傳感器在WK35電鏟中的應(yīng)用研究

王清心，高方欣

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

機電與自動化

傳感器在WK35電鏟中的應(yīng)用研究

王清心，高方欣

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

分別介紹了光電式位移傳感器和霍爾式測速傳感器的工作原理及其在WK35電鏟中的具體應(yīng)用，并以一個故障實例說明了測速傳感器在WK35電鏟中的作用及安裝注意事項。通過對比指出了位移傳感器和測速傳感器之間存在的差異，為其他維修人員提供參考。

WK35電鏟；位移傳感器；測速傳感器；故障

0 引言

隨著我國機械制造水平的日漸提高和露天采礦事業(yè)的發(fā)展壯大，由太原重工股份有限公司自主研發(fā)的WK-35電鏟目前廣泛應(yīng)用于各礦山企業(yè)中。WK35電鏟采用大量國內(nèi)外先進技術(shù)，適用于大型露天煤礦、鐵礦及有色金屬礦山的剝離和采裝作業(yè)，其理論生產(chǎn)能力達4 200 m3/h，實際生產(chǎn)能力也達到了700萬m3/a。

在WK35電鏟的整個電控系統(tǒng)中存在著很多的傳感器，其中以限制提升、推壓機構(gòu)運動位置的位移傳感器和檢測提升電動機、回轉(zhuǎn)電動機及推壓電動機速度的測速傳感器最為重要。如果上述兩種傳感器在電鏟運行過程中出現(xiàn)故障的話，將有可能造成極為嚴(yán)重的機械事故，例如鏟斗撞裂天輪、提升電動機失控造成鏟斗砸裂卡車廂斗等故事故。為了盡量避免嚴(yán)重機械事故的發(fā)生，提升維修人員對上述傳感器的認(rèn)識，就光電式位移傳感器和霍爾式測速傳感器在WK35電鏟中的具體應(yīng)用及故障實例進行相關(guān)的介紹及分析。

1 傳感器的概念

傳感器是一種信號檢測轉(zhuǎn)換裝置，將檢測到的被測量的信號按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成所需要的信號形式輸出，用來滿足用戶的要求[1]，主要由敏感組件、轉(zhuǎn)換組件、轉(zhuǎn)換電路和供電電源4部分組成[2]。在WK35電鏟中存在許多種類的傳感器，例如空壓機里有溫度傳感器，潤滑系統(tǒng)里有油流傳感器，電動機里有測速傳感器，提升機構(gòu)里有位移傳感器。

2 光電式位移傳感器的工作原理

2.1 位移傳感器在WK35電鏟中的選型

位移傳感器又稱為線性傳感器，是將被測物體的機械位移過程轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號。常見的傳感器主要有電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器和霍爾式位移傳感器。根據(jù)被測物體位移量的大小，位移傳感器的選擇也一定的區(qū)別，小的位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾式傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光電、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。在WK35電鏟中，由于被檢測的提升機構(gòu)的位移變化達到了16 m，被檢測的推壓機構(gòu)的位移也達到了2 m以上，所以提升、推壓機構(gòu)的位移檢測采用的是光電式傳感器，也就是光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器。

在WK35電鏟中，光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器與推壓減速箱二級傳動軸結(jié)合在一起，當(dāng)推壓機構(gòu)的輸出軸轉(zhuǎn)動帶動推壓齒條做直線運動時，旋轉(zhuǎn)編碼器也同步轉(zhuǎn)動，這樣就可以測量并控制推壓齒條的位移了。由于電鏟推壓齒條移動的距離長，跟隨推壓減速箱二級傳動軸同步轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動角度就會超過360°，普通的單圈絕對值編碼器就會重新開始編碼，這種情況下，就要使用多圈絕對值編碼器來解決這個問題[3]。所謂多圈絕對值編碼器就是利用多級齒輪傳動的原理，當(dāng)編碼器內(nèi)的第一級碼盤旋轉(zhuǎn)時，第二級碼盤通過齒輪傳動按照一定的減速比同步轉(zhuǎn)動，依次類推，類似于日常見到的鐘表的時針、分針、秒針的工作原理[4]。利用多級碼盤解決了單圈編碼器測量范圍小的問題，擴大了其應(yīng)用場合，而且多圈絕對值編碼器同樣擁有一個絕對零位代碼，不存在外部供電電源故障后丟失當(dāng)前位置信息的問題。

2.2 光電式多圈絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)勢

WK35電鏟使用的光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器集合了眾多優(yōu)點，其主要優(yōu)點如下：

