K3圖五、（山濟）牌K3-21系列（立式觸頭框加長）
這些問題的出現(xiàn)主要是本型產品產生于上世紀80年代后期，國內無成熟的參考機型，造成設計缺陷較多，先天不足。但由于該產品在主令控制器系列中僅此一款民族品牌，開發(fā)早，價格低，迎合國內急需，在國內還占用整個起重機主令控制器市場的60-70%，應用非常廣泛。我們從2008年就分析認為，重新設計一款沒有缺陷的類似機型，再以精工制造生產，一定是一款受市場歡迎的新產品，前景看好。
從2012年開始，經過幾年的準備，組織人員著手創(chuàng)新研究該產品。首先對現(xiàn)有產品存在嚴重設計缺陷及可靠性差、壽命短的原因進行分析清楚，然后有針對性的進行創(chuàng)新改進設計。
2.現(xiàn)有YGK3及QT3A型主令控制器設計缺陷梳理歸納如下：
2.1整體結構如壘積木，機殼、凸輪軸部分的觸頭框全都是由上、中、下板用螺釘緊固在一起，凸輪開關部分采取立式布置。雙機構的凸輪軸也全采取立式布置，造成傳動機件過長，整個機型松垮、丑陋，體積大。但好處是對起重機控制臺機箱的適應性較強，既適用塔機聯(lián)動臺窄機箱，也適應港機、工業(yè)起重機的寬機箱，且在機箱上板上不需要開偏置孔進行安裝。這也是得到廣泛采用的一個原因。這種結構形式，在全世界范圍內均未見采用。
由于這類控制器由人工操作，操作中對機件的沖擊是很嚴重的，因此操作機構及各部件必須扎實，堅固，方能經受住數年的操作、沖擊和磨損。
主令控制器雖是一個電器部件，實際上是以機械結構為堅實基礎的電器組件，也是起重機駕駛室內核心的部件，沒有之一。機構可靠性差，耐用性低一直是生產商和使用者長期的心頭之痛。所有研發(fā)難度大，生產門檻高，制作要求精細。是國內外都難以攻克的一個產品，這也是我公司決心攻破的目標。
2.2齒輪傳動付和軸承座均采用工程塑料制作。尤其齒輪傳動付由于采取工程塑料造成齒輪付尺寸大、嚙合松曠。這在世界范圍內在小型主令控制器的設計制造上使用工程塑料制造齒輪傳動付，也只有中國這一款產品。顯然不合理。
2.3手柄自動回歸零位機構不可靠
主令具備手柄自動準確可靠的回歸零位功能。在整個使用過程中。一直保持這個功能是現(xiàn)有各類主令控制器的設計者和制造者一直追求的目標。也始終是各類主令控制器產品長期難以完美解決的問題。零位復位機構是原YGK3和QT3A主令控制器中問題特別突出，設計缺陷嚴重的問題，長期以來，始終未解決。原因之一是扭簧力不夠，小馬拉大車。該扭簧外徑?21mm,鋼絲直徑?2.5MM，有效圈數5.5.彈簧剛度21.5Nmm/(o),手柄接近零位時復位力矩偏小，在手柄處于5檔位置時，彎曲應力達1500Mpa，易疲軟失效。原因之二，靠扭簧的長扭臂推動手柄回到零位，扭臂稍有變形，既造成回零失效。且由于設計結構限制，又無法增大扭簧，故長期未解決。當出現(xiàn)手柄不能準確地回歸零位時，由于凸輪片的零位角度只有16°，太小，操作者無法感知到是否到達零位，此時維修人員必須停機更換新復位扭轉彈簧，或者更換新的主令控制器，方可繼續(xù)作業(yè)。
2.4凸輪片在凸輪軸上不合理的排列緊固方式
