主井提升機(jī)電控系統(tǒng)電流和速度脈動故障分析與處理

蔣妮娜

銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦 安徽安慶 244001

礦 井提升機(jī)是礦山企業(yè)的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，是連接礦井內(nèi)外的主要“紐帶”[1-2]。提升機(jī)高效、安全運行有利于保證礦井穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)及人員安全，若提升機(jī)因故障宕機(jī)，礦井內(nèi)部的人員安全及礦山的生產(chǎn)活動都無法得到保障[3]；因此，必須從日常維護(hù)、常規(guī)巡檢、故障檢修、老化升級、更新?lián)Q代等方面著手，保障提升系統(tǒng)的安全、可靠運行。

安慶銅礦提升系統(tǒng)運行中，提升機(jī)電動機(jī)運行到加速段就產(chǎn)生較大的電流和速度脈動；試車狀態(tài)長時間運行后提升機(jī)位置偏差故障，無法正常開車[4]。筆者針對故障現(xiàn)象進(jìn)行研究，從脈沖編碼器的精度、軸端連接齒輪等方面找到了故障原因。

1 主井提升系統(tǒng)概述

1.1 運行現(xiàn)狀

安慶銅礦主井提升系統(tǒng)于 1990 年投運，采用JKMD4×4 落地多繩摩擦式提升機(jī)，單箕斗-平衡錘提升；電控系統(tǒng)選用 ABB 設(shè)備，已連續(xù)運行 30 多年。因設(shè)備陳舊落后，為提高提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對電控系統(tǒng)進(jìn)行了多次局部升級改造，從最初的 Tyrak 傳動系統(tǒng)升級為 DCS800 系列；2016 年，又陸續(xù)將人機(jī)界面系統(tǒng)升級為 800XA 系統(tǒng)，將稱重系統(tǒng)升級為 IT1000 高精度稱重儀。

目前，主井部分備件已停產(chǎn)或面臨停產(chǎn)，或?qū)o處采購，一旦設(shè)備故障，提升系統(tǒng)將因無備件可換而不得不停止運行。隨著設(shè)備的老化和運行時間的不斷加長，提升系統(tǒng)的安全性和可靠性顯著下降，部分電控元件也出現(xiàn)老化和性能下降的趨勢，設(shè)備進(jìn)入故障多發(fā)期。這不僅影響礦井正常生產(chǎn)，而且增加了維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度和設(shè)備的維護(hù)成本。此外，控制柜內(nèi)大部分的電纜線號和元件標(biāo)號也已脫落，不利于維護(hù)人員進(jìn)行故障排查，增加了維護(hù)難度[5]。改造時，保留了原有直流電動機(jī)和整流變壓器，僅對主控系統(tǒng)和直流拖動系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。

改造后，電動機(jī)采用 ZD250/50 型，直聯(lián)主控系統(tǒng)為 AC800M；直流傳動系統(tǒng)為 DCS800-S02-2500-07，2 臺直流傳動電動機(jī)，12 脈動并聯(lián)運行。直流傳動系統(tǒng)升級前采用勵磁換向方法，升級后改為電樞換向、電壓調(diào)速方式。DCS800 直流變流器是 ABB 生產(chǎn)的用于直流電動機(jī)勵磁和電樞供電控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的可編程性和易用性，具有獨立的計算機(jī)處理器，在控制上可以由用戶自由編程，實現(xiàn)速度自動調(diào)節(jié)和電樞電流調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)控制。

1.2 故障現(xiàn)象

安慶銅礦主井提升機(jī)電控系統(tǒng)升級改造后，運行過程中出現(xiàn)了以下問題。

(1) 提升電動機(jī)在不掛繩情況下，調(diào)試位置和速度時，只要運行到加速段，電動機(jī)出現(xiàn)較大速度波動，因速度和電流的連鎖性，也會產(chǎn)生較大的電流波動。

(2) 試車狀態(tài)下長時間運行后，提升機(jī)位置值固定在某一數(shù)值并持續(xù)沒有更新，隨后報告位置偏差故障，觸發(fā)安全回路跳閘，無法正常開車。

2 原因分析及故障排除

根據(jù)電控系統(tǒng)表現(xiàn)出的現(xiàn)象，初步判斷可能是位置采集系統(tǒng)增量編碼器工作不正常引起的，但檢查后發(fā)現(xiàn)，增量編碼器工作狀況一切正常，故進(jìn)一步檢查故障誘因[6-7]。

2.1 誘因檢查及分析

(1) 檢查 800XA 故障列表及 DCS800 故障記錄，發(fā)現(xiàn) AHM 位置跳變，脈沖計數(shù)模塊 DP820 計數(shù)值自動溢出，AHM_Appl AHM_Prog.PE_In.Counter Value超出最大值限制，AHM 程序中計算的位置計數(shù)值來自 AHM 的編碼器脈沖值。DP820 是 DCS800 變流器中獨立的脈沖輸入模塊，處理電動機(jī)的軸編碼器輸出的脈沖信號，通過脈沖信號運用程序計算，設(shè)定同步開關(guān)對應(yīng)的初始標(biāo)高值，確定提升機(jī)位置，繼而進(jìn)行直徑和速度計算，對提升機(jī)進(jìn)行閉環(huán)速度控制。閉環(huán)控制是指被控的輸出量以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。如果測量反饋值有誤差，調(diào)節(jié)放大后，無法穩(wěn)定矯正輸出，反而干擾速度控制。

