WK-35 電鏟兩種集電環優缺點分析

王柏春，高方欣，于寶青，李武杰

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林郭勒盟 126000）

0 引言

隨著露天礦生產能力的增加，越來越多的大型電鏟被用于露天采礦生產中。神華北電勝利能源有限公司現有6 臺太原重工生產的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，各個電氣設備大多安裝在上部平臺。在電鏟作業過程中需要進行轉動作業，為了使下部平臺電纜給上部平臺供電不會把電纜扭傷，電鏟采用了集電環裝置。

1 集電環的概念

集電環也叫導電環、滑環、集流環、匯流環等。它可以用在任何要求連續旋轉的同時，又需要從固定位置到旋轉位置傳輸電源和信號的機電系統中。滑環能夠提高系統性能，簡化系統結構，避免導線在旋轉過程中造成扭傷。

2 集電環在電鏟上的作用

WK-35 電鏟是用電能驅動各個電機使電鏟各部位運動，將電能轉換成機械能的裝置。電鏟由上下兩個平臺組成，其中在上部平臺裝有提升機構、回轉機構和推壓機構，三者配合作業完成電鏟裝車任務；下部平臺裝有行走機構，負責電鏟的移動。集電環是電鏟重要的電氣裝置，它將外部電源通過集電環中的高壓環將電能傳送至上部平臺高壓開關柜、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驅動各個機構，再通過集電環將上部平臺變頻器的輸出電流通過集電環中低壓環部分通過六道環體將電能傳送到下部兩個行走電機，驅動左右兩個履帶的行走。通過低壓環中的三道環進行行走氣路電磁閥的控制來使行走電機制動器打開或關閉，通過三道環對壓力開關進行檢測已確定行走制動器的打開或關閉。電鏟行走電機為變頻電機，需要獨立風機進行風冷，集電環中有三道環體給行走電機風機提供電源。由于電鏟在裝車作業的過程中會發生旋轉，為了傳輸電源和信號并避免電纜的扭傷采用了集電環裝置。

3 集電環在電鏟上的種類

3.1 高低壓分離式

電鏟集電環有兩種，其一為高低壓分離式集電環（圖1），其中高壓環部分分為環體部分和集電靴部分，用于對6 kV 進線電纜進行電能的傳送。其中集電靴裝置安裝于下部平臺上，三相進線電纜及接地線均安裝于集電靴上。當設備旋轉作業時，其與下部平臺均保持靜止狀態。環體部分安裝于上部平臺上，三相環體與接地環體通過電纜連接到上部平臺高壓柜負荷開關上。當設備旋轉作業時上部平臺相對于地面繞中心軸轉動，集電靴內電刷始終與環體進行相對運動并且集電靴內彈簧裝置使電刷不離開環體。外線電纜通過集電靴、高壓環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體部分，其中刷架部分有電刷、刷握、保持架等裝置。環體部分有6 道大環和8道小環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環體不動，當電鏟旋轉作業時電刷繞著低壓環體繞動的同時將信號和動力傳輸到下部平臺電機、電磁閥、壓力檢測開關上。

圖1 高低壓分離式集電環

3.2 高低壓環一體式

高低壓環一體式集電環作用與分體式集電環一樣，區別只是高壓環在上平臺，高壓環刷架固定于上平臺上（圖2）。高壓環體與低壓環體固定在一起在中心軸上，在設備回轉作業時高壓環體與低壓環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運動。

圖2 高低壓環一體式

4 存在的問題

4.1 高低壓環分體式

高低壓環分體式集電環安裝于某廠2009 年生產幾臺電鏟上，隨著設備的運行，一些問題也都顯現出來。

（1）該種類集電環檢修困難，由于這種集電環設備上級沒有開關，在進行高壓環維修檢查過程中必須斷開外界供電線路，過程非常繁瑣。由于高壓集電環在上部平臺和下部平臺的連接處的腔體內，外部四周是回轉大齒圈，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，在這樣一個半封閉環境下作業十分危險。

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

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

4.2 高低壓一體式

高低壓一體式集電環由于整體在上部平臺，而且設有觀察窗。維修人員在檢查高壓環時只要打開外層觀察窗就可以觀察電刷與環體是否發生損壞。而且當進線電纜發生損壞或故障時只需將集電環整體進行更換就能使設備恢復運行，工期只有2 d。

