大型鑄造起重機(jī)選型及安全維護(hù)策略探討

陳賢波

(寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部,上海 201900)

鑄造起重機(jī)主要承擔(dān)煉鋼廠熔融金屬的吊運(yùn)工作,包括往轉(zhuǎn)爐內(nèi)傾倒鐵水、吊運(yùn)鋼水罐至爐外精煉和連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái),是煉鋼廠物流搬運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備。一旦該設(shè)備發(fā)生故障會(huì)影響整個(gè)煉鋼廠的生產(chǎn),還存在造成人員傷亡的重大安全風(fēng)險(xiǎn),因此,必須定期對起重機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng),以保證起重機(jī)的安全運(yùn)行。

1 鑄造起重機(jī)主要型式及特點(diǎn)

1.1 依主梁結(jié)構(gòu)劃分

目前國內(nèi)煉鋼廠在用大型鑄造起重機(jī)根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)劃分,有四梁四軌和四梁六軌兩種型式。

1.1.1 四梁四軌型式

四梁四軌起重機(jī)由四根主梁組成,每根主梁上分別設(shè)置1根小車軌道,外側(cè)梁2根軌道為主小車運(yùn)行軌道,中間兩根梁的軌道為副小車運(yùn)行軌道。因主小車軌距較大,為保證主小車整體結(jié)構(gòu)的剛性,采用主起升減速器下部箱體直接與小車架本體聯(lián)接為一體的形式。

四梁四軌起重機(jī)主要特點(diǎn)如下:

(1) 自重大。因主要載荷全部由外側(cè)主梁承受,因此主梁截面積較大,其總重要超出同規(guī)格的四梁六軌三減速器型式起重機(jī)15%以上,對廠房柱基以及吊車軌道梁的承載能力要求較高,整體造價(jià)高。

(2) 剛性好。主梁與端梁全部采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)接,端梁抗變形能力強(qiáng)。

2015年1月,某煉鋼廠廠房吊車軌道梁突然開裂,軌道梁變形嚴(yán)重,僅剩上蓋板未損壞,見圖1。此時(shí)起重機(jī)正滿載吊運(yùn)鐵水罐運(yùn)行,斷裂側(cè)大車一角中部車輪已基本騰空,外側(cè)車輪嚴(yán)重傾斜,剛性聯(lián)接的端梁確保了起重機(jī)未發(fā)生傾翻事故,事故中起重機(jī)主要鋼結(jié)構(gòu)僅端梁螺栓連接板處有輕微變形,經(jīng)檢查確認(rèn)不影響起重機(jī)的安全使用。

圖1 起重機(jī)軌道梁嚴(yán)重開裂端梁變形

(3) 主梁容易開裂。兩根主梁既要承受很大的彎曲應(yīng)力、約束扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,同時(shí)由于主小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)車輪數(shù)量較少,車輪輪壓大,主梁主腹板的上部承受較大的局部擠壓應(yīng)力,容易出現(xiàn)疲勞裂紋[1]。裂紋多發(fā)于主梁“T”型鋼主腹板焊縫與主梁內(nèi)隔板焊縫交匯處以及端梁與主梁之間的連接焊縫。

某煉鋼廠20世紀(jì)80年代從日本三菱公司購置的一批鑄造起重機(jī),長期使用后主梁內(nèi)焊縫開裂嚴(yán)重(圖2),經(jīng)多次焊補(bǔ)效果不佳,出現(xiàn)補(bǔ)焊部位再次開裂的現(xiàn)象,2014年起已陸續(xù)報(bào)廢更新5臺(tái)鑄造起重機(jī)。

圖2 起重機(jī)主梁焊縫開裂

1.1.2 四梁六軌型式

四梁六軌起重機(jī)由4根主梁組成,4根主梁之間全部采用鉸接方式聯(lián)接。外側(cè)梁上分別設(shè)置1根軌道,內(nèi)側(cè)梁每根梁上分別設(shè)置2根軌道,外側(cè)梁軌道和內(nèi)側(cè)梁靠外側(cè)梁的軌道上設(shè)置主小車的下部小車,下部小車上安裝有定滑輪和主小車運(yùn)行機(jī)構(gòu),主小車的上部小車通過球鉸裝置搭接在2臺(tái)下部小車上。

四梁六軌起重機(jī)主要特點(diǎn)如下:

