機械改造引起的提升機電氣故障原因分析與排除

周 勇

(銅陵有色銅冠能源科技有限公司， 安徽銅陵市 244000)

1 系統概述

金屬礦山主井承擔著礦、廢石及部分檢修材料的提升運輸任務，作為咽喉要道設備，主井提升機能否安全高效可靠運行對礦山生產與安全關系重大。

安慶銅礦主井提升機1991年初投入使用，設計生產能力為年提升礦廢石120萬t。系統由北京有色設計院設計，機械部分由中信重機洛陽礦山機械廠生產，主電機是上海電機廠生產的直流低速直聯電機，電控系統全套從ABB公司引進，提升機為多繩落地摩擦式，型號為JKMD－4×4，提升方式為箕斗、平衡錘提升。由于電控系統老化、備件供應困難、維護成本增高等問題，礦山在2003年3月份對該主井提升機電控系統進行了升級改造，改造后的系統配置如圖1所示。

圖1 電控系統配置

2 提升機主軸裝置改造

2.1 改造的原因

由于礦山生產任務重，長期滿負荷運行，提升機閘盤偏擺量超過規定標準值，先后于2002年、2004年更換過兩套閘盤，但是更換后效果都不理想，期間技術人員和制造廠家先后采用車削、火焰校正、墊片調整等多種方法進行校正，仍然不能滿足安全要求。經過分析，主要原因是:該提升機主軸裝置卷筒結構較為特殊，使用多年造成閘盤裝配止口變形。改造前偏擺值為監控器側2.1 mm，電機側2.5 mm，為確保主井提升機安全運行，礦山決定對提升機主軸進行整體改造。

2.2 改造內容

委托中信重機洛陽礦山機械廠生產一套新的主軸裝置，加大主導輪強度，增加制動盤厚度，更換主電機備用轉子，經相關設計院和生產廠家驗算，增加約6 t變位重量不影響提升機的安全和能力，具體改造內容和原則如下。

(1)利用原主軸裝置軸承座、軸承上蓋及地腳螺栓，制動器及制動器底座仍用原有的。

(2)主軸與電機錐面配合部位的尺寸仍與改造前的尺寸完全相同，以便安裝電機。

(3)摩擦輪采用低合金全焊接整體結構，該部件由筒殼、左右輻板、左右輪轂、支環、擋繩板焊接而成，筒殼內焊有支環來加強整個筒殼的剛度。

(4)摩擦襯墊采用高性能摩擦襯墊，許用摩擦系數大于0.25，固定塊、壓塊由鋁合金改為酚醛樹脂，減輕轉動慣量。

(5)主軸承采用SKF調心滾子軸承，和原有型號一樣。

(6)制動盤與摩擦輪采用可拆式結構對稱雙閘盤，即閘盤做成兩半，用雙排高強度螺栓與摩擦輪聯接，成對裝在摩擦輪上，采用大平面摩擦副來傳遞力矩，制動盤與摩擦輪之間有配合止口作徑向定位，原設計為單排高強度螺栓，厚度由33 mm加厚到41.5 mm，兩半閘盤之間用鍵作軸向定位。

(7)由于現場條件有限，經過仔細測算，卷筒、主軸及軸承由中信重工出廠前裝配好，用專用車輛運輸到礦山，受外形尺寸限制，閘盤到現場安裝。

(8)為縮短檢修周期，減少停產時間，改造前將備用電機轉子運到上海電機廠維護保養，更換新主軸裝置時，安裝備用轉子。

3 故障現象

經過近兩年周密的論證和準備，多次優化改造施工方案，在有關單位的支持配合下，安慶銅礦主軸裝置改造于2010年10月份歷時兩周順利完成，消除了閘盤偏擺大的重大隱患。

提升機改造完成經電氣調試正常后投入運行，調試時加減速、制動、穩定性和跟隨性等各方面指標均正常。但隨后出現了啟動困難、低速抖動、傳動系統頻繁報故障和主電機換向器火花大且持續惡化、碳刷損耗快等異常現象，提升機不能正常工作，給礦山正常生產經營帶來很大威脅。