1）光電式旋轉(zhuǎn)編碼器具有響體積小、應(yīng)速度快、分辨率高和性能可靠的特點，非接觸式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其具有更長的使用壽命[5]。

2）多圈絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)點是量程大。在實際使用過程中可以將多圈絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的某一中間位置作為起始零點，省去了尋找編碼器絕對零點位置的過程，節(jié)省了安裝調(diào)試的時間。在WK35電鏟的具體使用過程中，可以將提升機構(gòu)和推壓機構(gòu)的任意位置設(shè)置為起始零點，而不用擔(dān)心量程的問題。

3）絕對型編碼器的優(yōu)點是可以直接讀出當(dāng)前位置信息，沒有累積誤差并且在供電電源斷開后位置信息不會丟失。

2.3 光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器傳感器具體應(yīng)用

在WK35電鏟中用到光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的地方有：①是推壓機構(gòu)，編碼器通過軟軸與推壓減速箱二級傳動軸連接，保證電鏟斗桿在滿足正常移動距離條件下不至于使鏟斗磕碰到大臂和使后保險牙磕碰到與斗桿齒條相連的推壓小齒輪；②提升機構(gòu)，編碼器通過軟軸與提升減速箱三級傳動軸連接，保證電鏟鏟斗在滿足正常提升高度條件下不至于使鏟斗磕碰到天輪和使提梁下放多造成提斗繩跳槽。

2個光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器通過6ES7338-4BC01-0AB0位置輸入模塊與電鏟的PLC系統(tǒng)連接起來。6ES7338-4BC01-0AB0模塊為功能模塊，它不占用PLC的CPU資源，對來自現(xiàn)場設(shè)備旋轉(zhuǎn)編碼器的信號進行控制和處理，并將信息傳遞給CPU。它的額定輸入電壓為DC24V，與CPU沒有電氣隔離，可使用多達3個絕對型編碼器進行位置檢測，允許在運動系統(tǒng)中對旋轉(zhuǎn)編碼器直接做出反應(yīng)，所支持的編碼器幀長度有13位、21位和25位3種。每個光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器雖然有多根接線，但在WK35電鏟中用到了7根信號線，分別是2根電源線DC24V和0V，1根軟復(fù)位線R，4根信號線DAT+、DAT、CLK+和CLK。4根信號線與6ES7338-4BC01-0AB0模塊相連，軟復(fù)位線R與6ES7322-1HH01-0AA0輸出模塊相連，2根電源線與外部DC24V電源相連。4根信號線負責(zé)傳遞光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器當(dāng)前的位置和方向信。軟復(fù)位線為旋轉(zhuǎn)編碼器找零線，當(dāng)軟復(fù)位線通過DC24V高電平后，旋轉(zhuǎn)編碼器即將當(dāng)前位置定義為起始點。

2.4 故障及安裝注意事項

光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器在WK35電鏟的實際應(yīng)用過程中常見的故障主要有①推壓或提升機構(gòu)沒有限位，限位點失效；造成此故障現(xiàn)象的原因可能是旋轉(zhuǎn)編碼器與減速箱傳動軸之間的連接軟軸斷，旋轉(zhuǎn)編碼器不能跟隨傳動軸同步轉(zhuǎn)動；②推壓或提升機構(gòu)的限位功能不正常，時有時無；造成此故障現(xiàn)象的原因可能是旋轉(zhuǎn)編碼器外部受到異物撞擊導(dǎo)致內(nèi)部碼盤破碎或者其周圍有干擾源，使旋轉(zhuǎn)編碼器不能夠連續(xù)輸出有效信號。

為了盡可能避免上述故障的出現(xiàn)，在安裝、維護光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器時要注意以下5點：①旋轉(zhuǎn)編碼器與減速箱傳動軸之間采用彈性連接，避免因傳動軸的跳動造成編碼器連接軸和碼盤的損壞；②旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部的碼盤為玻璃制品，嚴(yán)禁暴力安裝摔打敲擊編碼器外殼和連接軸，以免損壞其連接軸和內(nèi)部碼盤；③旋轉(zhuǎn)編碼器的接地線要選用直徑大于3 mm的線纜，并要采用屏蔽電纜，不要與動力線在同一線管里走線，避免強電磁環(huán)境的干擾；④接線時要斷開DC24V電源開關(guān)。雖然DC24V電源不至于引發(fā)人體觸電事故，但是帶電作業(yè)時容易造成旋轉(zhuǎn)編碼器和6ES7338-4BC01-0AB0模塊的損壞；⑤由于旋轉(zhuǎn)編碼器在WK35電鏟的使用環(huán)境比較惡劣，所以安裝完成后要對編碼器加裝防護罩，防止外界油、水對其造成損壞。