(1) 自重輕。由4根主梁承受主小車的載荷,外主梁截面尺寸小、重量輕,降低了制造、運(yùn)輸、安裝的難度[1]。與四梁四軌式起重機(jī)相比自重輕、輪壓小、輪距大,可以顯著降低廠房造價(jià)和設(shè)備投資。

(2)端梁受力復(fù)雜。內(nèi)外主梁下部的車輪數(shù)量不相等,以及大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)偏差,導(dǎo)致端梁鉸接部位受力不均,長期運(yùn)行后鉸接點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損,見圖3、4。因此,在設(shè)計(jì)制造時(shí),應(yīng)考慮適當(dāng)加強(qiáng)鉸點(diǎn)部位強(qiáng)度以及在線更換銷軸和軸套的便捷性。

圖3 端梁鉸接銷軸處出現(xiàn)的磨損

圖4 磨損嚴(yán)重的端梁鉸銷軸

(3) 車輪部件互換性差。4根梁全部采用鉸接結(jié)構(gòu),為避免出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象,大車車輪、主小車車輪踏面寬度不一致,分為導(dǎo)向側(cè)車輪和非導(dǎo)向側(cè)車輪,導(dǎo)致車輪規(guī)格增加。

1.2 依主起升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分,起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)可以分為大減速器型式和行星差動(dòng)三減速器型式。

1.2.1 大減速器型式

大減速器型起重機(jī)的兩組電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)長條型減速器的兩端輸入軸,減速器的兩個(gè)低速輸出軸驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng),為保證兩端轉(zhuǎn)速同步一致,在減速器中部設(shè)置惰輪。

大減速器型起重機(jī)主要特點(diǎn)如下:

(1) 運(yùn)行振動(dòng)大。因減速器下部箱體與小車鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)接為一體,重載時(shí)箱體變形較大,因此所有齒輪均采用直齒型式,嚙合精度差、齒輪重合度低,起重機(jī)在運(yùn)行時(shí)減速器整體振動(dòng)與噪音較大。

(2) 運(yùn)行初期易維護(hù),整體故障率較低,但在后期運(yùn)行中減速器箱體變形加大會(huì)造成振動(dòng)與噪音加劇的現(xiàn)象,同時(shí)低速齒輪、惰輪容易損壞,箱體變形問題處理困難,且難以保證處理后的箱體短期內(nèi)發(fā)生變形。

1.2.2 行星差動(dòng)三減速器型式

行星差動(dòng)三減速器型起重機(jī)的3臺(tái)減速器呈品字形布置,中間的減速器為行星差速結(jié)構(gòu),在卷筒自由端設(shè)置安全制動(dòng)器。

行星差動(dòng)三減速器型起重機(jī)的主要特點(diǎn)如下:

(1) 起升機(jī)構(gòu)可以差速運(yùn)行。行星差速減速器結(jié)構(gòu)可以在1組電氣系統(tǒng)故障時(shí),起升機(jī)構(gòu)仍可以半速運(yùn)行,以降低故障對煉鋼生產(chǎn)物流的影響。行星減速器全速運(yùn)行時(shí),行星輪理論上只有公轉(zhuǎn),沒有自轉(zhuǎn)；半速運(yùn)行時(shí)行星輪既有公轉(zhuǎn)也有自轉(zhuǎn),如長期半速運(yùn)行,會(huì)大大縮短行星輪軸承的壽命,最終導(dǎo)致行星減速器損壞,如圖5。

圖5 損壞的行星減速器齒輪

(2) 維護(hù)要求高。整體結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜,減速器故障相對較多,維護(hù)費(fèi)用相對較高,但更換方便。

2 安全裝置的配置

部分鑄造起重機(jī)在主起升機(jī)構(gòu)卷筒側(cè)單獨(dú)設(shè)置低速液壓盤式制動(dòng)器(安全制動(dòng)器),起升機(jī)構(gòu)工作時(shí),制動(dòng)器常開,只有在斷電時(shí)或故障時(shí)閉合,防止吊重墜落。

早期設(shè)備安裝的安全制動(dòng)器因電氣控制系統(tǒng)的可靠性差,故障較多,典型的故障表現(xiàn)為:

(1) 起升機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行中,安全制動(dòng)器突然閉合,二次減速器與小車架鉸接點(diǎn)被撕裂,減速器本體翻轉(zhuǎn)。