5 故障問題分析

5.1 集電環電纜接錯

故障流程：10 月25 日8：05，電鏟司機報行走逆變器故障，故障現象為行走逆變器無法工作。約8：20 司機說集電環部位出現明火，隨即使用滅火器進行撲滅。

故障檢查：維修人員到達現場后，集電環部分燒蝕嚴重，各部電纜燒損嚴重，集電環本體不具備維修再利用條件。

故障處理：10 月28 日17：00，對集電環進行更換，經過長時間行走運行、回轉運行、挖掘測試，已具備正常生產條件。

故障現象：對拆卸下的集電環進行細致檢查發現的問題有以下3 點：①集電環線路接線方式錯誤；②集電環中壓部分（電動機動力線），每道環體（動力線每相）上有4 組電刷，排列方式如圖3 所示。切換柜至集電環每相線為2 根95 mm2電纜，正常應接入兩側刷窩固定螺栓上，進行負載分流，實際接線情況為2 根均接入一側刷窩上，有單側刷窩沒有作用；③環體負載過大燒熔，其中最上一道環體檢查后發現環體有熔化現象，呈水滴狀凝結。

圖3 集電環中壓部分電刷排列方式

故障分析：結合發現的具體問題對故障進行分析，應為接線方法不對導致集電環每道環體載流量均較大，其中最上一道環體電刷最先發生接觸不良引起電拉弧，在發生電拉弧后（類似電焊），拉弧面積在短時間內迅速擴大使環體熔化，高溫銅液滴落至集電環底部與中心軸連接的法蘭盤上引燃中心軸排出的潤滑油，在持續燃燒的過程中，對本身已經受損的底部環體刷窩支撐桿絕緣皮造成進一步燒蝕，令其收縮碳化。第5 道環體電刷進一步下沉與第6 環體短路產生了變頻器過流故障。

5.2 中心軸間隙調整有誤，集電環電刷斷裂

故障流程：5 月15 日11：10，電鏟司機報行走制動器無法打開。

故障檢查：維修人員到達現場后，檢查發現集電環體電刷斷裂，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行調節，之后對已經損壞的電刷進行更換。

故障分析：高低壓環分體式集電環在運行的過程中經常會出現電刷斷裂的情況發生，由于低壓環中的環體與中心軸是通過螺栓連接，與中心軸處于相對靜止狀態。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運動，但是隨著運動和振動的過程中，中心軸超級螺母會發生反松的情況，導致上部平臺不會按照嚴格的平面做旋轉運動，導致在電鏟挖掘作業的過程中產生一個垂直的運動。這個運動會帶動刷架以至于碳刷做垂直運動卡在2個環體之間，導致電刷斷裂，與上面環體短路。

6 集電環防扭傷裝置的應用

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

要保證中心軸內電纜和油氣管路不被扭傷，關鍵是要保證集電環環體與中心軸保持相對靜止。集電環環體與中心軸連接是通過中心軸螺母連接，環體固定部分的兩穩銷與中心軸螺母間隙配合。故障發生一般是集電環兩穩銷斷裂或拉筋斷裂，導致集電環與上下平臺發生相對位移。因此需要檢測集電環與固定部位的同步性，并且要實現下平臺及其連接部分的檢測，檢測線必須通過集電環備用環中的兩環來實現，并且要挑選適宜的位置檢測傳感器來適應監測部位狹小的空間。

7 實施方案

將限位開關安裝于中心軸頂端，監控中心軸與集電環環體固定銷與中心軸是否同步，并將限位開關檢測點輸入至PLC。并且在程序中設備延時停機處串聯此信號常閉點，當集電環環體固定銷與中心軸發生相對移動時，程序控制設備延時停機，并通過輸出點聲光報警，使駕駛司機第一時間發現設備故障。

8 結語

集電環是電鏟等電能驅動旋轉作業設備的必要裝置，在電鏟設備運行的過程中兩種形式的集電環也各自體現出了其中的優點與缺點。但是總體從安全性和穩定性來說，高低壓環一體式集電環較分體式集電環優點更多，更適合在電鏟上使用。