機(jī)械改造引起的提升機(jī)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(tǒng)概述

金屬礦山主井承擔(dān)著礦、廢石及部分檢修材料的提升運(yùn)輸任務(wù)，作為咽喉要道設(shè)備，主井提升機(jī)能否安全高效可靠運(yùn)行對礦山生產(chǎn)與安全關(guān)系重大。

安慶銅礦主井提升機(jī)1991年初投入使用，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年提升礦廢石120萬t。系統(tǒng)由北京有色設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，機(jī)械部分由中信重機(jī)洛陽礦山機(jī)械廠生產(chǎn)，主電機(jī)是上海電機(jī)廠生產(chǎn)的直流低速直聯(lián)電機(jī)，電控系統(tǒng)全套從ABB公司引進(jìn)，提升機(jī)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(tǒng)老化、備件供應(yīng)困難、維護(hù)成本增高等問題，礦山在2003年3月份對該主井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，改造后的系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)配置

2 提升機(jī)主軸裝置改造

2.1 改造的原因

由于礦山生產(chǎn)任務(wù)重，長期滿負(fù)荷運(yùn)行，提升機(jī)閘盤偏擺量超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)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(shù)人員和制造廠家先后采用車削、火焰校正、墊片調(diào)整等多種方法進(jìn)行校正，仍然不能滿足安全要求。經(jīng)過分析，主要原因是:該提升機(jī)主軸裝置卷筒結(jié)構(gòu)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(jiān)控器側(cè)2.1 mm，電機(jī)側(cè)2.5 mm，為確保主井提升機(jī)安全運(yùn)行，礦山?jīng)Q定對提升機(jī)主軸進(jìn)行整體改造。

2.2 改造內(nèi)容

委托中信重機(jī)洛陽礦山機(jī)械廠生產(chǎn)一套新的主軸裝置，加大主導(dǎo)輪強(qiáng)度，增加制動盤厚度，更換主電機(jī)備用轉(zhuǎn)子，經(jīng)相關(guān)設(shè)計(jì)院和生產(chǎn)廠家驗(yàn)算，增加約6 t變位重量不影響提升機(jī)的安全和能力，具體改造內(nèi)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(jī)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(jī)。

(3)摩擦輪采用低合金全焊接整體結(jié)構(gòu)，該部件由筒殼、左右輻板、左右輪轂、支環(huán)、擋繩板焊接而成，筒殼內(nèi)焊有支環(huán)來加強(qiáng)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(shù)大于0.25，固定塊、壓塊由鋁合金改為酚醛樹脂，減輕轉(zhuǎn)動慣量。

(5)主軸承采用SKF調(diào)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(jié)構(gòu)對稱雙閘盤，即閘盤做成兩半，用雙排高強(qiáng)度螺栓與摩擦輪聯(lián)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(shè)計(jì)為單排高強(qiáng)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(xiàn)場條件有限，經(jīng)過仔細(xì)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(yùn)輸?shù)降V山，受外形尺寸限制，閘盤到現(xiàn)場安裝。

(8)為縮短檢修周期，減少停產(chǎn)時間，改造前將備用電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)到上海電機(jī)廠維護(hù)保養(yǎng)，更換新主軸裝置時，安裝備用轉(zhuǎn)子。

3 故障現(xiàn)象

經(jīng)過近兩年周密的論證和準(zhǔn)備，多次優(yōu)化改造施工方案，在有關(guān)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(jī)改造完成經(jīng)電氣調(diào)試正常后投入運(yùn)行，調(diào)試時加減速、制動、穩(wěn)定性和跟隨性等各方面指標(biāo)均正常。但隨后出現(xiàn)了啟動困難、低速抖動、傳動系統(tǒng)頻繁報(bào)故障和主電機(jī)換向器火花大且持續(xù)惡化、碳刷損耗快等異常現(xiàn)象，提升機(jī)不能正常工作，給礦山正常生產(chǎn)經(jīng)營帶來很大威脅。

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

考慮到改造更換的轉(zhuǎn)子是原先的備用轉(zhuǎn)子又經(jīng)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(yùn)行之初有點(diǎn)火花也很正常，經(jīng)過幾天的運(yùn)行磨合就應(yīng)該又所好轉(zhuǎn);但事實(shí)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(huán)火之勢，碳刷也磨損嚴(yán)重，是平時損耗的10倍以上，原先正常生產(chǎn)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(tǒng)故障類似于老式提升機(jī)的“不啟動”和“系統(tǒng)振蕩”，發(fā)生時間沒有規(guī)律，有時是3～4 d都正常，但有時一個小班(8 h)會發(fā)生幾次，甚至有時連續(xù)發(fā)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(shù)等故障排除措施后，提升機(jī)又能正常運(yùn)行，但間隔不久故障就會重新出現(xiàn)。

