WK-35 電鏟兩種集電環(huán)優(yōu)缺點分析

王柏春，高方欣，于寶青，李武杰

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 126000）

0 引言

隨著露天礦生產(chǎn)能力的增加，越來越多的大型電鏟被用于露天采礦生產(chǎn)中。神華北電勝利能源有限公司現(xiàn)有6 臺太原重工生產(chǎn)的WK-35 電鏟，用于土方剝離和原煤開采。這些電鏟均采用6 kV 交流電通過電纜提供動力。電鏟分為上部平臺和下部平臺，供電電纜安裝在下部平臺耦合器處，各個電氣設(shè)備大多安裝在上部平臺。在電鏟作業(yè)過程中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動作業(yè)，為了使下部平臺電纜給上部平臺供電不會把電纜扭傷，電鏟采用了集電環(huán)裝置。

1 集電環(huán)的概念

集電環(huán)也叫導(dǎo)電環(huán)、滑環(huán)、集流環(huán)、匯流環(huán)等。它可以用在任何要求連續(xù)旋轉(zhuǎn)的同時，又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳輸電源和信號的機(jī)電系統(tǒng)中?；h(huán)能夠提高系統(tǒng)性能，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免導(dǎo)線在旋轉(zhuǎn)過程中造成扭傷。

2 集電環(huán)在電鏟上的作用

WK-35 電鏟是用電能驅(qū)動各個電機(jī)使電鏟各部位運動，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。電鏟由上下兩個平臺組成，其中在上部平臺裝有提升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和推壓機(jī)構(gòu)，三者配合作業(yè)完成電鏟裝車任務(wù)；下部平臺裝有行走機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)電鏟的移動。集電環(huán)是電鏟重要的電氣裝置，它將外部電源通過集電環(huán)中的高壓環(huán)將電能傳送至上部平臺高壓開關(guān)柜、變壓器等電氣裝置后，通過PLC、矢量變頻器，控制上部平臺各個電機(jī)驅(qū)動各個機(jī)構(gòu)，再通過集電環(huán)將上部平臺變頻器的輸出電流通過集電環(huán)中低壓環(huán)部分通過六道環(huán)體將電能傳送到下部兩個行走電機(jī)，驅(qū)動左右兩個履帶的行走。通過低壓環(huán)中的三道環(huán)進(jìn)行行走氣路電磁閥的控制來使行走電機(jī)制動器打開或關(guān)閉，通過三道環(huán)對壓力開關(guān)進(jìn)行檢測已確定行走制動器的打開或關(guān)閉。電鏟行走電機(jī)為變頻電機(jī)，需要獨立風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷，集電環(huán)中有三道環(huán)體給行走電機(jī)風(fēng)機(jī)提供電源。由于電鏟在裝車作業(yè)的過程中會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，為了傳輸電源和信號并避免電纜的扭傷采用了集電環(huán)裝置。

3 集電環(huán)在電鏟上的種類

3.1 高低壓分離式

電鏟集電環(huán)有兩種，其一為高低壓分離式集電環(huán)（圖1），其中高壓環(huán)部分分為環(huán)體部分和集電靴部分，用于對6 kV 進(jìn)線電纜進(jìn)行電能的傳送。其中集電靴裝置安裝于下部平臺上，三相進(jìn)線電纜及接地線均安裝于集電靴上。當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)作業(yè)時，其與下部平臺均保持靜止?fàn)顟B(tài)。環(huán)體部分安裝于上部平臺上，三相環(huán)體與接地環(huán)體通過電纜連接到上部平臺高壓柜負(fù)荷開關(guān)上。當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)作業(yè)時上部平臺相對于地面繞中心軸轉(zhuǎn)動，集電靴內(nèi)電刷始終與環(huán)體進(jìn)行相對運動并且集電靴內(nèi)彈簧裝置使電刷不離開環(huán)體。外線電纜通過集電靴、高壓環(huán)體將電能供給到高壓柜。低壓部分可分為兩部分分別為刷架部分和環(huán)體部分，其中刷架部分有電刷、刷握、保持架等裝置。環(huán)體部分有6 道大環(huán)和8道小環(huán)通過絕緣裝置固定在一起，通過螺栓裝置將其固定于中心軸上。其中中心軸和下部平臺是過盈配合，這樣就保證了低壓環(huán)環(huán)體不動，當(dāng)電鏟旋轉(zhuǎn)作業(yè)時電刷繞著低壓環(huán)體繞動的同時將信號和動力傳輸?shù)较虏科脚_電機(jī)、電磁閥、壓力檢測開關(guān)上。

圖1 高低壓分離式集電環(huán)