該型主令控制器主導機型YGK3采用的凸輪片外徑Φ50mm，每檔16°，共1-5檔，手柄轉角40°，凸輪方軸為8×8mm，凸輪片用短M4螺釘緊固在方軸上。有一對或多對凸輪片在凸輪軸上對稱布置，兩個凸輪片共用一個M4螺孔，用兩個短螺絲釘從兩邊分別緊固。由于螺釘進入絲孔只有3㎜多，緊固一旦松動，即造成使用的凸輪片脫落。這是用戶常反映的問題。我們在臺架試驗時也出現(xiàn)過凸輪片脫落的問題。
2.5凸輪軸檔位鎖定機構不合理
主導機型YGK3型主令檔位鎖定是靠凸輪框架下端每檔16°的半圓塑料棘輪和在壓簧作用下的直動頂桿完成。在傳動箱內還裝有扇形彈簧片，在壓簧作用下的鋼珠在扇形彈簧片的槽內進出發(fā)生檔位響聲。由于二者不易同步，以下端棘輪的松曠彌補不同步造成的相互干涉。實際上下端的棘輪機構起不到作用，所以QT3A型就省去了下面的棘輪鎖檔裝置。另外扇形彈簧片的孔槽檔位感靠裝在套管內的鋼球完成，管內的鋼球在操作過程中會從套筒中跳出來。一旦跳出來，擠在彈簧片和軸承座之間，使操作機構突然卡阻從而造成機械事故。我公司在臺架壽命考核YGK3機型時就出現(xiàn)了卡阻機械事故。用戶現(xiàn)場使用也有此情況發(fā)生，這個設計缺陷是不應該的，由機械知識的人對套筒內孔稍加改變即可解決問題。
2.6末位檔限位結構具有局限性
該主導機型的末位檔限位結構是由固定在機箱上面的塑膠孔的長方形塊斜面和手柄操縱桿構成。手柄操縱桿達到末位檔時手柄桿靠在斜面上。這種結構在法國施耐德和德國S+B主令控制器上也采用。其缺點是塑膠塊的種類多。另一個出現(xiàn)的問題是主令控制器在后期的使用中由于傳動付的磨損，因操縱桿的操作角度被末位檔限制，易造成一個方向上無電氣信號。使用現(xiàn)場據使用者反映，為獲得末位檔電信號，有時把操縱桿掰彎，末位檔無信號時，主令只能換掉。
3、下面再對本機的設計亮點梳理歸納一下：
3.1觸頭開閉機構優(yōu)點明顯
本型主令選用的是施耐德觸頭組，觸頭頂桿伸縮是由凸輪片推動安裝在觸頭座上的銅滾輪，銅滾輪再推動觸頭組上的頂桿完成觸點組的開閉動作。由于屬于滾動摩擦，長期使用，觸頭頂桿前端的磨損很輕。我公司臺架觸頭組帶電負荷試驗600萬次后，檢測發(fā)現(xiàn)觸頭前端磨損低于0.5㎜，觸頭仍能正常工作，實踐也證明公司投放到用戶已使用多年的主令控制器未發(fā)現(xiàn)觸頭組損壞的問題。但前提是必須是正宗的法國施耐德觸頭組，低劣的仿制品不行。
3.2主令造價成本低，制造門檻不高
由于本型機采用了大量工程塑料，傳動箱和觸頭框也都是沖壓板材料，經過螺釘緊固而成。裝配工藝比較簡單。在本世紀初10年，塔機井噴式發(fā)展，當時本型主令控制器供應非常短缺，尤其維修市場更缺。市場上的短缺刺激了個體戶自己組裝銷售，雖然質量沒有保證，但也緩解了市場急需，支持了中國建筑市場的蓬勃發(fā)展。因此該型主令控制器對中國經濟做出了貢獻。
綜合以上列舉的本款YGK3主令控制器設計缺陷，確實問題不少，先天不足嚴重。后天如何精細制造也解決不了先天設計缺陷。從另一個角度看，這是中國首款自行創(chuàng)新設計的產品，具有自主知識產權，是名副其實的民族品牌。也確實解決了市場上的急需，并占領了國內很大的市場份額，給起重機的電器配套方向做出了很大貢獻，應給予充分肯定。
4、<山濟>牌K3系列塔式起重機主令控制器研發(fā)過程
