钢丝绳卷扬提升式升船机安全制动系统的设计

钢丝绳卷扬提升式升船机安全制动系统的设计

1拉伸升船机主提升机安全制动系统研究垂直升水机具有适合高水位、低船尾长、运营经济的特点。作为解决内河走廊高架流行的技术手段，在中国得到了广泛应用。在高水头、大规模的全平衡垂直升船机中,目前世界上采用较多的是钢丝绳卷扬提升式和齿轮齿条爬升式两种传动方案。由于钢丝绳卷扬提升式垂直升船机主要设备的制造、安装难度相对较小,比较适合我国的国情,国内近年兴建的红水河岩滩升船机、闽江水口升船机、清江隔河岩升船机和清江高坝洲升船机等几座垂直升船机均采用了钢丝绳卷扬提升方案。隔河岩升船机过船规模300t级,最大通航水头124m,上游通航水位变幅42m,下游通航水位变幅3.5m,由型式相同的两级升船机构成,第1级升船机最大提升高度42m,第2级升船机最大提升高度82m。隔河岩升船机是国内率先完成设计并进行设备招标的第1座钢丝绳卷扬提升式垂直升船机,在已建和在建升船机中,其通航水位变幅和提升高度也是最大的。目前,隔河岩第1级升船机正在进行设备调试,第2级升船机仍在进行土建施工和设备制造,按照工期计划,两级升船机将于2004年建成通航。钢丝绳卷扬提升式升船机主提升机的安全制动系统是该型式升船机的关键设备,系统的工作性能对升船机运行的安全可靠性有极其重要的影响。对该设备的合理选型及其工作可靠性等技术问题,在三峡升船机的科技攻关中,曾进行了专项研究。隔河岩升船机主机安全制动系统的设计,直接引用了三峡升船机的前期科研成果,采用盘式制动器按工作制动和安全制动两级布置,是该设备在国内升船机上的首次应用,在制动系统的结构形式和设计方法上有一定的代表性和参考价值。本文将结合隔河岩升船机主机安全制动系统的设计体会,对钢丝绳卷扬提升式垂直升船机主机安全制动系统设计的主要技术问题进行探讨和阐述。2升船机的组成钢丝绳卷扬提升式垂直升船机的承船厢通过若干根钢丝绳悬吊,其重量由平衡重完全平衡。平衡重系统包含重力平衡重和转矩平衡重两部分,悬吊重力平衡重的钢丝绳绕过平衡滑轮后与船厢直接连接,悬吊转矩平衡重的钢丝绳则缠绕在卷筒上,并与卷筒上反向缠绕的平衡绳构成力矩平衡,主提升机通过卷绕提升绳或转矩平衡绳实现船厢的升降运行。船厢升降过程中,主提升机的提升力由船厢内的误载水重、系统运行摩擦阻力、惯性力、钢丝绳僵性阻力等组成。隔河岩升船机船厢总重约1460t,其中水体重910t,重力平衡重1134t,转矩平衡重326t。第1、2级升船机的船厢升降速度分别为7.5m/min和15m/min,额定提升力分别为1200kN和1000kN,电机额定功率分别为4×55kW和4×90kW,允许的船厢误载水深均为±0.15m。主提升机由对称布置的4套卷扬机构和8组平衡滑轮组构成,4套卷扬机构之间通过机械轴联结,形成封闭的机械同步系统。卷扬机包括卷筒组、减速器、电动机、安全制动器和工作制动器等设备,卷筒与滑轮名义直径均为3.5m。安全制动器设在每只卷筒的端部,工作制动器设在电动机与减速器之间的联轴器上。安全制动系统包括安全制动器、工作制动器和液压泵站及相关的检测、控制设备。升船机正常运行或遇一般性的故障时,主提升机由电力拖动系统按照设定的0.01m/s2和0.04m/s2的减速度实施制动,主提升机完全停止运转后,工作制动器首先全压上闸,延时数秒后安全制动器再全压上闸。在上述工况下,工作制动器和安全制动器的作用相同,都是使主机的机械传动系统在停机后不再承受外载的作用,避免传动设备因过载而损坏。当升船机运行过程中遇系统掉电等事故工况时,电力拖动系统已不能进行正常制动,此时主机需紧急停机,升船机的紧急停机制动由安全制动系统实施。3主要技术问题3.1结构型式在主要施工设备上的应用制动器属于一种安全设备,有多种不同的结构型式,在起重机、传送机、矿井提升机、电梯等机械设备上应用的非常普遍。目前,应用较多的是块式制动器和盘式制动器。3.1.1制动装置的优缺点块式制动器的历史比较悠久,其结构相对简单,至今许多中小容量的制动器仍广泛采用这种型式。但该型式的制动器存在以下缺点:(1)制动力矩的可调性差,操作不方便,不易实现自动化;(2)制动力依赖较多的铰接点和连杆传递,环节多,效率低;(3)采用单力源,出现故障后容易造成整个制动系统失效而酿成事故;(4)系统的惯性大,灵敏度差。