395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)故障分析

牟鵬昊

摘? 要：395BI電鏟配套的開斗控制系統(tǒng)為直流電氣控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)已經(jīng)在395BI電鏟上使用了20多年，由于這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這些年的使用中發(fā)現(xiàn)很多節(jié)點(diǎn)的故障率很高，導(dǎo)致395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)的日常維修量相對(duì)于其他種類電鏟較大。因此，分析395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，根據(jù)以往故障現(xiàn)象和維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)歸納，根據(jù)故障現(xiàn)象的不同分別闡述導(dǎo)致故障的原因，對(duì)維修人員的維修做出指導(dǎo)，以便今后維修中加快該類故障的維修速度。同時(shí)針對(duì)個(gè)別問(wèn)題提出改進(jìn)辦法和處置策略，從而消滅這一問(wèn)題帶來(lái)的影響。

關(guān)鍵詞：395BI電鏟? 開斗系統(tǒng)? 故障? 改進(jìn)

Abstract： 395BI shovel form a complete set of open control system for DC electrical control system， the system has been used on 395BI shovel for more than 20 years， due to the system structure is more complex， found in the use of over the years many node failure rate is very high， 395BI shovel open door electric control system of daily maintenance quantity relative to other kinds of shovel is bigger. Therefore， the structure and principle of the electric control system of 395BI shovel open door are analyzed， and the reasons for the failures are summarized according to the previous fault phenomena and maintenance experience. The reasons for the failures are explained respectively according to the different fault phenomena， so as to provide guidance for the maintenance personnel， so as to accelerate the maintenance speed of this kind of fault in the future maintenance. At the same time， the improvement measures and disposal strategies are proposed to eliminate the impact of this problem.

395BI電鏟是我國(guó)20世紀(jì)90年代初引進(jìn)的一種大型露天采掘設(shè)備，這種設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)服役25年了，由于395BI電鏟運(yùn)行工況十分惡劣，粉塵大、沖擊大、震動(dòng)大，并且要求24h循環(huán)作業(yè)，同時(shí)開斗電氣系統(tǒng)又是工作在長(zhǎng)堵轉(zhuǎn)、大電流狀態(tài)的直流系統(tǒng)，所以395BI電鏟的開斗電氣系統(tǒng)故障率很高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，395BI電鏟這套源于20世紀(jì)80年代的技術(shù)早已經(jīng)更新?lián)Q代，國(guó)際上這套開斗電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)屬于淘汰產(chǎn)品，開斗電氣控制系統(tǒng)的大部分配件已經(jīng)停止生產(chǎn)，由于395BI電鏟是國(guó)外進(jìn)口設(shè)備如果需要只能聯(lián)系國(guó)外供貨廠商定做，所以配件采購(gòu)價(jià)格達(dá)到原來(lái)的3～8倍。介于395BI電鏟的電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)淘汰這種情況我公司于2016年完成了1臺(tái)395BI電鏟驅(qū)動(dòng)控制部分的國(guó)產(chǎn)化改造，由于開斗電氣控制系統(tǒng)未列入改造范圍，那么在生產(chǎn)實(shí)際中開斗電氣控制系統(tǒng)的老化、故障多等問(wèn)題凸顯，因此針對(duì)這一突出問(wèn)題進(jìn)行研究和總結(jié)，同時(shí)為今后其他395BI電鏟電氣系統(tǒng)改造提供技術(shù)支持。

1? 395BI電鏟簡(jiǎn)介

395BI電鏟是一款由美國(guó)比塞洛斯公司設(shè)計(jì)制造的斗容為32m3的電控正采式挖掘機(jī)，它的電控部分采用交直交變頻技術(shù)，由外部引入6000V供電，經(jīng)高壓柜和變壓器變成660V，調(diào)速系統(tǒng)采用可控硅整流回饋單元、公共直流母線，逆變部分功率元件均采用GTO。該系統(tǒng)進(jìn)線電源經(jīng)三相橋式全控整流電路轉(zhuǎn)變成直流電，經(jīng)電容濾波后送入公共直流母線，然后經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電驅(qū)動(dòng)提升、推壓、回轉(zhuǎn)和行走各部交流電動(dòng)機(jī)完成挖掘巖石、裝車及行走等電鏟的各項(xiàng)功能。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，2005年美國(guó)比塞洛斯公司對(duì)395BI電鏟的逆變器部分進(jìn)行了改造，將功率元件由GTO模塊升級(jí)為IGBT模塊，更換部分控制電路板，調(diào)整部分控制參數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)控制器輸出信號(hào)控制逆變器不斷地改變輸出頻率來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過(guò)大量的直流母線電容來(lái)調(diào)節(jié)母線電壓。當(dāng)某工作機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)工作時(shí)，逆變器將再生制動(dòng)能量反饋到公共直流母線上，可供其他工作機(jī)構(gòu)使用，使能量得到充分利用，使用不完的制動(dòng)能量通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉。