(2) 起升機(jī)構(gòu)下降過程中電氣系統(tǒng)異常失速,安全制動(dòng)器未動(dòng)作導(dǎo)致電機(jī)飛車。

行星差動(dòng)三減速器型起重機(jī)中的行星減速器具有差速功能,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,必須設(shè)置安全制動(dòng)器。消除了1套機(jī)構(gòu)發(fā)生失控時(shí)行星減速器在雙自由度的差速制動(dòng)中產(chǎn)生重大事故隱患[2]。

大減速器型起重機(jī)采用雙套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),4個(gè)工作制動(dòng)器,低速軸同步,無需設(shè)置安全制動(dòng)器,部分企業(yè)(如韓國浦項(xiàng))為增加安全可靠性,在卷筒處增加了安全制動(dòng)器。

3 關(guān)鍵部件的安全維護(hù)策略

3.1 主鉤吊具

因主鉤吊具長期于高溫重載工況下運(yùn)行,相關(guān)部件容易出現(xiàn)劣化,平時(shí)檢查較為困難,所以應(yīng)加強(qiáng)對吊具的管理,確保吊具處于良好的使用狀態(tài)。

(1) 嚴(yán)格按照《高溫熔融金屬吊運(yùn)安全規(guī)程 AQ7011—2018》第4.6條規(guī)定:吊鉤、板鉤、橫梁等吊具部件應(yīng)每年至少進(jìn)行1次離線探傷檢查。下線檢查時(shí)除對焊縫進(jìn)行探傷要求外,還要對主要鋼結(jié)構(gòu)的板材進(jìn)行超聲波探傷。

(2) 對主要受熱部位進(jìn)行定期的金相復(fù)膜檢測,發(fā)現(xiàn)金相組織發(fā)生變化后應(yīng)及時(shí)報(bào)廢處理,避免吊具金屬結(jié)構(gòu)組織因長期受熱產(chǎn)生蠕變。

(3) 吊具的累積使用壽命不超過10年。

(4) 平衡架位于吊具上的結(jié)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)檢查平衡架本體和銷軸,平衡架晃動(dòng)量大,因潤滑、檢查困難,其銷軸的磨損速度較快。

3.2 卷筒

(1) 應(yīng)定期重點(diǎn)檢查卷筒軸與腹板的焊縫。某煉鋼廠曾發(fā)生過鑄造起重機(jī)卷筒軸附近焊縫開裂的故障,下線檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)卷筒軸已完全斷裂。斷裂原因是軸與腹板采用焊接結(jié)構(gòu)成形,由于間隙過大,焊后特別是焊趾(根部)為應(yīng)力嚴(yán)重集中部位。當(dāng)卷筒軸頻繁受到較大的拉應(yīng)力、剪切力及扭轉(zhuǎn)力的綜合作用,產(chǎn)生疲勞裂紋,裂紋首先從焊趾(根部)起始,經(jīng)過疲勞擴(kuò)展,造成軸強(qiáng)度不夠,發(fā)生斷裂失效。

(2) 定期檢查卷筒聯(lián)接法蘭與卷筒聯(lián)軸器接觸部位磨損情況。鑄造起重機(jī)在長期高負(fù)荷工作后,卷筒聯(lián)接法蘭與卷筒聯(lián)軸器接觸部位嚴(yán)重磨損,原嚴(yán)密貼合的部位出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象,起重機(jī)在啟制動(dòng)時(shí)聯(lián)接法蘭處存在沖擊,造成聯(lián)接不可靠、聯(lián)接螺栓孔變形情況,存在嚴(yán)重的安全隱患。

3.3 主減速器

大減速器型起重機(jī)開箱檢查困難,建議增加在線檢測系統(tǒng),監(jiān)測軸承的溫度以及振動(dòng)。

行星差動(dòng)三減速器型起重機(jī)的二次減速器左側(cè)故障率要高于右側(cè)減速器(某廠在用二次減速器累計(jì)故障次數(shù):左側(cè)6次,右側(cè)1次)。行星減速器行星齒輪軸承是最薄弱環(huán)節(jié),行星包內(nèi)潤滑及散熱條件差,減速器油溫在冷卻裝置全開的情況下油溫仍超過65 ℃。

