變頻調(diào)速系統(tǒng)挖掘機(jī)提升機(jī)構(gòu)失控故障淺析

鮑志明

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

近年來，低碳環(huán)保的綠色發(fā)展理念越來越深入人心，各個(gè)國家都制定了相應(yīng)的發(fā)展路線和時(shí)間表，以如期達(dá)到預(yù)定目標(biāo)［1］。作為2020年經(jīng)濟(jì)體量排名全球第二的大國，我國也制定了適應(yīng)具體國情的碳達(dá)峰碳中和政策，這是我國實(shí)現(xiàn)綠色高質(zhì)量發(fā)展的必然要求，是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革［2］。

以此為引導(dǎo)，各行各業(yè)都將綠色低碳作為發(fā)展的主旋律［3］。在露天礦山的開采中，作為核心設(shè)備之一的WK系列電鏟，素來以使用綠色電能、能效利用率高以及零排放而備受青睞，成為國內(nèi)國際露天礦山開采的首選設(shè)備［4］。設(shè)備的實(shí)際使用中，其可動(dòng)率直接關(guān)系到整個(gè)礦山的產(chǎn)能［5］。因此，電鏟的日常維護(hù)保養(yǎng)就顯得格外重要。針對偶發(fā)的提升機(jī)構(gòu)失控故障，雖然發(fā)生概率極低，但一旦出現(xiàn)，往往會(huì)對電鏟本身以及周邊輔助設(shè)備造成一定的危害。所以，如何預(yù)防以及出現(xiàn)該故障后如何分析，對日常維護(hù)保養(yǎng)具有很大的指導(dǎo)意義［6］。

2 挖掘機(jī)提升機(jī)構(gòu)

WK系列電鏟由提升、推壓、回轉(zhuǎn)和行走四大機(jī)構(gòu)組成。其中提升和推壓機(jī)構(gòu)在一個(gè)挖掘循環(huán)中通過司機(jī)的操作互相配合，控制鏟斗沿物料自下而上形成切削運(yùn)動(dòng)，完成物料的剝離和裝載。裝載完成后借助回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)上車平臺(tái)，將鏟斗轉(zhuǎn)至自卸車上方卸貨。作為主要的工作機(jī)構(gòu)，提升機(jī)構(gòu)由2臺(tái)電機(jī)通過減速箱剛性連接，共同驅(qū)動(dòng)提升卷筒。提升鋼絲繩纏繞在提升卷筒的繩槽內(nèi)，控制鏟斗上下運(yùn)動(dòng)。每臺(tái)提升電機(jī)的非傳動(dòng)軸端均裝有盤式制動(dòng)器，提升機(jī)構(gòu)處于抱閘狀態(tài)時(shí)，依靠2個(gè)獨(dú)立工作的盤式制動(dòng)器產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力矩將鏟斗制動(dòng)。盤式制動(dòng)器采用氣動(dòng)控制，氣路上按順序裝有減壓閥和電磁閥，減壓閥用于降低氣路的氣壓至合適范圍，電磁閥用于控制氣路的通斷。當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，通過抱閘附近安裝的快速排氣閥將氣體迅速排出，從而達(dá)到快速制動(dòng)的效果。提升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

工作過程中，提升機(jī)構(gòu)需要在行程范圍內(nèi)頻繁的加速減速，輸出轉(zhuǎn)矩也隨外界負(fù)載和主令給定時(shí)刻變化；當(dāng)挖貨過程中遇到爆破不充分的大塊巖石，或者上方掉落的大塊物料時(shí)，提升機(jī)構(gòu)會(huì)受到突發(fā)的大載荷沖擊。因此，提升機(jī)構(gòu)的負(fù)載情況復(fù)雜多變，波動(dòng)范圍較大。

兩臺(tái)700kW提升電動(dòng)機(jī)由兩臺(tái)1000kW逆變器驅(qū)動(dòng)，由于兩臺(tái)提升電機(jī)間存在機(jī)械耦合，所以兩臺(tái)逆變器之間采用轉(zhuǎn)矩主從控制方式，其中主裝置（MASTER）為速度控制，從裝置（SLAVE）為轉(zhuǎn)矩控制，這樣提升機(jī)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)速度控制，又保證兩臺(tái)電機(jī)間的出力均衡。電動(dòng)機(jī)控制特性曲線如圖2所示，從交直流控制特性曲線的包絡(luò)面積可知，變頻調(diào)速較直流調(diào)速具有更高的作業(yè)效率。

