斗輪堆取料機電控系統故障處理探討

黃 斌，徐 剛，蔡圣華

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

為滿足大型干散貨堆場堆取料的作業需求，斗輪堆取料機應運而生并得以廣泛應用，雖然其在實際應用中提高了裝卸效率、節省了作業時間，但受多種因素的影響也會發生一定的故障，其中電控系統故障既加大了工作量，也造成了不必要的物料損耗，故必須予以妥善處理。

1 斗輪堆取料機概述

斗輪堆取料機是一種兼具堆料、取料和連續運輸功能的裝卸機械，目前主要用于港口碼頭、鋼鐵冶金、儲煤發電等場合中的煤、砂石、礦石、焦炭等散料的堆取作業，一般情況下由金屬結構、斗輪機構、懸臂皮帶機、俯仰機構、行走機構、回轉機構、電控系統、尾車等構成。在堆料環節，物料會從中心料斗上方進入下落至懸臂皮帶，處于堆料限位狀態的翻板會促使電機驅動皮帶沿著堆料方向運行，直至物料被卸至堆場。在取料環節，則是在斗輪機構的作用下將物料勾取至懸臂皮帶，并沿著取料方向運行直至翻板處于取料限位狀態，此時物料會經料斗斗罩下落至地面皮帶進而用于裝車[1]。故斗輪堆取料機作業具有規律性強、裝卸效率高、易實現自動化的特點。

2 斗輪堆取料機電控系統故障分析

2.1 故障表現及其影響

通常斗輪堆取料機翻板通過鉸點連接料斗導槽，并經兩側的液壓驅動裝置控制完成升降，同時其帶有的行程開關設于料斗斗罩上，并分別在堆料和取料到位限位開關的作用下控制位置。具體而言，在堆料時液壓油缸的縮回動作促使翻板拉回觸發堆料限位開關發生動作，待油缸縮回動作停止時翻板下降與導料槽貼合以免物料灑落至槽外；而在取料時則會在液壓油缸伸出動作的作用下推開翻板促使取料限位開關發生動作，此時翻板會升高離開導料槽，與堆料位置保持90°的同時高于懸臂皮帶50 cm左右，以此保證物料順利通過斗罩下落至地面皮帶[2]。

可是在長期運行過程中，斗輪堆取料機可能會因翻板不到位導致懸臂皮帶難以正常啟動，如此一來，后續作業會受到干擾，裝卸效率自然受到影響；有時也會因懸臂皮帶突然停車造成大量物料堆積而壓停皮帶，最終導致后端的水平運輸皮帶因荷載超限不能正常啟動，只能借助人工清理方可解決問題，但這不僅產生了額外的工作量，降低了作業效率，還在一定程度上增加了物料損耗，顯然不利于斗輪堆取料機的安全運行和高效作業。所以需要系統排查斗輪堆取料機電控系統，并對其控制程序加以優化。

2.2 電控系統故障分析

由于斗輪堆取料機中懸臂皮帶選用的是三相交流電機，并基于PLC 和Profinet 控制變頻器通信，為進一步分析斗輪堆取料機電控系統故障，在此以堆料作業過程中的部分梯形圖為例加以講解（圖1）。

（1）正常情況下，懸臂皮帶正常運行需先導通“M101.0”，這是滿足堆料作業自動正轉的前提條件。結合圖1 可知，當堆料作業選擇、懸臂皮帶零位所對應的“M100.0”和“M100.4”均為狀態1，自動選擇開關、手動選擇開關和就地選擇開關在正常完好的條件下被旋轉至“自動”位置，且操作人員下降中心料斗翻板至堆料到位限位開關保證“M120.0”狀態為1 時，方可在懸臂皮帶啟動按鈕按時達到懸臂皮帶沿著堆料方向運轉的目的。由此可見，堆料作業只有在滿足上述全部條件時才能實現自動正轉。

（2）當懸臂皮帶不能正常啟動時，根據操作臺觸摸屏可以發現，啟動按鈕“I10.0”、停止作業“I10.1”、懸臂皮帶零位“M100.4”以及堆料、取料作業選擇開關“M100.0”的按鈕狀態均為1，且手動、自動、就地開關能夠正常動作，只有堆料到位信號“M120.0”處于0 狀態。進一步分析可知，處于0 狀態的“M120.0”意味著中心料斗翻板所需的堆料限位開關動作指令并未按照程序要求傳遞至PLC，對此需要到達現場確認堆料限位開關的實際狀態和翻板是否到位，經現場檢查后得知液壓油缸無論是伸出動作還是縮回動作均正常，但是翻板帶有的行程開關擋塊并為觸及開關動作柄。

圖1 懸臂皮帶PLC 程序部分梯形

之所以出現上述情況，在很大程度上與機械結構設計有關。這是因為中心料斗中的翻板在連接導料槽時選用的是以插銷為橫軸的鉸點，若孔隙較大則易發生變形竄位，而行程開關只有在擋塊觸碰動作柄并推動一定距離后才能發生動作，故從某種意義上講該環節存在一定的設計缺陷[3]。同時當翻板與導料槽位置出現偏移時，行程開關支架不會因此變形，但焊接于翻板上的動作擋塊卻會受到影響導致動作軌跡偏離設定路線，而行程開關動作又依賴于動作柄的旋轉角度，此時擋塊位置已經有所偏移，進而造成動作柄旋轉角度不足、行程開關不能動作。所以此類故障需要借助設計優化進行解決。