395BI電鏟的輔助控制部分采用PLC控制技術(shù)，主要完成操作手柄信號(hào)的輸出、信號(hào)的檢測(cè)、氣壓系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制。主要完成動(dòng)作為主機(jī)的啟停、抱閘的開閉、操作信號(hào)的給定、潤(rùn)滑周期的設(shè)定、位置信號(hào)的檢測(cè)和鏟斗開門控制等。

2? 395BI電鏟開斗系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 395BI電鏟開斗系統(tǒng)基本構(gòu)成

395BI電鏟鏟斗容量為32m3，由于它的采掘方式是正向采掘，鏟斗用來(lái)挖掘和轉(zhuǎn)運(yùn)物料，鏟斗設(shè)計(jì)斗底門用來(lái)排卸物料，以及用來(lái)打開斗底門的裝置和與其配套的電氣控制系統(tǒng)。開門裝置主要包括開斗鋼絲繩、開斗定滑輪、開斗動(dòng)滑輪、開斗橫梁、開斗插銷以及鏟斗上的插銷孔等。開斗電氣控制系統(tǒng)主要由開斗變壓器、開斗整流器、開斗電阻、開斗接觸器、開斗電機(jī)、主令控制器和PLC組件等構(gòu)成。

2.2 395BI電鏟開斗系統(tǒng)操作流程

當(dāng)395BI電鏟處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，開斗插銷插入鏟斗插銷孔內(nèi)，使鏟斗底部封閉，這時(shí)司機(jī)可以操作395BI電鏟進(jìn)行挖掘物料和轉(zhuǎn)運(yùn)物料到指定位置，這時(shí)開斗電氣系統(tǒng)控制開斗電機(jī)使開斗鋼絲繩處于張緊狀態(tài);當(dāng)鏟斗裝載滿物料轉(zhuǎn)運(yùn)到卸料位置時(shí)，司機(jī)操作主令控制器手柄給定斗門打開命令時(shí)開斗電氣系統(tǒng)控制開斗電機(jī)輸出開斗力矩，使開斗鋼絲繩拉動(dòng)開門裝置，使斗門打開執(zhí)行開門卸料動(dòng)作。

3? 395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)原理

3.1 395BI電鏟開斗電氣系統(tǒng)供電輸入部分

如圖1所示，395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)主回路采用由395BI電鏟輔助變壓器引入MCC柜的交流400V外部電源供電，經(jīng)接觸器DTB和繼電器DXC后，進(jìn)入開斗變壓器DTT，開斗變壓器器將交流400V變?yōu)榻涣?90V，190V交流輸入給三相橋式整流裝置。

3.2 395BI電鏟開斗電氣系統(tǒng)輸出部分

整流部分如圖2所示，根據(jù)三相橋式整流電路計(jì)算公式Ud=2.34U2cosα，其中，Ud為輸出電壓;U2為輸入電壓的有效值;cosα是觸發(fā)角度，這里由于用的是二極管，所以α=0，得出Ud=444V，因此整流器將交流190V變?yōu)橹绷?44V，通過(guò)組合電阻RE10到達(dá)直流電機(jī)DTM，采用用直流接觸器DTC切換組合電阻的方式控制開斗電機(jī)輸出不同的力矩，從而達(dá)到控制開斗機(jī)械部分的目的。

3.3 395BI電鏟開斗電氣系統(tǒng)組合電阻部分

組合電阻由6個(gè)電阻組成，4個(gè)13Ω，2個(gè)0.5Ω;如圖2所示，D1到D3部分阻值的基礎(chǔ)校訂值為14.625Ω，D3到D2基礎(chǔ)校訂值為37.688Ω，D2到D1F基礎(chǔ)校訂值為0.688Ω。

