斷電事故狀態下磨機電動機軸承保護與實現

段杏敏

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

近 年來，隨著“一帶一路”的推進，礦用磨機的 出口數量與日俱增，尤其是礦產資源豐富的非洲剛果金。由于剛果金的電網不穩定，在保護措施不完善的情況下，意外斷電會對設備造成嚴重損壞。而作為關鍵件的磨機電動機軸承，其潤滑好壞，直接影響到磨機的使用壽命和運轉率，且影響磨機的產量和企業的經濟效益。

1 問題的產生

考慮到前期的投資與后期的運維成本，剛果金項目的大部分客戶會選用“低速無刷同步電動機+氣動離合器+開式大小齒輪”的邊緣傳動形式[1]，如圖 1 所示。該傳動形式主要由網側高壓電源開關、低速同步電動機、氣動離合器、傳動小齒輪和慢速驅動裝置組成，具有傳動鏈簡單、占地面積小、安全可靠的特點。

圖1 磨機邊緣傳動形式Fig.1 Edge drive type of mill

磨機電動機為低速同步電動機，因功率較大，且軸承為滑動軸承，所以配備有高低壓潤滑站。磨機電動機啟動前，要求先開啟高壓潤滑泵，至少運行 15 min；電動機停機時，需要再次開啟高壓潤滑泵，至少運行 15 min 后方可停止。

電網穩定情況下，磨機電動機啟動、停機及運行都需按照磨機 PLC 程序運行。在電動機啟動、停機過程中，高壓供油系統可向電動機兩端的軸承提供高壓油，使主軸浮起，在主軸與滑動軸承之間形成一定厚度的油膜，降低電動機的啟動力矩，避免燒瓦。電動機正常運轉后，由低壓供油系統給主軸和滑動軸承提供潤滑油，延長電動機的使用壽命[2]。

剛果金的電網不穩定，經常出現意外斷電 (以下簡稱事故狀態)，事故狀態會造成電動機與磨機之間的氣動離合器脫開、電動機的潤滑系統停止工作、磨機的潤滑系統停止工作。電動機與磨機之間的氣動離合器脫開后，電動機由于慣性還會持續旋轉一段時間，據統計某些項目電動機到達完全靜止狀態的時間能達 40 min 左右。斷電后，電動機潤滑系統已停止工作，無法持續給電動機軸瓦提供支撐和潤滑。尤其在電動機轉速低到一定程度時，甩油環也不能隨電動機轉子旋轉，電動機轉軸與軸瓦之間的油量無法形成油膜，導致轉軸與軸瓦接觸摩擦，造成軸瓦劃傷、研磨甚至燒瓦。

因此，如何避免在事故狀態下轉軸與軸瓦發生接觸摩擦，是研究的重點，也是大多數剛果金項目亟待解決的問題。

2 解決方案

軸承作為電動機重要的組成部分，滑動軸承憑借結構與性能優勢，使得其在良好的潤滑條件下，降低了設備損耗，從而最大程度地降低了滑動摩擦以及表面摩擦的不利影響，實現了維護成本以及設備支出費用的有效控制。為了解決事故狀態下磨機電動機軸承劃傷、研磨甚至燒瓦的問題，筆者提出了 4 種解決方案。

2.1 配置液壓蓄能器

在電動機軸承潤滑系統回路中配置液壓蓄能器，將液壓蓄能器與磨機電動機軸承連接一起使用，用于事故狀態下給電動機軸承供油[3]。蓄能器液壓站由充氣泵裝置、蓄能器組件、安全閥組及儀表等組成，如圖 2 所示。電動機啟動前，控制系統自動檢測蓄能器中油的壓力是否滿足保護要求。當壓力小于最低設定值時，蓄能器泵自動運行，并向蓄能器內充油；當壓力大于最高設定值時，蓄能器泵自動停止。在電動機工作過程中，若出現事故狀態，控制閥組上的電磁閥會立即斷電，蓄能器內的油會流向電動機軸承里，直至電動機停止轉動。受場地空間和成本影響，蓄能器的容量不能無限放大。蓄能器的主要作用是短期內 (60～ 90 s) 給軸承供油、保持系統壓力、緩和沖擊力等。對于事故狀態下，主電動機到達完全靜止狀態長達 40 min 的工況，配置液壓蓄能器顯然是不適用的。

圖2 液壓蓄能器站Fig.2 Hydraulic accumulator station

2.2 高位油池低壓循環供油

電動機軸承潤滑方式采用高位油池低壓循環供油，主要是利用高位油池內潤滑油的重力，實現對事故狀態下電動機軸承的淋油潤滑。該方案不僅需要根據電動機停機時間折算出高位油池的容積，還要考慮高位油池釋放潤滑油后，回收油箱的容積。通常情況下，回收油箱體積較大，且要求安裝于地下室，同時高位油池需要放置在一定高度的平臺上。該方案雖然可行，但現場施工難度大、投入成本和維護成本較高。

