變頻調速系統挖掘機提升機構失控故障淺析

鮑志明

（江西銅業集團有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

近年來，低碳環保的綠色發展理念越來越深入人心，各個國家都制定了相應的發展路線和時間表，以如期達到預定目標［1］。作為2020年經濟體量排名全球第二的大國，我國也制定了適應具體國情的碳達峰碳中和政策，這是我國實現綠色高質量發展的必然要求，是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革［2］。

以此為引導，各行各業都將綠色低碳作為發展的主旋律［3］。在露天礦山的開采中，作為核心設備之一的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，成為國內國際露天礦山開采的首選設備［4］。設備的實際使用中，其可動率直接關系到整個礦山的產能［5］。因此，電鏟的日常維護保養就顯得格外重要。針對偶發的提升機構失控故障，雖然發生概率極低，但一旦出現，往往會對電鏟本身以及周邊輔助設備造成一定的危害。所以，如何預防以及出現該故障后如何分析，對日常維護保養具有很大的指導意義［6］。

2 挖掘機提升機構

WK系列電鏟由提升、推壓、回轉和行走四大機構組成。其中提升和推壓機構在一個挖掘循環中通過司機的操作互相配合，控制鏟斗沿物料自下而上形成切削運動，完成物料的剝離和裝載。裝載完成后借助回轉機構轉動上車平臺，將鏟斗轉至自卸車上方卸貨。作為主要的工作機構，提升機構由2臺電機通過減速箱剛性連接，共同驅動提升卷筒。提升鋼絲繩纏繞在提升卷筒的繩槽內，控制鏟斗上下運動。每臺提升電機的非傳動軸端均裝有盤式制動器，提升機構處于抱閘狀態時，依靠2個獨立工作的盤式制動器產生足夠的制動力矩將鏟斗制動。盤式制動器采用氣動控制，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。當電磁閥斷電時，通過抱閘附近安裝的快速排氣閥將氣體迅速排出，從而達到快速制動的效果。提升機構的結構圖如圖1。

圖1 提升機構結構圖

工作過程中，提升機構需要在行程范圍內頻繁的加速減速，輸出轉矩也隨外界負載和主令給定時刻變化；當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，提升機構會受到突發的大載荷沖擊。因此，提升機構的負載情況復雜多變，波動范圍較大。

兩臺700kW提升電動機由兩臺1000kW逆變器驅動，由于兩臺提升電機間存在機械耦合，所以兩臺逆變器之間采用轉矩主從控制方式，其中主裝置（MASTER）為速度控制，從裝置（SLAVE）為轉矩控制，這樣提升機構既實現速度控制，又保證兩臺電機間的出力均衡。電動機控制特性曲線如圖2所示，從交直流控制特性曲線的包絡面積可知，變頻調速較直流調速具有更高的作業效率。

圖2 提升電動機控制特性曲線

3 變頻調速系統工作原理

變頻調速其優越的調速性能和交流電動機的高可靠性注定了它將逐步取代直流調速系統成為電氣調速的主力軍。礦用挖掘機采用變頻調速系統也將是技術發展的必然結果；太原重工已經對WK-4、8、12、20、27、35、55、75等進行了全系列變頻調速系統設計。

整流單元、公用直流母線變頻調速系統簡圖見圖3。

圖3 AFE整流回饋單元、公用直流母線變頻調速系統簡圖

4 失控故障原因分析

電鏟屬于大型設備，露天使用，工作環境比較惡劣，工況也很復雜。所以，在經過十數年的長期運行后，設備上的各種元器件會不可避免的出現不同程度的老化和磨損現象，進而引起相應的故障。因此，根據不同的故障原因，分為電氣故障和氣路故障兩大類。

4.1 電氣故障

提升電機在電氣系統中采用帶速度傳感器的閉環控制，將主令給定和速度反饋的差值作為速度環的有效輸入。因此，速度傳感器信號是否準確直接關系到控制系統能否輸入真實的速度偏差，從而有效的控制電機轉速跟隨給定。實際運行中，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通過示波器顯示，會隨機出現數個無法被逆變器確認為方波的波形。逆變器的輸出電流脈沖頻率通常在1.25kHz，即800μs一個電流方波輸出。因此，在速度傳感器出現畸變方波的時間段內，逆變器輸出的數個電流脈沖無法確保電機控制的有效性，視為造成失控的一種可能原因。