3.1.2盘盘压缩弹簧压力控制盘式制动器是随着液压技术的发展而兴起的一种新型制动装置,主要由碟形弹簧、制动头、摩擦片、单作用柱塞缸、制动器体等组成。其工作原理是依靠碟形弹簧产生上闸力,通过油压松闸。压力油进入油缸后,推动活塞压缩碟形弹簧,使摩擦片与制动盘脱离接触,制动器松闸;当油压下降时,弹簧的压力得到释放,制动力逐渐增加,油压下降到零时,制动器的制动力达到最大。盘式制动器具有以下特点:(1)制动力矩的可调性好,可以实现无级调速;(2)结构紧凑、便于布置,安装、调整方便;(3)惯量小、动作快、灵敏度高,易于实现自动化;(4)制动单元多,安全性高。3.1.3安全制动系统的国外进口矿井提升机的设备型式与升船机主提升机比较接近。在20世纪70年代以前,国内的矿井提升机上曾普遍采用块式制动器,由于该制动器存在上述缺点,运行中的故障率比较高,70年代以后,矿井提升机已全部改用了盘式制动器。通过对国内大型矿井提升设备制动器运行状况的调研,和对上述两种不同型式的制动器性能的分析比较,最后确定隔河岩升船机的安全制动器和工作制动器均采用盘式制动器。尽管盘式制动器在我国已有比较成熟的制造和使用经验,但与国外专业厂的同类产品相比,不论是在设备的规模、容量,还是在制造质量及性能的稳定性方面,都尚存在着一定的差距。经过技术和经济性比较后,决定隔河岩升船机的安全制动系统从国外进口。通过招标,隔河岩第1、2级升船机的安全制动系统均由英国的TWIFLEX公司中标。3.2振动源生产的确定3.2.1电机和工作工艺设备由于工作制动器的主要作用是在电气制动失效的情况下将主机紧急制动,因此,其制动能力应大于高速轴的静扭矩。为确保安全,规定每套工作制动器制动能力不小于2倍的电动机额定扭矩。隔河岩第1级升船机每台电机的额定力矩为1.05kNm,工作制动器采用VCS22S型,每套设1对,最大制动力矩为3.1kNm;第2级升船机每台电机额定力矩为1.72kNm,工作制动器采用VCSMkⅢ型,每套设1对,最大制动力矩为3.98kNm。为减小冲击,工作制动器紧急制动时采用调压方式上闸,即在其液压控制系统的卸压回路中设置比例溢流阀,通过预先设定的压力曲线逐渐增加工作制动器制动头上的压力,至主提升机完全停止运转后,工作制动器再全压上闸。3.2.2增加扭矩平衡重的影响安全制动器的作用是有效持住船厢悬吊系统的不平衡载荷,系统的最大不平衡载荷发生在船厢漏水和水满船厢两种事故工况。隔河岩升船机水满船厢时的不平衡载荷为3000kN;船厢漏水时,由主提升机卷筒上承受的最大不平衡载荷不会超过转矩平衡重的重量,此种事故工况下的最大不平衡载荷为3260kN。由此可见,安全制动器的有效制动能力受转矩平衡重的控制。为了加大安全制动器的有效制动能力,提高升船机的安全可靠性,在满足主机设备布置的条件下,应尽可能地提高转矩平衡重所占平衡重总重量的比例。隔河岩升船机转矩平衡重对卷筒轴的负载力矩为5705kNm,选用VMS2-300型制动器,每套提升机构布置4对,共16对。全部安全制动器可以产生的总制动力矩为9816kNm,是转矩平衡重负载力矩的1.72倍,有足够的安全裕度。3.3该装置的主要性能基于升船机制动器特殊的使用条件和运行工况,与一般设备的盘式制动器相比,对其性能有着更高的要求。3.3.1岩升船机的运行条件主要符合以下方面安全制动器和工作制动器均由多对制动单元组成,为避免主提升机在制动或启动过程中不均匀受载,需确保同类制动器全部制动单元的上闸与松闸时间尽量一致。为此,隔河岩升船机采取了以下措施。(1)要求同类制动器尤其是其中碟形弹簧的机械特性有较高的一致性。(2)所有安全制动器和所有工作制动器均由同一套液压泵站集中控制。(3)液压泵站布置在机房的中央。泵站至各制动单元之间的管路等长,以避免各制动单元压力油的沿程阻力有大的差异。(4)要求设在制动器上的上闸、松闸到位检测装置具有良好的一致性。3.3.2制动的使用寿命升船机设备的整体寿命要求比较长,为确保升船机运行的安全可靠性,制动器应具有足够的使用寿命。制动器的使用寿命主要取决于碟形弹簧的疲劳寿命。