4.1公司專家團隊產生創(chuàng)新研發(fā)想法開始于2008年，開始收集有關資料，調研市場需求，產品質量狀態(tài)。2014年下半年，公司專家團隊集資籌建山東濟寧三好電器科技公司，并著手進行產品研發(fā)。首輪設計于2014年年底完成，2015年上半年完成試制。首輪設計比較保守，單機構和雙機構主令控制器整體結構仍采取市場認可的立式布置，外形基本上未做改動。但傳動付改為鋼制齒輪，傳動箱改為鋼板拼接。氬弧焊焊接，箱體不密閉，而觸頭組連接框架與傳動箱用螺絲緊固，并打上定位銷防松動。檔位鎖定和末位檔限制均由棘輪上的停檔柱完成。凸輪片的排列仍保持原樣。但復位機構進行了重要設計，扭簧外徑Φ40mm,鋼絲直徑d=3mm,有效圈數n=5.9圈，屬中心臂扭簧。鋼絲材料為50Gra，（含全鋼簧鋼絲）。零位檔時的扭矩1640N.mm,
扭簧剛度15.6Nmm/(
°),扭簧裝置機殼內部。
少量試制后。首先樣機進行帶電壽命考核30臺投放市場使用，分別在碼頭裝卸用的門座起重機，鋼廠和塔機上使用。在2個月左右的早期，兩臺出現(xiàn)操作桿因材質根部折斷，鋼廠用的一臺扭簧從中心臂處應力集中斷裂，因扭簧在機殼內部，現(xiàn)場更換有困難。
第二輪試制從2015年至2016年完成，為減少傳動軸尺寸，雙機構主令凸輪軸由雙立狀態(tài)改為立式+水平狀態(tài)，單機構主令仍為立式布置，但復位扭簧仍在機殼內，凸輪片的布置由對稱改為錯開布置，采取長M4螺釘緊固，第二輪試用和臺架試驗未發(fā)現(xiàn)大的問題。
第三輪試制從2016年下半年到2017年上半年完成。第三輪改變比較大，齒輪傳動箱改為封閉型，復位扭簧由箱內移到機殼外，外跨式布置，便于復位扭簧的維修，其他已成熟的結構保留。為降低操作力，扭簧鋼絲直徑降為2.8mm，材料選用65Mn，發(fā)展應力造成中心臂斷裂。用戶使用中，個別產品出現(xiàn)了早期手柄回零故障，經分析是扭簧在工作時產生軸向抗力，造成扭簧導軸兩端的復位撥盤傾斜，撥盤和導軸短的間隙大于0.4㎜，扭簧兩端的頭擠進撥盤和導軸的間隙中，增大復位阻力，扭簧和導軸之間稍有磨損，就增加復位阻力。
第四輪產品定型設計。本輪解決了扭簧復位機構早期個別復位失效問題。
第四輪定型設計，從2019年初到2019年底完成。包括當時5個月的800萬次的臺架機械壽命試驗。整機和各關鍵部件、觸頭組（正宗施耐德觸頭組）等均通過歷時4個月，總試驗2200小時800萬次嚴格的帶電負荷壽命考核試驗。這期間。為滿足繁忙的港口裝卸門座起重機對主令控制器輸入模擬信息需求，在原基礎上增設專門機構加裝電位器。
整個研發(fā)過程前后歷時6年，反復與產品使用客戶磨合，不斷對產品進行改進，前后經四輪改型，與2019年底，完成了所有研發(fā)過程，定型產品投入批量生產，正式投放市場，很成功。與2020年下半年申請國家專利保護并獲得成功。
定型的<山濟>牌K3系列主令控制器由于減少了塑料件，提高了零件的復雜度，增加了機械加工件，增大了模具件生產量，成本有所提高，進入門檻困難度增大，因此，其目標群選定各高端用戶。
5、定型后<山濟>牌K3系列塔式起重機主令控制器結構簡介(參見圖A圖B)
定型產品各機件按1000萬次的機械壽命量強度設計，無薄弱機件。整機可靠性高，超耐用，用戶使得住。
