礦井提升機(jī)直流電機(jī)異常振動(dòng)故障分析

安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司 賀祥洪

針對(duì)礦井提升機(jī)直流電機(jī)存在的異常抖動(dòng)問(wèn)題，以控制原理入手，分析了造成抖動(dòng)的可能原因，對(duì)每個(gè)可能原因進(jìn)行逐個(gè)驗(yàn)證，最終找出根本原因并予以解決，對(duì)其他礦井提升機(jī)直流電機(jī)出現(xiàn)同類故障有借鑒意義。

安徽某鐵礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能750萬(wàn)噸/年，3條主井提升礦石，每條主井提升礦石250萬(wàn)噸/年，3條主井提升機(jī)均為中信重工生產(chǎn)的多繩摩擦式提升機(jī)JKM4×6，電控系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、閘控系統(tǒng)由ABB公司整套提供。近期，1#主井正常模式全速上行下行，減速時(shí)提升機(jī)會(huì)偶爾產(chǎn)生異常振動(dòng)，振動(dòng)次數(shù)多數(shù)在1～5次的范圍內(nèi)；當(dāng)箕斗運(yùn)行速度降低后，同樣的行程提升機(jī)振動(dòng)頻率、頻數(shù)有明顯減少趨勢(shì)；同樣的箕斗運(yùn)行條件下，提升機(jī)上提、下放過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)出現(xiàn)頻率與頻數(shù)并無(wú)明顯規(guī)律可循。針對(duì)該問(wèn)題，筆者從振動(dòng)產(chǎn)生的原理入手，深入分析故障產(chǎn)生的原因，提出了解決措施。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

3條主井提升機(jī)配套主電機(jī)均選用上海電機(jī)廠生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)型號(hào)：ZKTD315/56，額定功率2400kW、額定電流3379A、額定電壓800V、額定轉(zhuǎn)速48rpm，該電機(jī)為低速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與提升機(jī)主軸直聯(lián)。傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB公司DCS800直流傳動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)采用ABB公司整套制動(dòng)系統(tǒng)。

2 原因分析

ABB電控系統(tǒng)作為提升機(jī)的控制核心，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)位置控制、速度控制和各項(xiàng)安全保護(hù)等。將運(yùn)行指令下達(dá)給傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速。將施閘、敞閘指令下達(dá)給閘控系統(tǒng)，通過(guò)閘控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的工作制動(dòng)和緊急制動(dòng)。

DCS800直流傳動(dòng)系統(tǒng)是ABB生產(chǎn)的用于直流電機(jī)電樞和勵(lì)磁供電控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，具有自己獨(dú)立的計(jì)算機(jī)處理器，其性能優(yōu)良、可靠性高，功率范圍大，單硅輸出能可達(dá)5200A。在控制上可以自由編程，既可實(shí)現(xiàn)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)和電樞電流調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)控制，也可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的12脈動(dòng)并聯(lián)控制、12脈動(dòng)串聯(lián)控制和12脈動(dòng)順序控制、主從控制等。具有自己獨(dú)立的脈沖輸入模塊，用于處理電機(jī)的軸編碼器輸出的脈沖信號(hào)，進(jìn)行速度控制?？赏ㄟ^(guò)MoudleBus光纖現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)和提升控制PLC系統(tǒng)之間的通訊。將提升控制PLC的運(yùn)行控制指令傳送至DCS800變流器，同時(shí)變流器的主要運(yùn)行信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)也將傳送到提升控制PLC，用于提升機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控及保護(hù)。

ABB閘控系統(tǒng)滿足各種相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及中國(guó)《煤礦安全規(guī)程》和《金屬及非金屬礦山安全規(guī)程》（2020）規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙獨(dú)立回油油路。靜態(tài)制動(dòng)安全系數(shù):≥3倍的最大靜張力差，安全制動(dòng)減速度：1.5m/s2≤a≤5m/s2。在各種載荷和提升狀態(tài)下的無(wú)滑繩設(shè)計(jì)。具有恒減速和恒力矩安全制動(dòng)。系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試和監(jiān)測(cè)重要液壓閥和儲(chǔ)能器的功能。友好的人機(jī)界面，顯示系統(tǒng)各種重要參數(shù)，如：油壓、閘氣隙、彈簧疲勞、油位、油溫、制動(dòng)狀態(tài)、故障信息等，并可方便地進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

2.1 電氣原因分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)提升機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀及分析運(yùn)行趨勢(shì)圖后，對(duì)電機(jī)抖動(dòng)的原因提出以下判斷：（1）可能是由于主控編碼器反饋到主控的脈沖量有誤差；（2）傳動(dòng)系統(tǒng)速度給定存在問(wèn)題；（3）由于滑繩造成滾筒受力不均勻造成提升機(jī)抖動(dòng)；（4）電機(jī)本身存在問(wèn)題（氣隙間隙小、地腳螺栓松動(dòng)等）。