現(xiàn)場有兩路位置采集系統(tǒng)，一是升級后 LEINE&LINDE 公司的 5 000 脈沖/轉(zhuǎn)的脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)動一圈發(fā)送 5 000 個脈沖；一是原系統(tǒng)中同公司生產(chǎn)的 2 048 脈沖/轉(zhuǎn)編碼器。兩路系統(tǒng)一路通往傳動DCS800 編碼器，與滾筒軸直接連接；一路通往 AHM監(jiān)控器，與滾筒軸通過齒輪連接，如圖 1 所示。該礦采用上述連接方式，可實現(xiàn)對兩路位置采集系統(tǒng)編碼器信號的對比監(jiān)控。

圖1 兩路位置采集系統(tǒng)的連接方式Fig.1 Connection mode of two-way location acquisition system

(2) 檢查 DCS800 可控硅、快熔及電熔參數(shù)，用傳動調(diào)試監(jiān)控軟件 DriverWindow 監(jiān)控電動機(jī)的故障狀態(tài)，其速度曲線如圖 2 所示。由圖 2 可知，速度的脈動現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖2 故障狀態(tài)下電動機(jī)速度脈動曲線Fig.2 Pulsation curve of motor velocity in fault state

2010 年，主井更換滾筒及直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子后，提升機(jī)用于連接速度反饋增量編碼器的延長軸本體不正，造成編碼器的旋轉(zhuǎn)受力不均勻，形成額外干擾，干擾經(jīng)調(diào)節(jié)放大后形成震蕩。檢查編碼器，發(fā)現(xiàn)直聯(lián)側(cè)編碼器獲取的脈沖信號穩(wěn)定，通過齒輪連接的監(jiān)控器側(cè)編碼器的脈沖信號有脈動現(xiàn)象，連接編碼器和滾筒軸的柔性聯(lián)軸器有扭變變形。

2.2 故障處理

(1) 適當(dāng)調(diào)整速度反饋濾波，減小速度調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)，修改齒輪變比參數(shù)，修改 AHM 監(jiān)控器程序內(nèi)的編碼器變比參數(shù)，如實際齒輪變比一致，則更換模擬輸出板 AO820。該模塊輸出位置信息到 AC800M，其故障表現(xiàn)是此模塊輸出參數(shù)溢出。

(2) 調(diào)整程序中 DP820 計數(shù)脈沖自動復(fù)位基值，在未觸發(fā)計數(shù)值溢出之前自動復(fù)位，減少因竄動引起的誤動作。

經(jīng)以上處理后，故障現(xiàn)象仍然存在。打開齒輪箱，發(fā)現(xiàn)連接編碼器和滾筒軸的齒輪因使用多年，齒面磨損，造成齒輪嚙合間隙增大，存在脈沖跳變情況[8]。在 DP820 模塊計數(shù)過程中，當(dāng)數(shù)值超過允許范圍時，該計數(shù)值就會自動溢出，發(fā)生非常大的跳變，觸發(fā)程序中位置跳變跳開安全回路。至此，可確定齒輪嚙合間隙過大是造成故障的根本原因[9]。

2.3 解決方案

針對故障問題及原因進(jìn)行商討，制定了以下的解決方案。

(1) 將 5 000 脈沖/轉(zhuǎn)脈沖編碼器更換為 2 048 脈沖/轉(zhuǎn)編碼器，降低精度要求和靈敏度，以躲開過大的位置跳變。

(2) 更換編碼器后，因聯(lián)軸器尺寸不匹配，對聯(lián)軸器重新選型，選擇有彈性元件的撓性聯(lián)軸器。它不僅具有補(bǔ)償兩軸線相對位移功能，還具有緩沖和減震作用。根據(jù)現(xiàn)場要求，選擇了緩沖和減震性能好的聚氨酯八字形塑膠聯(lián)軸器，它不僅可防止竄動斷裂，也可減少齒輪磨損帶來的速度反饋干擾。

一年后，該礦年終大修時，更換了滾筒軸端的連接齒輪，至此故障完全消除，提升電動機(jī)速度平滑，無脈動現(xiàn)象。故障消除后的速度曲線如圖 3 所示。

圖3 故障消除后電動機(jī)速度曲線Fig.3 Curve of motor velocity after fault removal

3 結(jié)語

針對安慶銅礦提升機(jī)電控系統(tǒng)升級改造后，在加速段電流和速度波動較大、提升機(jī)位置偏差故障進(jìn)而觸發(fā)安全回路引起跳閘的現(xiàn)象，進(jìn)行了一系列分析排查，最終確定故障原因是連接編碼器和滾筒軸的聯(lián)軸器使用多年，齒面磨損造成齒輪嚙合間隙增大，導(dǎo)致脈沖跳變。解決該問題時，針對性地更換編碼器和聯(lián)軸器。事后，對整個故障過程進(jìn)行追蹤探因，得到以下結(jié)論：電控系統(tǒng)升級改造后，在增加其先進(jìn)性及穩(wěn)定性的同時，對外圍機(jī)械硬件的要求也隨之提高，但該礦機(jī)械硬件經(jīng)過多年連續(xù)運行使用，磨損老化，已進(jìn)入故障多發(fā)期，就聯(lián)軸器而言，增大的齒輪嚙合間隙已與高精度的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)不相匹配。在控制系統(tǒng)更新?lián)Q代的同時，必須加大對設(shè)備硬件的檢修維護(hù)，希望為其他企業(yè)解決同類故障問題提供一種新思路。