3.2 高低壓環(huán)一體式

高低壓環(huán)一體式集電環(huán)作用與分體式集電環(huán)一樣，區(qū)別只是高壓環(huán)在上平臺，高壓環(huán)刷架固定于上平臺上（圖2）。高壓環(huán)體與低壓環(huán)體固定在一起在中心軸上，在設(shè)備回轉(zhuǎn)作業(yè)時高壓環(huán)體與低壓環(huán)體由于固定在中心軸上相對于下部平臺保持不動，刷架固定于上平臺隨上部平臺一起繞中心軸做旋轉(zhuǎn)運動。

圖2 高低壓環(huán)一體式

4 存在的問題

4.1 高低壓環(huán)分體式

高低壓環(huán)分體式集電環(huán)安裝于某廠2009 年生產(chǎn)幾臺電鏟上，隨著設(shè)備的運行，一些問題也都顯現(xiàn)出來。

（1）該種類集電環(huán)檢修困難，由于這種集電環(huán)設(shè)備上級沒有開關(guān)，在進(jìn)行高壓環(huán)維修檢查過程中必須斷開外界供電線路，過程非常繁瑣。由于高壓集電環(huán)在上部平臺和下部平臺的連接處的腔體內(nèi)，外部四周是回轉(zhuǎn)大齒圈，上部幾乎封閉，下部只有2 個直徑0.8 m 的圓孔供檢修人員檢修作業(yè)，在這樣一個半封閉環(huán)境下作業(yè)十分危險。

（2）由于回轉(zhuǎn)大齒圈需要潤滑，隨著設(shè)備的運行，集電環(huán)腔內(nèi)會有大量的潤滑油將電纜完全淹沒，存在安全隱患。且潤滑油變質(zhì)也有產(chǎn)生有毒有害氣體的可能，對進(jìn)入高壓環(huán)腔體檢修的維修人員存在人身傷害。在潤滑油的沁浸下，電纜容易老化變質(zhì)甚至短路，使設(shè)備在短時間內(nèi)不具備修復(fù)條件。

（3）電鏟在回轉(zhuǎn)作業(yè)時集電靴電刷與滑環(huán)相對滑動，隨著振動和時間的作用，電刷會發(fā)生偏離，如果未能及時發(fā)現(xiàn)會有相間短路的情況發(fā)生。更換集電靴非常耗時耗力，如果滑環(huán)發(fā)生損壞，設(shè)備在工作面將不具有短期修復(fù)條件，必須將上部平臺分解拆卸后，集電環(huán)修復(fù)完成后再進(jìn)行組裝，工期將不低于兩個月時間。而且設(shè)備無法移動，占據(jù)工作面空間，影響露天礦正常生產(chǎn)計劃。

4.2 高低壓一體式

高低壓一體式集電環(huán)由于整體在上部平臺，而且設(shè)有觀察窗。維修人員在檢查高壓環(huán)時只要打開外層觀察窗就可以觀察電刷與環(huán)體是否發(fā)生損壞。而且當(dāng)進(jìn)線電纜發(fā)生損壞或故障時只需將集電環(huán)整體進(jìn)行更換就能使設(shè)備恢復(fù)運行，工期只有2 d。

5 故障問題分析

5.1 集電環(huán)電纜接錯

故障流程：10 月25 日8：05，電鏟司機(jī)報行走逆變器故障，故障現(xiàn)象為行走逆變器無法工作。約8：20 司機(jī)說集電環(huán)部位出現(xiàn)明火，隨即使用滅火器進(jìn)行撲滅。

故障檢查：維修人員到達(dá)現(xiàn)場后，集電環(huán)部分燒蝕嚴(yán)重，各部電纜燒損嚴(yán)重，集電環(huán)本體不具備維修再利用條件。

故障處理：10 月28 日17：00，對集電環(huán)進(jìn)行更換，經(jīng)過長時間行走運行、回轉(zhuǎn)運行、挖掘測試，已具備正常生產(chǎn)條件。

故障現(xiàn)象：對拆卸下的集電環(huán)進(jìn)行細(xì)致檢查發(fā)現(xiàn)的問題有以下3 點：①集電環(huán)線路接線方式錯誤；②集電環(huán)中壓部分（電動機(jī)動力線），每道環(huán)體（動力線每相）上有4 組電刷，排列方式如圖3 所示。切換柜至集電環(huán)每相線為2 根95 mm2電纜，正常應(yīng)接入兩側(cè)刷窩固定螺栓上，進(jìn)行負(fù)載分流，實際接線情況為2 根均接入一側(cè)刷窩上，有單側(cè)刷窩沒有作用；③環(huán)體負(fù)載過大燒熔，其中最上一道環(huán)體檢查后發(fā)現(xiàn)環(huán)體有熔化現(xiàn)象，呈水滴狀凝結(jié)。