3 霍爾式測速傳感器的工作原理

3.1 測速傳感器的分類

測速傳感器是測量被測物體的運行速度并將其轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，主要測線速傳感器和測轉(zhuǎn)速傳感器。測速傳感器按照安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類，其種類有測速發(fā)電機式、磁電式、光電式、霍爾式等。這里將著重介紹應(yīng)用于WK35電鏟中電動機上的霍爾式測速傳感器。

3.2 霍爾式測速傳感器的工作原理

霍爾式測速傳感器的主要工作原理是霍爾效應(yīng)，就是當(dāng)轉(zhuǎn)動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時會引起電勢的變化，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉(zhuǎn)速值。霍爾式測速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈[6]。

在WK35電鏟中，當(dāng)提升電動機轉(zhuǎn)動時，在非傳動端與轉(zhuǎn)子相連的齒圈會跟隨轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，齒圈經(jīng)過傳感頭的前端時會引起磁場相應(yīng)變化。霍爾式測速傳感器就是通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應(yīng)組件時，產(chǎn)生霍爾電勢，然后將其轉(zhuǎn)換為交變電信號，最后傳感器的內(nèi)置電路會將信號調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號。提升逆變器根據(jù)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)目即可計算出其速度。

3.3 霍爾式測速傳感器的優(yōu)勢

霍爾式測速傳感器的優(yōu)點主要有以下幾點：①霍爾式測速傳感器的輸出信號不受齒圈轉(zhuǎn)速值的影響；②頻率響應(yīng)高，其響應(yīng)頻率可達20 kHz；③穩(wěn)定性好，壽命長，耐振動，不易受環(huán)境因素產(chǎn)生誤差；④無觸點，不會磨損，輸出矩形波形清晰[7]。

3.4 霍爾式測速傳感器具體應(yīng)用

WK35電鏟中采用的變頻器為西門子6SE70系列，其控制方式有V/F控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制模式3種。提升電動機采用的就是帶有測速傳感器反饋的速度閉環(huán)矢量控制模式。開環(huán)和閉環(huán)在變頻器中就是指是否有速度信號反饋給變頻器，如果沒有，則簡稱為開環(huán)矢量，如果有，則簡稱為閉環(huán)矢量[8]。整個電動機控制系統(tǒng)要想實現(xiàn)閉環(huán)速度矢量控制功能，測速傳感器是必不可少的重要組件。

3.4.1 故障現(xiàn)象

2014年3月1日20∶30，1臺WK35電鏟在運轉(zhuǎn)時突然停機，電鏟人機界面報提升逆變器故障。當(dāng)維修人員到達現(xiàn)場后，發(fā)現(xiàn)電鏟可以正常啟動，推壓、回轉(zhuǎn)、行走機構(gòu)均可以正常工作，但提升機構(gòu)無法正常工作。提升機構(gòu)在提升或下放過程中會出現(xiàn)提升制動器突然抱死故障，主提逆變器報F053故障代碼。

3.4.2 故障原因分析

F053故障代碼含義為，速度信號發(fā)生器信號的允許變化值P215被超過2倍。經(jīng)分析導(dǎo)致此次故障的原因有以下幾點：

1）測速傳感器斷線，速度信號無法傳遞到提升逆變器，導(dǎo)致提升逆變器報F053。

2）測速傳感器損壞，檢測到的速度信號不準(zhǔn)確，導(dǎo)致提升逆變器報F053。

3）測速傳感器屏蔽線接地不良，檢測到的速度信號受到動力線路干擾，導(dǎo)致提升逆變器報F053。

4）測速傳感器接線錯誤（此電鏟剛大修完畢，各接線處均重新處理過，且自大修完畢運行時間未超過48 h）。

5）測速傳感器與齒圈在安裝過程中存在缺陷（電機曾送外保養(yǎng)，在拆裝過程中測速傳感器安裝精度可能不夠）。

3.4.3 故障處理過程

1）用萬用表對測速傳感器電纜進行校線，測試結(jié)果顯示測試結(jié)果顯示測速傳感器至提升逆變器之間電纜無斷路現(xiàn)象。

2）更換新的測速傳感器，故障現(xiàn)象依然存在，說明測速傳感器自身沒有問題。

3）檢查測速傳感器和提升逆變器的屏蔽接地線，并對其進行重新接線，確認(rèn)屏蔽線沒有問題后，故障現(xiàn)象依然存在說明此故障原因不在于此。

4）由于前、后提升電動機的測速傳感器接線被維修人員整理過，初步懷疑存在接線錯誤。測速傳感器總共有12V、0V、A、B 4根線，在確定了12V和0V接線沒有錯誤后，對前后測速傳感器的A、B 4根線存在的4種接線方式進行了逐一測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象依然沒有消除，排除接線錯誤可能。