4 故障原因分析與排除

4.1 傳動系統(tǒng)故障

因?yàn)闄C(jī)械改造完成后的電氣調(diào)試十分正常，剛開始發(fā)生啟動困難、低速抖動等傳動系統(tǒng)故障時，維修人員根據(jù)DCS600所報(bào)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?yàn)橹鱾鲃永鲜菆?bào)從傳動故障，維修人員更換了從傳動的測量板PIN－51、觸發(fā)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(yīng)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(fā)現(xiàn)問題，但為了徹底排除隱患都進(jìn)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(hù)回路，利用DriveWindow軟件對傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、電流限值、PID比例微分積分等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在采取每一個措施后故障確實(shí)消失了，但如前文所言，間隔不定時間后故障又會重新出現(xiàn)。

4.2 電機(jī)火花大故障

改造完成后剛生產(chǎn)時，電機(jī)火花雖有但不大，但其后出現(xiàn)碳刷磨損程度異常和火花快速增大的現(xiàn)象。因此進(jìn)行一系列詳細(xì)的檢測。

(1)電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙數(shù)據(jù)測量。檢測非換回器端，正常氣隙大小為7.0±0.05 mm，檢測結(jié)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(biāo)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(jié)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(xiàng)檢測和數(shù)據(jù)分析可知，轉(zhuǎn)子不在氣隙中心，電刷不在中性位置，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是斜的，造成這種狀況的原因可能有兩點(diǎn):一是電機(jī)在安裝時轉(zhuǎn)子沒裝到位，使轉(zhuǎn)子內(nèi)圓的錐度與主軸外圓的錐度配合不好;二是新的轉(zhuǎn)子內(nèi)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(chǎn)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(diǎn):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(shù)據(jù)可以推斷傳動軸因主導(dǎo)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(jīng)過多次檢修也發(fā)生了變形且不在中心位置;換上去的備用轉(zhuǎn)子因運(yùn)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(zhuǎn)子在定子磁場氣隙中是傾斜的。這4個方面造成了提升機(jī)的啟動困難和電機(jī)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(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)。

4.4 采取的措施

(1)對電機(jī)定子上下兩部分進(jìn)行微調(diào)，盡可能使轉(zhuǎn)子處于氣隙中心。(2)用感應(yīng)法重新測定電刷中性位置并調(diào)整。(3)調(diào)整刷架與換向器之間的距離至標(biāo)準(zhǔn)距離2.5+0.5 mm。

(4)將原先一個刷盒內(nèi)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(jìn)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(yōu)化部分傳動系統(tǒng)參數(shù)。

5 實(shí)際效果和體會

改造后上述兩個電氣故障的出現(xiàn)，使主井提升機(jī)不能正常生產(chǎn)，全礦生產(chǎn)陷入了被動。礦山邀請了ABB電控專家和上海電機(jī)廠的技術(shù)人員到礦指導(dǎo)，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(shù)人員進(jìn)行了認(rèn)真排查，逐步扭轉(zhuǎn)了故障惡化趨勢，在采取相應(yīng)的措施后，使啟動困難的傳動系統(tǒng)故障逐漸消失，電機(jī)火花也在可控范圍內(nèi)，保障了礦山的正常生產(chǎn)。三年多時間過去，主井提升機(jī)這兩個故障再也沒有出現(xiàn)，充分證明了當(dāng)初判斷和處理的正確。

通過對上述兩個提升機(jī)故障的原因分析及其排除，筆者有如下的體會。

(1)一個優(yōu)秀的設(shè)備管理工作者在處理設(shè)備故障時要學(xué)會中醫(yī)的“望聞問切”，才能盡快地搞清發(fā)生故障的原因和機(jī)理。“望”即是仔細(xì)觀察設(shè)備本質(zhì)有無損壞、環(huán)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(chǎn)生異味;“問”是指向操作工人詳細(xì)詢問故障發(fā)生時操作工人的一些相關(guān)情況;“切”即是通過相關(guān)參數(shù)檢測、軟件故障跟蹤、故障試車觀察和備件更換參數(shù)更改后的試車等手段，以分清故障為功能故障還是參數(shù)故障、是相關(guān)故障還是非相關(guān)故障。

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

(3)避免犯經(jīng)驗(yàn)主義錯誤。傳動系統(tǒng)剛開始出現(xiàn)故障時，憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為是電流和速度反饋有干擾等問題所致，因?yàn)楣收吓c1996年礦山副井提升機(jī)調(diào)試時出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速抖動現(xiàn)象有點(diǎn)類似，只不過程度逐漸加重而已;后來又糾結(jié)在主從傳動通訊不良、觸發(fā)脈沖丟失和測量控制電路板等環(huán)節(jié)上，因?yàn)閺睦碚撋戏治瞿硞€或某幾個功率元件的不工作會造成電流的斷續(xù)、轉(zhuǎn)矩輸出不夠和磁場不能建立或弱磁等問題，實(shí)際上，該臺提升機(jī)在20多年的運(yùn)行過程中上述幾個問題都或多或少都發(fā)生過，這種歷史經(jīng)驗(yàn)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(yè)出版社，1981.

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

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