圖3 集電環(huán)中壓部分電刷排列方式

故障分析：結(jié)合發(fā)現(xiàn)的具體問題對故障進(jìn)行分析，應(yīng)為接線方法不對導(dǎo)致集電環(huán)每道環(huán)體載流量均較大，其中最上一道環(huán)體電刷最先發(fā)生接觸不良引起電拉弧，在發(fā)生電拉弧后（類似電焊），拉弧面積在短時間內(nèi)迅速擴(kuò)大使環(huán)體熔化，高溫銅液滴落至集電環(huán)底部與中心軸連接的法蘭盤上引燃中心軸排出的潤滑油，在持續(xù)燃燒的過程中，對本身已經(jīng)受損的底部環(huán)體刷窩支撐桿絕緣皮造成進(jìn)一步燒蝕，令其收縮碳化。第5 道環(huán)體電刷進(jìn)一步下沉與第6 環(huán)體短路產(chǎn)生了變頻器過流故障。

5.2 中心軸間隙調(diào)整有誤，集電環(huán)電刷斷裂

故障流程：5 月15 日11：10，電鏟司機(jī)報行走制動器無法打開。

故障檢查：維修人員到達(dá)現(xiàn)場后，檢查發(fā)現(xiàn)集電環(huán)體電刷斷裂，中心軸間隙過大。

故障處理：通過中心軸螺母對中心軸間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，之后對已經(jīng)損壞的電刷進(jìn)行更換。

故障分析：高低壓環(huán)分體式集電環(huán)在運行的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)電刷斷裂的情況發(fā)生，由于低壓環(huán)中的環(huán)體與中心軸是通過螺栓連接，與中心軸處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。而中心軸通過電鏟上部平臺中心孔通過超級螺母固定于上部平臺，在電鏟運行過程中相對于中心軸做旋轉(zhuǎn)運動，但是隨著運動和振動的過程中，中心軸超級螺母會發(fā)生反松的情況，導(dǎo)致上部平臺不會按照嚴(yán)格的平面做旋轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致在電鏟挖掘作業(yè)的過程中產(chǎn)生一個垂直的運動。這個運動會帶動刷架以至于碳刷做垂直運動卡在2個環(huán)體之間，導(dǎo)致電刷斷裂，與上面環(huán)體短路。

6 集電環(huán)防扭傷裝置的應(yīng)用

由于電鏟工作過程中集電環(huán)與下部平臺脫離后，電鏟沒有報警系統(tǒng)，操作者并不能及時發(fā)現(xiàn)，電鏟在旋轉(zhuǎn)的過程中會對中心軸內(nèi)電纜、油氣管路造成扭傷。如果對中心軸內(nèi)電纜造成扭傷形成短路或接地，油氣管路漏氣、漏油等情況必須進(jìn)行維修處理。按照維修工藝流程則需要將集電環(huán)上方機(jī)棚頂拆除，集電環(huán)所有連接電纜拆除后，將集電環(huán)吊出，再對其更換電纜后按步驟進(jìn)行回裝，工期將不少于2 d。

要保證中心軸內(nèi)電纜和油氣管路不被扭傷，關(guān)鍵是要保證集電環(huán)環(huán)體與中心軸保持相對靜止。集電環(huán)環(huán)體與中心軸連接是通過中心軸螺母連接，環(huán)體固定部分的兩穩(wěn)銷與中心軸螺母間隙配合。故障發(fā)生一般是集電環(huán)兩穩(wěn)銷斷裂或拉筋斷裂，導(dǎo)致集電環(huán)與上下平臺發(fā)生相對位移。因此需要檢測集電環(huán)與固定部位的同步性，并且要實現(xiàn)下平臺及其連接部分的檢測，檢測線必須通過集電環(huán)備用環(huán)中的兩環(huán)來實現(xiàn)，并且要挑選適宜的位置檢測傳感器來適應(yīng)監(jiān)測部位狹小的空間。

7 實施方案

將限位開關(guān)安裝于中心軸頂端，監(jiān)控中心軸與集電環(huán)環(huán)體固定銷與中心軸是否同步，并將限位開關(guān)檢測點輸入至PLC。并且在程序中設(shè)備延時停機(jī)處串聯(lián)此信號常閉點，當(dāng)集電環(huán)環(huán)體固定銷與中心軸發(fā)生相對移動時，程序控制設(shè)備延時停機(jī)，并通過輸出點聲光報警，使駕駛司機(jī)第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。

8 結(jié)語

集電環(huán)是電鏟等電能驅(qū)動旋轉(zhuǎn)作業(yè)設(shè)備的必要裝置，在電鏟設(shè)備運行的過程中兩種形式的集電環(huán)也各自體現(xiàn)出了其中的優(yōu)點與缺點。但是總體從安全性和穩(wěn)定性來說，高低壓環(huán)一體式集電環(huán)較分體式集電環(huán)優(yōu)點更多，更適合在電鏟上使用。