5）通過與永濟電機廠家技術(shù)人員交流得知，永濟電機廠家生產(chǎn)的電動機其測速傳感器與齒圈的間距不得大于1 mm。在用塞尺對前、后提升電動機的測速傳感器與齒圈的間距測量發(fā)現(xiàn)其數(shù)值均大于1 mm，分別為1.5 mm和1.35 mm。將前、后提升電動機的測速傳感器與齒圈的間距分別重新調(diào)整為0.75 mm和0.5 mm后，對電鏟進行動態(tài)試車，故障現(xiàn)象消除，電鏟恢復(fù)正常。此故障處理完畢。

3.4.4 故障總結(jié)

通過分析討論判定造成此次故障的原因為提升電動機在送外保養(yǎng)過程中出現(xiàn)差錯，保養(yǎng)過程中測速傳感器和齒圈安裝精度不夠，造成測速傳感器與齒圈的間距超出正常范圍，從而引起提升逆變器故障。事后通過對我礦的其它5臺WK35電鏟的提升電動機的測速傳感器和齒圈的間距逐一進行了測量，其數(shù)值均在0.3～1.0 mm，這也從側(cè)面印證了造成此次故障的原因和結(jié)論。

4 位移傳感器與測速傳感器的區(qū)別

雖然WK35電鏟中的光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器和霍爾式測速傳感器同屬傳感器，但是它們在WK35電鏟的具體應(yīng)用中存在以下4個方面的區(qū)別：

1）工作原理不同。光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器利用光電效應(yīng)，霍爾式測速傳感器利用霍爾效應(yīng)。

2）工作方式不同。WK35電鏟中使用的光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器與減速箱傳動軸之間采用軟軸連接，為接觸式檢測；霍爾式測速傳感器與碼盤之間靠霍爾效應(yīng)檢測，為非接觸式檢測。

3）工作電源不同。WK35電鏟中的光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的額定工作電壓為DC24V，可單獨提供，也可利用PLC的電源模塊提供；霍爾式測速傳感器的額定工作電壓為DC12V，需單獨提供。

4）工作用途不同。WK35電鏟中光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器主要用來檢測直線位移，具體作用是限制提升機構(gòu)和推壓機構(gòu)的行程來保護相應(yīng)的機械機構(gòu)；霍爾式測速傳感器的具體作用是檢測電動機的轉(zhuǎn)速，將速度信號傳遞到變頻器，實現(xiàn)電動機閉環(huán)矢量控制。光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器在使用過程中通過編寫相應(yīng)的PLC程序也可以用來測量物體的轉(zhuǎn)動角速度，但是在測量高速運轉(zhuǎn)的物體的速度時會產(chǎn)生偏差，只能測量轉(zhuǎn)速小于800 r/min以下的物體，同時轉(zhuǎn)速越高，對旋轉(zhuǎn)編碼器安裝的精度要求也越高，同軸度越難得到保證。

5 結(jié)語

傳感器的應(yīng)用范圍很廣，著重介紹了WK35電鏟中光電式絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器和霍爾式測速傳感器工作原理及故障實例，對于其他類似傳感器的故障維修具有借鑒意義。如何提高維修技能水平，降低故障停機時間，實現(xiàn)設(shè)備效益最大化是每個維修人員的最終目標(biāo)。

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【責(zé)任編輯：張東旭】

Application research of sensor in WK35 shovel

WANG Qingxin,GAO Fangxin
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhaote 026000,China)

This article introduced the principles of the position sensor and the speed sensor and the specific application in WK35 shovel,takes a fault as an example to illustrate the installation precautions of speed sensor in WK35 shovel.Through comparison, the author points out the differences between the position sensor and speed sensor,which provide reference for other service personnel.

WK35 shovel；position sensor；speed sensor；fault

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）01－0045－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.013

王清心，高方欣.傳感器在WK35電鏟中的應(yīng)用研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：45-48.

2016-07-20

王清心（1986—），男，漢族，工程師，學(xué)士，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)就職于神華北電勝利能源有限公司設(shè)備維修中心電鏟車間，主要從事電鏟電氣維修。