从卷筒4.6上下来之后，依次绕过滑轮C4.15、滑轮E4.17和滑轮B4.14，最后固定在平衡臂4.7的另一端。钢丝绳A4.11和钢丝绳B4.12能均衡地分配载荷，当其中一根因损坏而断开时，另一根能够平稳的保持住载荷。

滑轮A4.13、滑轮B4.14、滑轮C4.15、滑轮D4.16安装在吊钩4.10上。滑轮E4.17和滑轮F4.18安装在定滑轮组4.8上。

电气控制系统8主要包括PLC及监控管理系统8.1、起升机构控制系统8.2、大车运行机构控制系统8.3、小车运行机构控制系统8.4等。

PLC及监控管理系统8.1如图11所示。主要包括冗余CPU模块I、II8.1.1-1、8.1.1-2、冗余PROFIBUS-DP总线通讯模块I、II8.1.2-1、8.1.2-2、光纤接口模块8.1.3、电气室1#远程站8.1.4-1、电气室2#远程站8.1.4-2、司机室远程站8.1.4-3、小车盘远程站8.1.4-4、起升机构1#变频器8.1.5-1、起升机构2#变频器8.1.5-2、大车机构1#变频器8.1.6-1、大车机构2#变频器8.1.6-2、小车机构1#变频器8.1.7-1、小车机构2#变频器8.1.7-2、现场总线耦合器8.1.8、大车1#位置检测多圈绝对值编码器8.1.9-1、大车2#位置检测多圈绝对值编码器8.1.9-2、起升机构1#称重单元8.1.10-1、起升机构2#称重单元8.1.10-2、起升机构卷筒侧位置检测多圈绝对值编码器8.1.11-1、起升机构吊钩侧拉线式多圈绝对值编码器8.1.11-2、小车位置检测多圈绝对值编码器8.1.12-1、小车激光测距仪8.1.12-2、以太网网络交换机8.1.13、电气室工业控制计算机8.1.14、司机室触摸屏8.1.15以及电气室打印机8.1.16等网络设备节点。

控制系统PLC采用了集-散结构；主机CPU冗余、总线通讯模块以及通讯介质冗余，当发生硬件损坏或故障时，系统立即进行无扰动自动切换，切换时间小于10ms，切换过程无任何数据丢失，可以实现设备不停机运行。

当发生致命错误时，CPU立即进入一个安全状态或保持为安全模式，确保人身、机器、环境、过程的高度安全。

电气室工业计算机运行监控管理软件，提供设备电气系统过程数据的连续的监视和读取，实现过程显示、故障检测、报警、数据统计、实时趋势分析、数据归档等功能，提供关键设备的运行状况统计功能，对备件的采购提供科学的数据基础；对不同的操作员级别分别授予不同的操作权限，保障系统运行安全和稳定性能；

司机室触摸屏实现设备运行过程数据显示、故障报警、数据统计、数据归档等功能。当出现故障时，当前画面会根据故障的级别自动弹出报警信息，操作员可以通过翻阅进一步了解故障信息，为设备的操作和维护提供便捷的服务，尽量减少设备的故障停机时间，提高运行效率。

各机构均设置双套变频调速驱动系统，极大地增强了系统运行的安全裕度；且各机构位置检测系统以及起升机构的载荷称重系统均按照多样性原则以及冗余理念进行设置，同PLC控制系统联网实时通讯，保证数据检测的正确性，通过PLC系统的数据运算和处理，从而实现整车自动运行和定位功能。

起升机构控制系统8.2如图12所示。起升机构设置2台变频器分别驱动A侧电机和B侧电机，正常情况下，两套驱动系统均同步工作(通过光纤以主从控制模式实现同步运行)，当其中一套驱动系统(如变频器、电机)出现故障时，通过司机室授权操作，可以操作另一套驱动系统单机独立运行，满足机构运行要求，最大限度减少停机时间。

正常情况下，两台变频器均通过现场总线同PLC系统实时通讯，机构的启动/停止命令、速度给定、状态读取等均通过通讯的方式完成。在PLC系统故障或通讯中断的情况下，为了完成该条件下的操作，各变频器的DI端口均设有硬线控制回路，以保证在故障条件下也能够保证设备的应急操作。

起升机构保护系统及检测装置的设置如图13所示。平衡臂检测限位开关8.2.1、8.2.2用于检测平衡臂是否倾斜、冗余的称重检测装置8.2.3用于实时检测载荷重量，上升过运行限位开关8.2.4a、8.2.4b用于防止起升机构冲顶、钢丝绳叠绕开关8.2.5、8.2.6用于检测钢丝绳是否叠绕、旋转限位开关8.2.7用于设定上升和下降过程的减速以及停止限位、卷筒侧脉冲编码器8.2.8、8.2.9用于实时检测卷筒的转速、卷筒侧多圈绝对值编码器8.2.8a、8.2.9a用于实时检测钩头的运行位置、制动器开闸检测开关8.2.10、8.2.12、8.2.14、8.2.16用于检测制动器的开闭状态、制动器磨损检测开关8.2.11、8.2.13、8.2.15、8.2.17用于检测制动器的磨损状态、电机超温检测开关8.2.18、8.2.19用于检测电机是否超温、电机侧脉冲编码器8.2.20、8.2.21用于实时检测电机的转速、松绳检测开关8.2.22、8.2.23用于检测钢丝绳是否处在松弛状态。其中通过电机侧脉冲编码器8.2.20、8.2.21和卷筒侧脉冲编码器8.2.8、8.2.9的实时速度检测，可以有效的检测起升机构超速故障、传动链破损故障、静态反转故障、动态态反转等故障，保障载荷安全。