隔河岩升船机在连续运行条件下,要求碟形弹簧的疲劳寿命不低于50a。3.3.3它可适应各种误差和振兴盘的变形卷筒上的制动盘不可避免地会存在制造、安装误差,并且在卷筒受载后将发生变形。制动器的结构对此应具有良好的适应能力,避免摩擦片承压不均。3.3.4对有一定的影响一般而言,压力、温度、表面粗糙度等因素,对摩擦材料的摩擦系数都有一定的影响。升船机安全制动器主要是静止上闸,摩擦片与制动盘间没有相对滑动,制动盘表面会形成凝露和铁锈。要求摩擦片材料能适应升船机的实际运行条件,使制动器在各种运行工况下均有稳定的摩擦力。3.3.5思想动力的影响在制动盘与摩擦片间存在不同间隙的条件下,制动器的制动力是不同的。为保证各制动单元安装后的制动力一致,制动器的松闸间隙应便于调整,并且调整时不得影响碟形弹簧的预紧力。3.4液压控制系统的设计升船机安全制动系统有别于普通设备的制动器,操作制动器的液压控制系统应针对升船机的具体运行要求和实际工况进行专门设计。隔河岩升船机安全制动系统具有以下的技术特点。(1)液压泵站及向压压的测量安全制动器和工作制动器由同一台液压泵站控制,二者共用油泵组和油箱,控制油路系统相互独立。液压泵站的主要作用是向制动器提供压力油,使闭合的制动器打开,实现松闸。因此,当松闸过程中液压系统出现故障,或某一个制动器因泄漏而不能正常建立油压时,所有的制动器均无法打开,从而可以避免事故的发生。采用集中控制,还可以有效提高制动器上闸和松闸的同步性。(2)检测信号输入液压系统中的所有电磁换向阀均带阀芯位置反馈装置,检测信号输入PLC,监控系统根据检测信号可判断电磁阀的工作状态,提高液压系统的维护性能。(3)系统正常运行为提高液压控制系统的工作可靠性,系统中所有的电磁换向阀均采用双份热备方式,运行中某一电磁阀出现故障,将不会影响系统的正常运行。油泵电机组和蓄能器等重要元器件,亦按照双备份方式配置。(4)增加电机功率,缩短开闸时间由于制动器松闸是短时间输入压力油的过程,在液压系统中设置大容量的蓄能器,可以有效减小电机功率,缩短开闸时间,提高泵组的工作寿命,同时可降低系统的发热。制动器松闸时,由蓄能器提供压力油,将制动器打开。经几次反复开闸后,蓄能器的压力降低至最低松闸压力后,油泵将自动向蓄能器充油,直至设定压力。4系统运行阶段,初阶级进行修正和完善,在双重结合隔河岩升船机的设备型式和运行特点,在调试阶段,初步拟定了安全制动系统的运行程序,然后将根据调试的实际效果,在永久运行中予以修正和完善。4.1载荷的变化情况主提升机的安全制动系统不仅是升船机运行的安全设备,同时也是升船机遇事故进行紧急停机的执行机构。根据全平衡垂直升船机的载荷特点,主提升机启、制动过程中,安全制动系统须与电气拖动系统相互配合,避免主提升机的机械传动系统遭受冲击。升船机船厢悬吊系统不平衡载荷的大小与方向,每次运行都可能不同,因此主提升机机械传动系统齿轮的接触及受力情况都会发生变化,即主提升机启动时的载荷可能与上次制动时的载荷大小和方向不同。为避免冲击,启动前应消除传动系统的齿轮间隙,释放系统内力。为此制定如下启动程序。(1)启动电机(电流环通电),按照前次运行结束时载荷的大小和方向,预加力矩。(2)工作制动器松闸。(3)重新调整电机预加力矩。根据本次运行载荷的实际大小和方向,改变电机的预加力矩,使电机出力与外载平衡,同时消除机械传动系统的间隙。(4)安全制动器松闸,同时闭合主拖动速度环,主提升机按照设定的速度曲线投入运转。“工作制动器松闸”指令和“安全制动器松闸”指令发出后,设在工作制动器和安全制动器上的检测装置将发出松闸成功的信号。如果松闸不成功,则发出“工作制动器上闸”指令和“安全制动器上闸”指令,终止松闸程序。4.2全压上闸主提升机的正常制动由电气系统实施,安全制动系统的制动程序在主提升机完全停止运转后进行。(1)工作制动器全压上闸。(2)延时数秒后,安全制动器全压上闸。在此过程中,如果上闸检测装置发出上闸成功的信号,主拖动系统将退出工作。4.3全制动系统紧急制动的程序电气系统出现故障,不能实施正常制动时,实施安全制动系统的紧急制动程序。(1)接到“紧急制动”指令后,工作制动器按照设定的压力曲