2.3 高壓頂起裝置

高壓頂起裝置主要由高壓油泵、壓力監控及分流元件、儀表及 UPS 電源等組成。在事故狀態下，高壓油泵可以實現從軸承室內取油，加壓后再供給軸承，以達到持續潤滑的作用，直至主電動機完全停止旋轉。

以 2 000 kW 礦用磨機電動機的高壓油泵功率可以計算出，高壓頂起裝置持續工作 40 min，UPS 電源的容量至少為 20 kVA。20 kVA 的蓄電池占地面積大，投資成本高，且蓄電池屬于易損耗器件，需要定期充放電。該方案對于小功率電動機事故停機比較適用；對于大功率電動機事故停機，該解決方案成本過高，同時存在蓄電池失效的風險。

2.4 事故狀態下磨機停機

事故狀態下磨機停機主要是通過磨機電氣控制系統來實現。

2.4.1 磨機電氣控制系統

磨機電氣控制系統主要由主電動機同步勵磁柜、PLC 控制柜、低壓配電保護柜、慢驅控制箱、磨機就地操作箱、潤滑站就地操作箱、大小齒輪噴射潤滑控制箱、氣動離合器控制箱及測溫電阻接線箱等組成[4]。其中 PLC 控制柜為磨機電控系統的核心，主要完成對磨機主電動機的啟?？刂?，對主軸承潤滑和主電動機軸承潤滑的控制和保護，并協調磨機電控系統各設備之間的報警和聯鎖控制。低壓配電保護柜實現以下功能：①磨機潤滑站高低壓油泵電動機的控制；② 磨機電動機軸承潤滑站高低壓油泵電動機的控制；③為其他控制柜和控制箱提供電源[5]。

2.4.2 磨機 UPS 系統

整個磨機電氣控制系統和氣動離合器的電磁閥 SV1 采用 UPS 供電，如圖 3 所示。在電氣控制系統里增加電網意外斷電檢測點。當電網意外斷電時，繼電器 K1 閉合，檢測點發出電網意外斷電信號。由于整個磨機電氣控制系統和氣動離合器的電磁閥 SV1 采用 UPS 供電，電網意外斷電后，電磁閥 SV1 仍然帶電，磨機電氣控制系統仍然能夠實現主電動機帶負荷正常停機。一般情況下，氣動離合器電磁閥容量約為 20 W，整個磨機電氣控制系統中的控制回路電源容量約為 2 kVA，由于磨機帶載停車時間很短，故選用容量為 3 kVA 的 UPS 電源即可實現。

圖3 磨機 UPS 系統Fig.3 UPS system for mill

2.4.3 磨機停機控制邏輯

在事故狀態下，磨機停機控制程序中的控制邏輯如圖 4 所示[6]。當 PLC 檢測到輸入信號 I0.0 為 1 時，說明發生了斷電事故，控制系統發出斷電故障信息，同時控制邏輯中的斷電故障不參與離合器的聯鎖控制。由于離合器控制電源采用的 UPS，此時 PLC 的輸出信號 Q0.0 仍保持為 1，氣動離合器電磁閥 SV1 持續帶電，氣動離合器不脫開，電動機與磨機一起帶負荷快速停車，直至完全停止運轉。

圖4 磨機停機控制邏輯Fig.4 Logic of mill halting control

事故狀態下，改變磨機停機控制邏輯僅通過電氣原理設計和磨機控制程序的優化，就可實現對磨機電動機主軸承的保護。該方案具有實施簡便、投資成本低、可靠性高等優點。

3 結語

斷電事故狀態下對磨機電動機軸承的保護有 3 種方法：①通過采用配備高位油池的低壓循環供油；② UPS 供電的高壓頂起裝置；③事故狀態下改變磨機停機控制邏輯。該 3 種保護方式均得到了應用：紫金礦業剛果金銅礦項目采用了高位油池的低壓循環供油解決方案；中鐵資源剛果金綠紗銅鈷礦φ3.8 m×5.8 m 球磨機項目采用了 UPS 供電的高壓頂起裝置；洛鉬剛果金 KFM 和 TFM 硫化礦項目采用了事故狀態下改變磨機停機控制邏輯。經過現場應用反饋，事故狀態下，改變磨機停機控制邏輯的方案運行穩定、安全可靠、經濟有效，更易于被廣大用戶所接受。