3.4 開斗電機(jī)部分

395BI電鏟開斗電機(jī)是一臺(tái)復(fù)勵(lì)電機(jī)，其機(jī)械特性介于并勵(lì)和串勵(lì)電機(jī)之間，若勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)中以并勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)為主，則其特性接近于并勵(lì)電機(jī);若勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)中以串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)為主，則其特性接近于串勵(lì)電機(jī)。395BI電鏟實(shí)際應(yīng)用中，395BI電鏟主機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)，自卷繩狀態(tài)下，開斗電機(jī)特性接近于并勵(lì)電機(jī)特性;當(dāng)電鏟司機(jī)操作主令控制器給定開斗命令時(shí)，開斗電機(jī)特性接近于串勵(lì)電機(jī)特性。這種特性切換依靠直流接觸器DTC的吸合使組合電阻RE10完成調(diào)整。

3.5 主令控制器以及PLC邏輯控制部分

主令控制器即司機(jī)操作手柄，司機(jī)通過(guò)操作主令控制器使其輸出開關(guān)量信號(hào)，并送達(dá)PLC輸入板，CPU綜合DTB、DXC、電鏟啟動(dòng)停止等信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而由PLC輸出板控制DTC的動(dòng)作。

控制邏輯說(shuō)明：檢測(cè)電鏟主機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)正常，按下啟動(dòng)按鈕主機(jī)啟動(dòng)開始自卷開斗鋼絲繩;如果司機(jī)給定開斗信號(hào)執(zhí)行開斗。即正常啟機(jī)后，當(dāng)電鏟司機(jī)不操作主令控制器給定開斗命令開斗電機(jī)維持開斗鋼絲繩張緊，當(dāng)電鏟司機(jī)操作主令控制器給定開斗命令時(shí)開斗電機(jī)拉動(dòng)開底繩拖動(dòng)鏟斗門打開裝置使鏟斗斗門打開。

4? 395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)故障現(xiàn)象

395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)的故障主要由硬件故障、軟件故障以及線路故障造成，那么它們產(chǎn)生的故障的現(xiàn)象歸納有以下幾種：開斗無(wú)力故障、開斗電機(jī)無(wú)響應(yīng)故障、有自卷無(wú)開斗故障、開斗不回位，常開斗等故障。

4.1 開斗無(wú)力故障的故障現(xiàn)象

395BI電鏟主機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)下，司機(jī)通過(guò)操作手柄給定開斗信號(hào)時(shí)，開斗電機(jī)執(zhí)行了開斗這一動(dòng)作，但是開斗電動(dòng)機(jī)輸出的力度不足，造成拉不動(dòng)或拉動(dòng)距離短等問(wèn)題，打不開鏟斗斗門機(jī)構(gòu)，使電鏟無(wú)法完成卸料這一動(dòng)作，電鏟需要等待電氣維修人員進(jìn)行檢查處理才能恢復(fù)作業(yè)。

4.2 開斗電機(jī)無(wú)響應(yīng)故障的故障現(xiàn)象

395BI電鏟主機(jī)啟動(dòng)后開斗電機(jī)不動(dòng)作，既不能張緊開斗繩;司機(jī)通過(guò)操作手柄給定開斗信號(hào)時(shí)開斗電機(jī)也不執(zhí)行開斗動(dòng)作，這一故障使電鏟不能工作需修復(fù)后開展作業(yè)。

4.3 有自卷無(wú)開斗故障的故障現(xiàn)象

395BI電鏟主機(jī)啟動(dòng)后開斗電機(jī)執(zhí)行張緊開斗繩的動(dòng)作，當(dāng)司機(jī)通過(guò)操作手柄給定開斗信號(hào)時(shí)，開斗電機(jī)無(wú)響應(yīng)。這一故障使電鏟不能開展工作，需要電氣維修人員進(jìn)行檢查處理。

4.4 開斗不回位，常開斗故障的故障現(xiàn)象

395BI電鏟啟動(dòng)后開斗電機(jī)執(zhí)行張緊開斗繩的動(dòng)作，當(dāng)司機(jī)通過(guò)操作手柄給定開斗信號(hào)時(shí)，開斗電機(jī)執(zhí)行開斗動(dòng)作，當(dāng)司機(jī)操作手柄回歸零位時(shí)開斗電機(jī)還輸出開斗力矩。這一故障比較嚴(yán)重需要立即停機(jī)等待電氣維修人員進(jìn)行檢查處理。

由于395BI電鏟裝車時(shí)必須執(zhí)行開斗這一動(dòng)作，因此當(dāng)395BI電鏟無(wú)法正常執(zhí)行開斗動(dòng)作時(shí)將使整臺(tái)電鏟不能作業(yè)，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響采掘作業(yè)正常進(jìn)行，等待維修正常后在進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，因此開斗電氣控制環(huán)節(jié)故障也是影響生產(chǎn)的一個(gè)重要因素。