(1) 定期對行星減速器、二次減速器下線進(jìn)行解體檢查,更換磨損件、軸承和密封件。行星減速器的易磨損件為行星包齒圈、行星齒輪和軸承、外齒圈嚙合的惰輪,二次減速器的易磨損件為輸出軸齒輪和軸承,以及配對第四級(jí)齒輪軸。

(2) 行星減速器因整體效率相對較低,功率損失大,減速器部件油溫高,因此須使用全合成的320號(hào)齒輪油,同時(shí)要確保冷卻裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn),防止出現(xiàn)油溫異常。

(3) 定期對減速器的齒輪油進(jìn)行化驗(yàn),對油的理化性能以及磨損情況進(jìn)行分析。近年來對行星減速器的部件進(jìn)行解體檢查發(fā)現(xiàn),油液pH值降低也是導(dǎo)致齒輪部件嚙合面振動(dòng)、腐蝕的主要原因。

(4) 定期檢查油泵濾芯,確認(rèn)是否存在異常磨損的金屬異物是發(fā)現(xiàn)早期故障的可靠方法之一。

3.4 制動(dòng)器

制動(dòng)器的維護(hù)是目前關(guān)鍵部件維護(hù)中的一個(gè)空白,現(xiàn)在國內(nèi)在用大部分鑄造起重機(jī)的制動(dòng)器全部采用國外進(jìn)口產(chǎn)品,性能優(yōu)于國內(nèi)產(chǎn)品,但長期使用后仍會(huì)出現(xiàn)故障,如安全制動(dòng)器無法打開,主要原因?yàn)橐簤簡卧姍C(jī)燒損、液壓泵內(nèi)泄漏,制動(dòng)器本體油封損壞等；工作制動(dòng)器制動(dòng)片異常磨損(行星減速器軸向竄動(dòng)加大造成)。

目前存在的問題:①部分在用安全制動(dòng)器制動(dòng)片材質(zhì)為有機(jī)樹脂材料,長期在高溫環(huán)境下工作,制動(dòng)片材質(zhì)老化,制動(dòng)效果大打折扣。②實(shí)際測試安全制動(dòng)器制動(dòng)效果困難,原德國制造的鑄造起重機(jī)驗(yàn)收測試內(nèi)容包括滿載全速下降緊急制動(dòng),但目前國內(nèi)制造廠偏保守,不允許做任何帶載試驗(yàn)。③缺乏專業(yè)制動(dòng)器維修廠商,修復(fù)質(zhì)量無法保證,因此,定期下線檢修困難。

3.5 滑輪

(1) 定期對滑輪組下線解體檢查。動(dòng)滑輪組下線周期與吊具下線周期相同,定滑輪組下線周期為2年。

(2) 檢查下線滑輪的磨損情況,更換嚴(yán)重磨損的滑輪。

(3) 確?；嗇S承的良好潤滑狀態(tài),應(yīng)對滑輪軸潤滑油道進(jìn)行優(yōu)化,確保遠(yuǎn)端滑輪實(shí)現(xiàn)單獨(dú)潤滑。

4 結(jié)論

(1) 主梁結(jié)構(gòu)的選擇:四梁六軌結(jié)構(gòu)型式自重輕,新上項(xiàng)目時(shí)選擇這種結(jié)構(gòu)可以有效降低廠房的投資,對于在原有廠房基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造項(xiàng)目,其主梁結(jié)構(gòu)型式應(yīng)與原起重機(jī)機(jī)構(gòu)一致。

(2) 主起升機(jī)構(gòu)的選擇:大減速器型式故障率低,但后期使用時(shí)箱體變形處理極其困難,三減速器型式維護(hù)要求高,但可以采用周轉(zhuǎn)備件定期下機(jī)保養(yǎng)維修。

(3) 安全裝置的選擇:對大減速器結(jié)構(gòu)的起升機(jī)構(gòu)目前并無強(qiáng)制安裝安全制動(dòng)器的要求,但《干法熄焦安全規(guī)程 AQ7013—2018》8.1.8條規(guī)定:提升機(jī)鋼絲繩卷筒應(yīng)設(shè)置安全制動(dòng)器。為提高鑄造起重機(jī)的安全性,建議對更新改造項(xiàng)目中大減速器型式鑄造起重機(jī)卷筒側(cè)增加安全制動(dòng)器。

(4) 提升關(guān)鍵部件的安全維護(hù)策略是保證大型鑄造起重機(jī)的安全運(yùn)行的關(guān)鍵。