另外，目前主流的電機控制拓撲結構中，速度傳感器通常經過一個特定的信號轉換模塊，將方波信號轉換后傳遞至逆變器主控單元。因此，信號轉換模塊、連接主控單元的通訊電纜都有可能成為故障點。該種類型的故障可以通過元件更換排查。

同時，連接速度傳感器和信號轉換模塊的電纜也需要特別注意。首先在設備施工時，需要保證強電弱電分開布置，規范施工，不同類別的電纜分別布置在各自的線槽內，通過金屬線槽也能起到相當的電磁屏蔽功能。其次需要選擇屏蔽電纜，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鍵，電機側通常接在接地端子上，柜內一側，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的干擾。

4.2 氣路故障

提升機構抱閘裝置采用氣動控制的盤式制動器，按照電鏟工藝，制動器在兩種情況下投入運行產生制動力：司機按下抱閘按鈕或發生電氣故障時自動緊急抱閘。司機操作時電鏟一般為空斗狀態，而緊急制動可能發生在任何時間段內，包括剛挖滿貨時的滿斗狀態。因此，機械抱閘的一個重要功能在于電氣系統出現故障時，作為設備的最后一道安全屏障，其重要性不言而喻。

為監測抱閘的摩擦盤是否過度磨損，通常在動盤上安裝一個微動開關，其行程在出廠前經過校準，摩擦盤的厚度降低到一定程度后，微動開關動作，向控制系統發送信號，及時提醒維護人員進行更換。當微動開關出現卡死，或經過更換二次校調不準確時，會造成抱閘無法產生足夠的制動力。這種情況在司機操作時一般較難發現，會被誤判定為抱閘狀態正常，一旦出現滿斗時緊急制動的情況，才會被操作人員發現。

干燥柜、減壓閥和電磁閥的工藝配合也是一個重要因素。通常主氣路系統的氣壓在9～13bar范圍內波動，經過提升抱閘減壓閥后，氣壓穩定在6.5bar。該氣壓值在電磁閥正常工作范圍內，可以保證斷電后電磁閥可靠關斷。設備經過十數年運行后，減壓閥存在失效風險，此時，電磁閥的工作氣壓會超過額定值，容易造成不定期的關閉失效甚至電磁閥閥芯損傷。該種故障現象較為隱蔽，常規檢查難以發現。在潮濕環境下，空壓機提供的壓縮空氣中會存在微量水汽，當水汽附著在電磁閥閥芯上時，會產生微小的腐蝕作用，日積月累，腐蝕程度越來越明顯，將造成電磁閥無法可靠關斷。寒冷地區，氣路系統中應及時添加防凍液，防止可能的水汽結冰。當冰粒卡在電磁閥的閥芯內部時，同樣會造成不定期的關閉失效。

另外，抱閘附近安裝的快速排氣閥也應定期檢查。由于電鏟工作在露天礦山環境中，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關閉。該故障通常表現為制動力不足，尤其是滿斗制動時，鏟斗會自行下落一段距離，對抱閘的摩擦盤造成過度磨損。

5 結論

通過上述故障原因分析，電鏟在日常維護保養中，除了常規點檢外，還應采取一些針對性的措施：

（1）電氣方面，根據現場工況每隔兩至三個月檢查電機速度傳感器探頭是否有金屬粉末聚集。一旦發現，應對電機密封進行處理。控制柜內的信號轉換模塊應保持清潔，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。冬季低溫時保證氣路系統防凍液及時添加，干燥柜以及自動排水閥正常運行。

雖然電鏟出現故障的具體原因和表現千差萬別，但根據基本原理和工藝，出現故障后進行細致的排查和推斷，總能發現蛛絲馬跡找到問題原因。針對不同的原因，在維護中著重采取措施預防，就能取得良好的效果。