基礎型主令由操縱手柄部件1，傳動箱部件2，觸頭組框架3，檔位控制機構4，手柄自動回零機構5共5大部分構成。并符合人體工學設計，長時間操作，不易疲勞。
手柄操縱部件1由操作手球，操縱桿、零位鎖定桿和硅膠防塵罩組成。
傳動箱部件2由機箱、齒輪傳動付、傳動軸類機件、零位桿和鎖定件構成。
觸頭組框架3由觸頭組焊接框架，法國施耐德觸頭組、凸輪片、凸輪軸構成。
檔位控制機構4由棘輪、停檔、搖臂、拉簧、支架構成
手柄自動回零機構5由中心臂復位扭簧、扭簧導軸、復位撥盤、撥盤零位檔限位件構成。
整個機構簡潔扎實、堅固可靠。
6．控制器主要技術參數
6.1.控制器的基本參數見下表：
6.2.手柄操縱角度小于或等于±40°，檔位1——5檔，每個機構可安裝3——12個觸頭組。
6.3.適用于8——24h工作制和斷續(xù)周期工作制，其在斷續(xù)周期工作制下的額定操作頻率為每小時1200次，負載因數為 40%。
6.4.控制器手柄操作力15——17N，符合人體工學。
6.5.控制器的機械壽命為800萬次，電壽命為600萬次。
8.1、<山濟>牌K3系列塔式起重機主令控制器達到的水平狀態(tài)、性能、檔位清晰度、手柄操作力與法國施耐德XKD小型主令控制器處于同一水平。但整機堅固性、可靠性、手柄復位機構準確回零功能、耐用性都遠高于國外水平。法國施耐德XKD機械壽命300外次，國內同類主導機型標定75萬次（選自JB/T13480-2018標準要求）。<山濟>牌K3主令機械壽命800萬次，電壽命600萬次。江西一鋼鐵企業(yè)的鐵礦石裝卸碼頭上有20臺裝卸用門座起重機，通過招標，購買國內產的YGK3包括帶電位器主令作為維修備件，國內主導廠家只能用6—7個月（大約操作75萬次）其他廠家的產品更是從兩個月就出現(xiàn)問題，維修人員停機檢修都修不過來，嚴重影響碼頭裝卸作業(yè)。2020年8月批量換裝<山濟>牌K3系列塔式起重機主令控制器（帶電位器，）到2022年4月已工作21個月，20多主令未出現(xiàn)任何故障，現(xiàn)仍繼續(xù)使用。至此，一臺<山濟>牌主令已達到三臺主導廠家的同類產品。用戶由一開始用時的持懷疑態(tài)度，轉變到使用后直呼好，太好。
8.2、<山濟>牌K3系列塔式起重機主令控制器專門為高端客戶量身定做的。主要銷售方向：國內重點塔式起重機生產企業(yè)主機聯(lián)動臺配套，要求高端主令塔機租賃公司作為維修配件。起重機控制臺專業(yè)生產廠家配套，港口裝卸門座起重機生產廠家聯(lián)動臺配套及終端用戶維修備件。冶金起重機生產企業(yè)配套或維修備件。
8.3、<山濟>牌K3系列主令控制器質保期承諾如下：
產品用在塔式起重機配套或備件，質保期10年，用戶用在港口機械上和冶金企業(yè)配套或備件質保期4年。在質保期12個月內產品出現(xiàn)質量問題退貨款，12-24個月內產品出現(xiàn)質量問題可以換貨。2年以后，質保期出現(xiàn)產品質量問題，免費提供配件或返公司維修。超過質保期的有償服務。我們對自己的產品有信心，超長質保期，企業(yè)有能力接受增加的成本支出。質保期承諾可體現(xiàn)在客戶的采購合同中。
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