（3）當懸臂皮帶出現突停故障時，可借助PLC 編程軟件對故障點進行合理的排查。具體應該參考故障記錄確認懸臂皮帶突停時是否出現了報警，經檢驗觸摸屏上并無報警記錄，說明故障與外部保護開關動作無關，隨后借助STEP7 對變量的監控功能明確故障所在。當斗輪堆取料機堆料作業為3000 t/h 的裝卸流量時，懸臂皮帶未發生突停問題，影響條件也無異常；但隨著裝卸流量的增大，懸臂皮帶狀態有所變化，尤其是當流量增至6000 t/h 時，下落的成塊粘接物料瞬間達到了10 000 t/h 的裝卸流量，懸臂皮帶隨即發生突停。結合變量監控得知，除了堆料到位“M120.0”由最初的狀態1 突然變為狀態0 外其余變量均無明顯變化。由于過大的裝卸流量致使中心料斗翻板被推開并離開限位開關，加之增大的瞬間流量持續時間一般小于2 s，所以在懸臂皮帶尚未完全停止時大量物料已經脫離料斗，翻板隨之復位至堆料位置。顯然操作人員難以及時發現故障所在，這也說明懸臂皮帶突停故障是由“M120.0”堆料到位造成的。

在圖1 的程序段中，翻板堆料限位“I43.4”對應的是翻板堆料位置限位的感應開關，一般情況下其屬于常閉點，在程序中經常以S 和R 輸入端分別作為常閉點串聯和常開點并聯。當翻板擋塊因位置偏移遠離感應開關范圍時，“I43.4”狀態會有所變化，即由原來的狀態0 變為狀態1，進而導致堆料到位“M120.0”被動復位，由狀態1 變為狀態0。這樣一來，懸臂皮帶實際條件因達不到運行條件導致皮帶停止運行，故要求加以適當的改進，以免當物料流量較大時推開料斗翻板導致擋塊離開有效的感應區域造成停機。

3 斗輪堆取料機電控系統故障處理

3.1 采取針對性的處理措施

針對斗輪堆取料機電控系統翻板不到位、懸臂皮帶突停等故障，可立足實際采取措施進行針對性的解決。如當中心料斗翻板出現不到位問題時，需明確故障原因，即擋塊不能觸及行程開關，然后從機械結構特點著手，在不影響正常功能的前提下保證液壓油缸動作變化時行程開關支架與其距離較小，換句話說就是盡可能的將支架安裝在距離油缸較近的位置，以期通過縮小兩者之間的距離減少翻板對行程開關的影響。如果工況較為惡劣，可用電感式接近開關替代傳統的機械式行程開關。這里提及的接近開關不僅具有微動開關、行程開關的特點，而且傳感性好，具有性能穩定、動作可靠、反應快速、防水耐腐蝕、抗干擾等特點，無需直接接觸運動構件，只要物體與接近開關感應面的距離達到動作距離便可進行動作進而提供控制指令。這一點是普通的機械式行程開關無法比擬的，如果條件允許可推廣使用。

針對懸臂皮帶突停故障，可在確認與堆料到位“M120.0”狀態異常有關后，結合操作人員無法及時發現故障的難題，對既有的控制程序加以適當的改進和優化，確保翻板達到堆料位置后設定手動操作，即除非手動控制否則“M120.0”始終處于置位狀態，以此防止大物料推開翻板而引發懸臂皮帶突停故障。

3.2 必要時加以適當的改造

考慮到斗輪堆取料機在眾多行業領域中作用突顯，為更好地保證其安全可靠的作業，可結合實際需求進行適當的改造，使其朝著智能化方向發展。如某發電廠現有的斗輪堆取料機堆料和取料出力分別為1200 t/h 和1500 t/h，電控系統主要包括懸臂皮帶減速機、輪斗減速機、行走機構、動力電纜卷筒、回轉結構、液壓電磁閥等驅動電機構成，在運行一段時間后時常發生故障，不僅故障頻率高、維修耗時長，而且更換數量大、維護工作量多，嚴重制約了斗輪堆取料機裝卸優勢的發揮，因此必須加以現代化改造。

經過綜合考慮和慎重分析，確定選用現場分布式I/O 結構和PLC 作為電控系統的核心，保留原有變頻器的同時優化行走控制方式，并以軟起動方式啟動懸臂皮帶和輪斗電動機，配以旁路系統提升控制的可靠性；為保證PLC 能夠準確高效的進行時信號傳輸和交換，煤場懸臂皮帶與翻板等重要部件的運行狀態實時呈現在操作臺，還應用了先進可靠的電感式接近開關，既消除了機械式行程開關的弊端，又能保證開關動作的靈敏性和準確性，大大降低了中心料斗翻板不到位的概率。改進后的PLC 控制程序使得懸臂皮帶突停故障得到了有效控制，其他故障也有明顯減少。總體上來說，該廠的斗輪堆取料機不僅安全性和作業效率得到了顯著改善，還延長了使用壽命。

斗輪堆取料機電控系統還應進行不斷的創新和完善，如基于激光掃描技術實時對料堆動態進行建模、借助先進的傳感技術精確定位斗輪位置以便進行全自動堆料取料等，這些均有利于斗輪堆取料機性能的提升和電控系統故障的降低。

4 結束語

總之，斗輪堆取料機優勢顯著，但在長期運行過程中不可避免會發生電控系統故障，這就要求相關人員基于對斗輪堆取料機運行特點的了解，合理分析其故障原因，然后采取措施加以維修和改進，降低故障風險，從而促進斗輪堆取料機安全、高效地服務于物料裝卸。