由于對(duì)編碼器反饋的信號(hào)是否準(zhǔn)確及編碼器電源電壓本身是否波動(dòng)不確定，所以決定對(duì)編碼器電源模塊B101.21（SD823）進(jìn)行更換及對(duì)編碼器接線盒至主控柜線纜進(jìn)行更換，故障未解除仍有波動(dòng)，測(cè)試完成后將編碼器至主控柜線纜恢復(fù)，電源更換為新電源。更換舊測(cè)速電機(jī)，故障未解除。排除編碼器外部線路后，考慮到可能是DP820和PE1315模塊給到主控的信號(hào)不準(zhǔn)確，隨后對(duì)這兩個(gè)模塊故障更換及對(duì)所有的控制柜外部端子進(jìn)行緊固（排除虛接），更換完畢后，動(dòng)車(chē)測(cè)試故障未解除。

在排除以上原因后，考慮到可能是傳動(dòng)柜可控硅（晶閘管）引起的電流波動(dòng)，隨后用示波器對(duì)傳動(dòng)柜可控硅的門(mén)極觸發(fā)電流波形進(jìn)行檢測(cè)，波形趨勢(shì)正常無(wú)問(wèn)題（可控硅阻值均在12～13Ω之間）。排除可控硅的原因后，對(duì)可控硅的觸發(fā)板（Y1、Y2柜PIN48觸發(fā)板共四個(gè)，Y1、Y2柜電路板（IOB-3））進(jìn)行更換，故障未解除。更換Y1柜傳動(dòng)主控板（CON-4）。以上工作完成后，排除傳動(dòng)柜硬件原因造成的電機(jī)抖動(dòng)。示波器波形圖如圖1所示。

圖1 示波器波形圖

對(duì)滑繩保護(hù)程序段（P53/C7/3）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，程序監(jiān)控滑繩范圍在誤差范圍內(nèi)，故排除滑繩原因。滑繩保護(hù)程序段圖如圖2所示。

圖2 滑繩保護(hù)程序段圖

使用Drivelwindow軟件對(duì)提升機(jī)運(yùn)行曲線進(jìn)行抓捕和分析，根據(jù)曲線時(shí)域可以看出，速度給定在電機(jī)力距變化之后，編碼器隨后根據(jù)給出的相應(yīng)速度反饋脈沖對(duì)變流器的電流進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，說(shuō)明傳動(dòng)本身沒(méi)有問(wèn)題。提升機(jī)運(yùn)行曲線圖如圖3所示。

圖3 提升機(jī)運(yùn)行曲線圖

對(duì)主電機(jī)電樞繞組、勵(lì)磁繞組絕緣阻值進(jìn)行測(cè)量，對(duì)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)值均在正常范圍內(nèi)，故排除電機(jī)本身的原因造成電流異常波動(dòng)。

2.2 機(jī)械原因分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量編碼器側(cè)軸承座軸承外套與主軸同軸度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)編碼器側(cè)軸承座及主軸偏斜。在打開(kāi)編碼器側(cè)軸承座檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)主軸上小齒輪存在松動(dòng)現(xiàn)象，緊固之后故障未解除，說(shuō)明可能的機(jī)械故障并不止此一處；考慮主軸在軸承座上的偏斜情況，合理懷疑因主軸或軸承座偏斜導(dǎo)致內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)磨損達(dá)到一定程度，影響了傳動(dòng)的穩(wěn)定性進(jìn)而導(dǎo)致故障。對(duì)軸承座和主軸進(jìn)行找正后，故障解除。

結(jié)語(yǔ)：由于編碼器側(cè)軸承座安裝位置偏斜，導(dǎo)致軸承外套與主軸的相對(duì)位置偏斜，進(jìn)而導(dǎo)致軸承外套及軸承內(nèi)齒輪磨損超限，導(dǎo)致傳動(dòng)過(guò)程中的偶發(fā)性失效引起編碼器速度信號(hào)檢測(cè)遲滯。以空箕斗下放為例，當(dāng)運(yùn)行到減速段時(shí)電機(jī)電流開(kāi)始減小，編碼器檢測(cè)到的速度信號(hào)始終為主軸前一階段的速度信號(hào)，從而導(dǎo)致給定電流與實(shí)際速度不匹配，電流降得過(guò)多；為滿足給定速度又再次快速升電流，就會(huì)產(chǎn)生電流波動(dòng)，從而造成異常振動(dòng)。在礦井提升機(jī)故障分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)從原理入手，考慮電氣、機(jī)械等多方面原因，才能快速判斷故障原因，及時(shí)解決問(wèn)題。