圖2 提升電動(dòng)機(jī)控制特性曲線

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理

變頻調(diào)速其優(yōu)越的調(diào)速性能和交流電動(dòng)機(jī)的高可靠性注定了它將逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為電氣調(diào)速的主力軍。礦用挖掘機(jī)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)也將是技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果；太原重工已經(jīng)對WK-4、8、12、20、27、35、55、75等進(jìn)行了全系列變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

整流單元、公用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)簡圖見圖3。

圖3 AFE整流回饋單元、公用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)簡圖

4 失控故障原因分析

電鏟屬于大型設(shè)備，露天使用，工作環(huán)境比較惡劣，工況也很復(fù)雜。所以，在經(jīng)過十?dāng)?shù)年的長期運(yùn)行后，設(shè)備上的各種元器件會(huì)不可避免的出現(xiàn)不同程度的老化和磨損現(xiàn)象，進(jìn)而引起相應(yīng)的故障。因此，根據(jù)不同的故障原因，分為電氣故障和氣路故障兩大類。

4.1 電氣故障

提升電機(jī)在電氣系統(tǒng)中采用帶速度傳感器的閉環(huán)控制，將主令給定和速度反饋的差值作為速度環(huán)的有效輸入。因此，速度傳感器信號(hào)是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到控制系統(tǒng)能否輸入真實(shí)的速度偏差，從而有效的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定。實(shí)際運(yùn)行中，由于露天礦山的粉塵較大，粉塵中的金屬微粒在密封逐漸老化的過程中，不斷地在速度傳感器的感應(yīng)探頭上聚集，日積月累，造成速度傳感器的反饋波形失真。通常情況下的方波此時(shí)通過示波器顯示，會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)數(shù)個(gè)無法被逆變器確認(rèn)為方波的波形。逆變器的輸出電流脈沖頻率通常在1.25kHz，即800μs一個(gè)電流方波輸出。因此，在速度傳感器出現(xiàn)畸變方波的時(shí)間段內(nèi)，逆變器輸出的數(shù)個(gè)電流脈沖無法確保電機(jī)控制的有效性，視為造成失控的一種可能原因。

另外，目前主流的電機(jī)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，速度傳感器通常經(jīng)過一個(gè)特定的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳遞至逆變器主控單元。因此，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、連接主控單元的通訊電纜都有可能成為故障點(diǎn)。該種類型的故障可以通過元件更換排查。

同時(shí)，連接速度傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的電纜也需要特別注意。首先在設(shè)備施工時(shí)，需要保證強(qiáng)電弱電分開布置，規(guī)范施工，不同類別的電纜分別布置在各自的線槽內(nèi)，通過金屬線槽也能起到相當(dāng)?shù)碾姶牌帘喂δ堋Ｆ浯涡枰x擇屏蔽電纜，多芯雙絞電纜為最佳選擇，可以有效抵消共模干擾。屏蔽層的布置也很關(guān)鍵，電機(jī)側(cè)通常接在接地端子上，柜內(nèi)一側(cè)，最佳選擇是接地銅排，通過銅排的低電阻接地回路，最大程度釋放耦合電流，避免耦合磁場對反饋信號(hào)的干擾。

4.2 氣路故障

提升機(jī)構(gòu)抱閘裝置采用氣動(dòng)控制的盤式制動(dòng)器，按照電鏟工藝，制動(dòng)器在兩種情況下投入運(yùn)行產(chǎn)生制動(dòng)力：司機(jī)按下抱閘按鈕或發(fā)生電氣故障時(shí)自動(dòng)緊急抱閘。司機(jī)操作時(shí)電鏟一般為空斗狀態(tài)，而緊急制動(dòng)可能發(fā)生在任何時(shí)間段內(nèi)，包括剛挖滿貨時(shí)的滿斗狀態(tài)。因此，機(jī)械抱閘的一個(gè)重要功能在于電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，作為設(shè)備的最后一道安全屏障，其重要性不言而喻。