起升机构制动器的控制逻辑图见图14。正常情况下，A侧和B侧的工作制动器以及紧急制动器均正常投入，4台制动器的1#推杆(主开闸装置)投入运行，通过PLC系统控制其对应接触器K11、K21、K31、K41的吸合，按照上述逻辑关系从而控制各制动器的开闭动作；各制动器的2#推杆(冗余开闸装置)处在断电状态(即K12、K22、K32、K42均处于断开状态)。各制动器的1#推杆接触器以及2#推杆接触器(即K11与K12、K21与K22、K31与K32、K41与K42)均设有机械联锁装置。当各制动器的1#推杆接触器闭合后，经过一段延时后(如1.2秒，根据制动器的工作特性参数确定)，如果该制动器的开闸检测信号还没有反馈至PLC系统，那么该制动器的1#推杆可能液压缸出现了故障或其电路上出现了故障，此时通过司机室操作，可以切换至该制动器的2#推杆工作，保证该制动器仍然能够投入工作，从而有效的避免了设备停机。但是当2#推杆工作后，如果该制动器还是没有开闸检测反馈信号，那么就必需检查该制动器开闸检测开关以及其电路。

大车运行机构控制系统8.3、小车运行机构控制系统8.4也均设有两套驱动控制系统，均能够实现单套驱动系统完成机构长时间运行功能，各制动器也均带有双推杆系统，其控制逻辑参见8.2起升机构描述。

2.电控系统设计

通过系统分析设备的运行工况以及运行要求，通过设置完善的驱动系统以及安全保护和检测系统，智能化检测各机构运行状态和故障信息，以及各种故障状态下的应急措施，实现设备自动运行和精确定位功能，给操作者以及维护人员提供详细的图文信息，最大程度的减少设备的故障停机时间，满足设备运行需求，保证设备运行安全稳定。

Claims

1.一种单一故障保护起重机，包括大车运行机构（1）、桥架（2）、小车运行结构（3）、起升机构（4）、大车水平轮装配（5）、小车水平轮装配（6）、小车架（7）和电气控制系统（8），其特征在于：大车运行机构（1）安装在桥架（2）的四个角上，共四套，对称布置，采用分别驱动形式；每套大车运行机构（1）均由电动机A（1.1）、双开闸制动器A（1.2）、制动轮A（1.3）、减速器A（1.4）、联轴器I（1.5）、轴Ⅰ（1.6）、联轴器II（1.7）、大车车轮装配（1.8）、编码器A(1.9)和编码器B（1.10）组成；小车运行机构（3）安装在小车架（7）上，共两组，每组小车运行机构（3）均由小车车轮装配（3.1）、2个联轴器III（3.2）、2根浮动轴（3.3）、2个联轴器Ⅳ(3.4)、减速机B（3.5）、电动机B（3.6）、双开闸制动器B（3.7）、制动轮B（3.8）、编码器C(3.9)和编码器D（3.10）组成；起升机构（4）安装在小车架（7）上平面，由电动机C（4.1）、制动轮联轴器（4.2）、双开闸制动器C（4.3）、减速器C（4.4）、制动轮C（4.5）、卷筒（4.6）、平衡臂（4.7）、定滑轮组（4.8）、制动轮D（4.9）、旋转吊钩（4.10）、钢丝绳A（4.11）、钢丝绳B（4.12）、编码器E(4.19)、编码器F(4.20)、编码器G(4.21)和编码器H(4.22)组成；电动机C（4.1）、制动轮联轴器（4.2）、减速器C（4.4）和制动轮C（4.5）在卷筒（4.6）的每端布置一套，双开闸制动器C（4.3）在卷筒（4.6）的每端布置一套；起升机构（4）的钢丝绳A（4.11）从卷筒（4.6）上下来之后，依次绕过滑轮A（4.13）、滑轮F（4.18）和滑轮D（4.16），最后固定在平衡臂（4.7）的一端；钢丝绳B（4.12）从卷筒（4.6）上下来之后，依次绕过滑轮C（4.15）、滑轮E（4.17）和滑轮B（4.14），最后固定在平衡臂（4.7）的另一端；滑轮A（4.13）、滑轮B（4.14）、滑轮C（4.15）、滑轮D（4.16）安装在旋转吊钩（4.10）上；滑轮E（4.17）和滑轮F（4.18）则安装在定滑轮组（4.8）上；双开闸制动器A（1.2）、双开闸制动器B（3.7）和双开闸制动器C（4.3），均具有两套开闸装置，通过两个控制电路控制，一备一用，当一套开闸装置出现故障无法开闸时，制动器上的另一套开闸装置能够将制动器打开。

2.根据权利要求1所述的单一故障保护起重机，其中所述的双开闸制动器A（1.2）、双开闸制动器B（3.7）和双开闸制动器C（4.3）均包括制动器架（1.2.1）、制动闸瓦（1.2.2）、开闸装置（1.2.3）、推杆（1.2.4）、上闸装置（1.2.5）和曲柄（1.2.6），其特征在于还包括备用开闸装置（1.2.7），所述备用开闸装置（1.2.7）其一端与制动器架（1.2.1）刚性联接，另一端与曲柄（1.2.6）铰接和/或自由连接。