傳動系統故障發生在提升機啟動開車時，電樞電流上下大幅度擺動，電機發出巨大的哼聲，伴隨著設備基礎地坪的震動，提升機鋼絲繩抖動，提升機向重力方向運行，如果不手動停車，這種狀況持續6～8 s后提升機保護急停，傳動控制系統DCS600顯示CURR RIPP(電流波動)和SPD MEAS(速度測量故障)，同時主傳動報SLAVE DIS(從傳動故障)。

考慮到改造更換的轉子是原先的備用轉子又經過原廠家的檢測和加工，碳刷是原廠家指定的品牌和型號，運行之初有點火花也很正常，經過幾天的運行磨合就應該又所好轉;但事實恰好相反，火花越來越大且不斷惡化，特別是啟動和加速階段，一些碳刷下有舌狀火花飛出，伴有嗤嗤響聲，火花等級介于2～3級間，大有形成環火之勢，碳刷也磨損嚴重，是平時損耗的10倍以上，原先正常生產時碳刷40～50 d左右才會依次更換一次，但故障時3～5 d就要更換。

傳動系統故障類似于老式提升機的“不啟動”和“系統振蕩”，發生時間沒有規律，有時是3～4 d都正常，但有時一個小班(8 h)會發生幾次，甚至有時連續發生，根本無法開車，在更換電路板、電纜和其他元器件或更改部分參數等故障排除措施后，提升機又能正常運行，但間隔不久故障就會重新出現。

4 故障原因分析與排除

4.1 傳動系統故障

因為機械改造完成后的電氣調試十分正常，剛開始發生啟動困難、低速抖動等傳動系統故障時，維修人員根據DCS600所報的電流波動和速度測量故障，首先檢查了電流互感器和速度反饋用的脈沖編碼器及其回路，更換了DCS600的輸出輸入板IOB－22;其次因為主傳動老是報從傳動故障，維修人員更換了從傳動的測量板PIN－51、觸發脈沖板PIN－41和主控板C0N－2，更換了從傳動柜的6只可控硅，取消了對應的6只脈沖變壓器，重新校對了主從傳動控制間的控制扁平電纜和通訊光纖，雖然沒有發現問題，但為了徹底排除隱患都進行了更換;最后檢查了整流變壓器、平波電抗器和整流橋的阻容保護回路，利用DriveWindow軟件對傳動系統的轉矩、電流限值、PID比例微分積分等參數進行了優化。在采取每一個措施后故障確實消失了，但如前文所言，間隔不定時間后故障又會重新出現。

4.2 電機火花大故障

改造完成后剛生產時，電機火花雖有但不大，但其后出現碳刷磨損程度異常和火花快速增大的現象。因此進行一系列詳細的檢測。

(1)電機定轉子氣隙數據測量。檢測非換回器端，正常氣隙大小為7.0±0.05 mm，檢測結果如下:0～12主極 7.2 mm，1～2主極 7.3 mm，2～3主極6.05 mm，3 ～4 主極6.05 mm，4～5主極6.05 mm，8～9主極7.85 mm，9～10主極8.0 mm，10～11主極8.4 mm，11 ～12 主極7.9 mm，其中主極的標號為電刷的編號，5～8主極因場地所限無法測量。

(2)刷盒與換向器之間的距離。正常值為2.5±0.5 mm，檢查了7個，檢測結果是:1號電刷4.5 mm，2號電刷，5.5 mm，3 號電刷 7 mm，9 號電刷 4.5 mm，10 號電刷，3.5 mm，11 號電刷 4.5 mm，12 號電刷4 mm。

(3)換向器的擺動檢測數據為:2號電刷最外端0.62 mm，最里端0.56 mm;12號電刷最外端(為12組電刷最靠外的一個電刷)0.66 mm。

主極與轉子之間的氣隙最大的地方是換向器擺動較大的部位，8～12號碳刷磨損也最快，通過上面3項檢測和數據分析可知，轉子不在氣隙中心，電刷不在中性位置，電機的轉子是斜的，造成這種狀況的原因可能有兩點:一是電機在安裝時轉子沒裝到位，使轉子內圓的錐度與主軸外圓的錐度配合不好;二是新的轉子內圓錐度與主軸外圓的配合存在偏差。

造成換向器表面火花原因有幾個方面:換向器橢圓度、同心度和平整光潔度等方面存在瑕疵;電刷表面接觸不好;刷架中心位置不對。其中換向器偏心是產生換向器表面火花的主要原因。