為監(jiān)測抱閘的摩擦盤是否過度磨損，通常在動(dòng)盤上安裝一個(gè)微動(dòng)開關(guān)，其行程在出廠前經(jīng)過校準(zhǔn)，摩擦盤的厚度降低到一定程度后，微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，向控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，及時(shí)提醒維護(hù)人員進(jìn)行更換。當(dāng)微動(dòng)開關(guān)出現(xiàn)卡死，或經(jīng)過更換二次校調(diào)不準(zhǔn)確時(shí)，會(huì)造成抱閘無法產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力。這種情況在司機(jī)操作時(shí)一般較難發(fā)現(xiàn)，會(huì)被誤判定為抱閘狀態(tài)正常，一旦出現(xiàn)滿斗時(shí)緊急制動(dòng)的情況，才會(huì)被操作人員發(fā)現(xiàn)。

干燥柜、減壓閥和電磁閥的工藝配合也是一個(gè)重要因素。通常主氣路系統(tǒng)的氣壓在9～13bar范圍內(nèi)波動(dòng)，經(jīng)過提升抱閘減壓閥后，氣壓穩(wěn)定在6.5bar。該氣壓值在電磁閥正常工作范圍內(nèi)，可以保證斷電后電磁閥可靠關(guān)斷。設(shè)備經(jīng)過十?dāng)?shù)年運(yùn)行后，減壓閥存在失效風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)，電磁閥的工作氣壓會(huì)超過額定值，容易造成不定期的關(guān)閉失效甚至電磁閥閥芯損傷。該種故障現(xiàn)象較為隱蔽，常規(guī)檢查難以發(fā)現(xiàn)。在潮濕環(huán)境下，空壓機(jī)提供的壓縮空氣中會(huì)存在微量水汽，當(dāng)水汽附著在電磁閥閥芯上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的腐蝕作用，日積月累，腐蝕程度越來越明顯，將造成電磁閥無法可靠關(guān)斷。寒冷地區(qū)，氣路系統(tǒng)中應(yīng)及時(shí)添加防凍液，防止可能的水汽結(jié)冰。當(dāng)冰?？ㄔ陔姶砰y的閥芯內(nèi)部時(shí)，同樣會(huì)造成不定期的關(guān)閉失效。

另外，抱閘附近安裝的快速排氣閥也應(yīng)定期檢查。由于電鏟工作在露天礦山環(huán)境中，各種粉塵及顆粒的長期聚集容易造成排氣不暢，從而使抱閘無法及時(shí)關(guān)閉。該故障通常表現(xiàn)為制動(dòng)力不足，尤其是滿斗制動(dòng)時(shí)，鏟斗會(huì)自行下落一段距離，對抱閘的摩擦盤造成過度磨損。

5 結(jié)論

通過上述故障原因分析，電鏟在日常維護(hù)保養(yǎng)中，除了常規(guī)點(diǎn)檢外，還應(yīng)采取一些針對性的措施：

（1）電氣方面，根據(jù)現(xiàn)場工況每隔兩至三個(gè)月檢查電機(jī)速度傳感器探頭是否有金屬粉末聚集。一旦發(fā)現(xiàn)，應(yīng)對電機(jī)密封進(jìn)行處理?？刂乒駜?nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)保持清潔，防止帶電粉塵累積；

（2）氣路方面，首先確保氣路元件的完整，尤其是減壓閥的正常工作。冬季低溫時(shí)保證氣路系統(tǒng)防凍液及時(shí)添加，干燥柜以及自動(dòng)排水閥正常運(yùn)行。

雖然電鏟出現(xiàn)故障的具體原因和表現(xiàn)千差萬別，但根據(jù)基本原理和工藝，出現(xiàn)故障后進(jìn)行細(xì)致的排查和推斷，總能發(fā)現(xiàn)蛛絲馬跡找到問題原因。針對不同的原因，在維護(hù)中著重采取措施預(yù)防，就能取得良好的效果。