5? 395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)故障的分析與解決

5.1 開斗無(wú)力故障分析

395BI電鏟出現(xiàn)開斗無(wú)力故障主要是由于電機(jī)電流不足造成，根據(jù)公式I=U/R，電流不足產(chǎn)生的原因是電壓減小或電阻增大，實(shí)際工作中通過(guò)總結(jié)以往現(xiàn)場(chǎng)維修經(jīng)驗(yàn)，分析造成這種現(xiàn)象的主要故障點(diǎn)有以下幾處。

（1）開斗變壓器進(jìn)線故障。這種情況一般屬于三相電源一項(xiàng)斷路產(chǎn)生的故障，用萬(wàn)用表直接測(cè)量即可確定。其中有一種特殊情況是由于電鏟震動(dòng)大造成的變壓器柜內(nèi)電纜局部斷開造成的故障，這種情況用萬(wàn)用表直接測(cè)量是正常的數(shù)值，需要停電后逐根檢查測(cè)量，確認(rèn)斷線位置進(jìn)行修復(fù)或更換電纜。

（2）發(fā)生開斗變壓器進(jìn)線斷裂。這種故障主要是由于電鏟設(shè)計(jì)時(shí)未考慮進(jìn)線位置和走線彎折被強(qiáng)震動(dòng)影響，問(wèn)題主要是由于從左側(cè)面下部進(jìn)線，使進(jìn)線在變壓器柜內(nèi)產(chǎn)生兩次接近90°的彎折，彎折受震動(dòng)的影響導(dǎo)致導(dǎo)線外層斷線。同時(shí)由于開底變壓器柜體底部在承載整個(gè)變壓器質(zhì)量后在長(zhǎng)期震動(dòng)中的變形。針對(duì)這些問(wèn)題提出改進(jìn)方案，首先需要提高變壓器柜進(jìn)線口的位置，已達(dá)到使電源線不產(chǎn)生大于60°的彎折，同時(shí)加固電壓器柜體，從而減小電壓器柜震動(dòng)。實(shí)際工作中采用更改進(jìn)線口位置，即由側(cè)面下部改為上部，從而避免了S型彎折走線，在柜體底部中間核心受力點(diǎn)加裝三角支架從而提高柜體支撐能力。

（3）整流裝置故障。一般情況為二極管損壞造成，三相橋式不可控整流器一個(gè)二極管損壞后是輸出的直流電壓下降，因此導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生電流下降，導(dǎo)致輸出力矩不足。現(xiàn)場(chǎng)維修只需要更換損壞的二極管。

（4）直流接觸器觸點(diǎn)故障。開斗直流接觸器工作在大電流狀態(tài)，由于長(zhǎng)時(shí)間的大電流使開斗接觸器觸點(diǎn)熔化變形后接觸面積變小，導(dǎo)致電阻變大，使電機(jī)輸出力矩變小?，F(xiàn)場(chǎng)維修需要更換觸點(diǎn)。

（5）直流電機(jī)故障。一般情況多發(fā)生在碳刷和換向器部分，檢查電機(jī)發(fā)現(xiàn)是碳刷部分則更換碳刷，如果是換向器、勵(lì)磁或電樞部分則直接更換開斗電機(jī)總成。

5.2 開斗電機(jī)無(wú)響應(yīng)故障

開斗電機(jī)無(wú)響應(yīng)這個(gè)故障現(xiàn)場(chǎng)俗稱開斗不動(dòng)，一般情況下需要分析系統(tǒng)兩個(gè)方向，即主要是主線路斷路和PLC無(wú)輸出造成的故障，因此檢修故障分為主回路部分和控制回路部分。最后需要考慮電機(jī)自身故障。主回路部分造成該故障的主要有DXC（開斗接觸器）損壞、組合電阻0.9Ω部分電阻絲斷路、電機(jī)電樞繞組燒毀造成，這幾個(gè)部分使用萬(wàn)用表按順序測(cè)量即可排除這個(gè)主回路導(dǎo)致的故障，綜合多年維修經(jīng)驗(yàn)對(duì)照，開斗接觸器故障率相對(duì)電阻和電機(jī)來(lái)說(shuō)較低，一般多發(fā)生在電阻部分，但是當(dāng)電機(jī)使用多年限較長(zhǎng)時(shí)，或者反復(fù)維修使用多次后，電機(jī)的故障率就會(huì)升高，在此建議如果資金充足的情況下不要反復(fù)大修電機(jī)，應(yīng)一次性更換全新開斗電機(jī)，從而避免造成電機(jī)各部位故障率增高?？刂苹芈凡糠衷斐稍摴收系闹饕荘LC部分存在問(wèn)題。PLC故障分為兩個(gè)方面：一種情況是硬件故障，主要是輸出板故障，由于輸出板故障導(dǎo)致DXC不動(dòng)作，檢測(cè)手段為與其他輸出板互換位置，如果互換后該故障消失，則確定為板件故障，更換故障板件即可，如果故障還在，則是第二種情況PLC程序故障，這種程序故障不常見，一般為電池電量不足導(dǎo)致程序丟失造成，重新下載程序更換CPU電池即可恢復(fù)正常。程序丟失故障不常見，屬于偶發(fā)事件，一般電池可以堅(jiān)持10年左右，該故障一般最后考慮電池問(wèn)題。