造成電刷磨損不一致的原因有兩點:換向器表面擺動大;刷盒與換向器表面距離過大。

4.3 原因分析

從氣隙數據可以推斷傳動軸因主導輪受力和中間軸承間隙原因存在向井筒方向偏移1 mm左右的可能;刷架經過多次檢修也發生了變形且不在中心位置;換上去的備用轉子因運輸和10 a之久的儲存等方面的原因致使換向器偏心;裝配精度或加工精度存在偏差造成轉子在定子磁場氣隙中是傾斜的。這4個方面造成了提升機的啟動困難和電機火花大，而換向器表面擺動大就會加速碳刷磨損，碳刷磨損不一必然造成火花進一步增大，形成惡性循環。

4.4 采取的措施

(1)對電機定子上下兩部分進行微調，盡可能使轉子處于氣隙中心。(2)用感應法重新測定電刷中性位置并調整。(3)調整刷架與換向器之間的距離至標準距離2.5+0.5 mm。

(4)將原先一個刷盒內的兩片碳刷更換為整體碳刷，增大碳刷與換向器的接觸面。

(5)對換向器進行輕微撓溝和倒棱，將換向器的端面銼圓，徹底清除片間遺留的金屬屑或毛刺，增加換流的平滑度。

(6)優化部分傳動系統參數。

5 實際效果和體會

改造后上述兩個電氣故障的出現，使主井提升機不能正常生產，全礦生產陷入了被動。礦山邀請了ABB電控專家和上海電機廠的技術人員到礦指導，減少了走彎路的可能，縮短了故障排除時間。通過理論分析和集思廣益，廠礦技術人員進行了認真排查，逐步扭轉了故障惡化趨勢，在采取相應的措施后，使啟動困難的傳動系統故障逐漸消失，電機火花也在可控范圍內，保障了礦山的正常生產。三年多時間過去，主井提升機這兩個故障再也沒有出現，充分證明了當初判斷和處理的正確。

通過對上述兩個提升機故障的原因分析及其排除，筆者有如下的體會。

(1)一個優秀的設備管理工作者在處理設備故障時要學會中醫的“望聞問切”，才能盡快地搞清發生故障的原因和機理。“望”即是仔細觀察設備本質有無損壞、環境條件有無變化、工作條件有無變化等;“聞”即是有無異常氣味道，元器件燒毀、回路短路、過熱等故障都會產生異味;“問”是指向操作工人詳細詢問故障發生時操作工人的一些相關情況;“切”即是通過相關參數檢測、軟件故障跟蹤、故障試車觀察和備件更換參數更改后的試車等手段，以分清故障為功能故障還是參數故障、是相關故障還是非相關故障。

(2)排除故障要有正確的哲學觀點。有果必有因，排除故障要仔細觀察和分析“果”，對系統要有全面的了解和掌握，對組成系統的每一個元器件的作用、原理和性能都要熟記于心，設備維護人員要有扎實的理論基礎，對一個系統的熟悉要經過“從理論到實踐再從實踐到理論”的幾個反復循環才有可能達到，只有這樣才能比較快的找到問題的“因”。要樹立普遍聯系的觀點，既有一果多因，也有一因多果。電機火花大和傳動系統的啟動困難故障都是機械改造后出現的，聯系起來去分析就很容易找到問題所在。

(3)避免犯經驗主義錯誤。傳動系統剛開始出現故障時，憑經驗認為是電流和速度反饋有干擾等問題所致，因為故障與1996年礦山副井提升機調試時出現的轉速抖動現象有點類似，只不過程度逐漸加重而已;后來又糾結在主從傳動通訊不良、觸發脈沖丟失和測量控制電路板等環節上，因為從理論上分析某個或某幾個功率元件的不工作會造成電流的斷續、轉矩輸出不夠和磁場不能建立或弱磁等問題，實際上，該臺提升機在20多年的運行過程中上述幾個問題都或多或少都發生過，這種歷史經驗也曾禁錮了分析故障原因的思路。

［1］顧永輝，等.煤礦電工手冊(第三分冊)［M］.北京:煤炭工業出版社，1981.

［2］張方成.安慶銅礦主井提升機的改造實踐［J］.礦山機械 ，2012(7):145-146.

［3］周 勇.因運行模式切換導致提升機過卷故障的分析［J］.礦山機械，2014，42(3):113-115.