5.3 有自卷無(wú)開斗故障

電鏟開斗系統(tǒng)有自卷無(wú)開斗故障是由于執(zhí)行開斗命令時(shí)開斗接觸器不動(dòng)作，開斗電機(jī)不得電，導(dǎo)致開斗鋼絲繩無(wú)法產(chǎn)生拉力拉動(dòng)開斗裝置。這個(gè)故障主要是由于控制回路問(wèn)題引起的，一是左主令控制器觸點(diǎn)損壞，主令控制器觸點(diǎn)故障需要使用萬(wàn)用表測(cè)量即可;二是PLC部分由輸入板故障或輸出板故障兩部分，參照5.2部分PLC處理辦法進(jìn)行解決;主回路上引起該故障的主要是DTC損壞，一般為觸點(diǎn)融化和線圈燒毀引起。

5.4 開斗不回位故障

造成開斗不回位故障的原因是直流接觸器DTC的觸點(diǎn)粘連，導(dǎo)致開斗電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流狀態(tài)，這個(gè)故障很少發(fā)生但是很危險(xiǎn)，一旦發(fā)生需要立即停機(jī)等待檢修修復(fù)，修復(fù)工作主要是更換DTC的觸點(diǎn)和滅弧罩。

6? 395BI電鏟開斗系統(tǒng)的缺點(diǎn)

395BI電鏟開斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)于20世紀(jì)70年代，采用當(dāng)時(shí)主流的直流系統(tǒng)，進(jìn)入90年代該套系統(tǒng)已經(jīng)逐步淘汰，主要是由于直流電機(jī)制造比較貴，有碳刷，與異步電動(dòng)機(jī)比較，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用維護(hù)不方便，而且要用配套直流電源，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)限制了直流電動(dòng)機(jī)體積和重量，同時(shí)電刷和換向器的滑動(dòng)接觸造成了機(jī)械磨損和火花，使直流電動(dòng)機(jī)的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護(hù)工作量大。尤其是開斗系統(tǒng)這樣長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)，大電流沖擊的工作狀況更加凸顯了直流電機(jī)的弊端。設(shè)備使用現(xiàn)場(chǎng)由于淘汰問(wèn)題引發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)的配件購(gòu)買十分困難，只能修復(fù)舊件復(fù)用，這就進(jìn)一步導(dǎo)致故障率增高，工作效率低下，維修維護(hù)費(fèi)用高，現(xiàn)場(chǎng)投入人力大。

7? 395BI電鏟開斗系統(tǒng)改造方向的建議

由于395BI電鏟現(xiàn)在使用的開斗電氣控制系統(tǒng)存在諸多不足，因此建議在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行全面徹底改進(jìn)。目前太重公司生產(chǎn)的WK系列電鏟均采用交流開斗系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)便宜，故障少，維護(hù)量小。如果實(shí)施395BI電鏟開斗系統(tǒng)改造建議以交流開斗系統(tǒng)為方向開展改造工作。改造后不但具備交流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，提高設(shè)備統(tǒng)一性，降低采購(gòu)費(fèi)用和采購(gòu)難度等。

8? 結(jié)語(yǔ)

395BI電鏟開斗電氣控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，通過(guò)工作中總結(jié)的故障現(xiàn)象為導(dǎo)引分析了各類導(dǎo)致該類故障現(xiàn)象的主要原因，其中還有很多不足之處，望在今后工作中繼續(xù)完善和補(bǔ)充，同時(shí)也希望其他維修技術(shù)人員多提寶貴意見。

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