RH170B 回轉系統泄漏后失控的分析及應對措施

陳鳳偉

（內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000）

液壓挖掘機是大型露天礦采剝作業和實施大型施工工程的主要設備，與傳統的純機械式電鏟相比，具有整機質量輕、機動性能好、操作靈活和運營維修成本低等優點[1]。但RH170B 液壓正鏟在使用過程中，曾出現回轉“失控”的故障，存在極大的安全隱患，為避免該故障再次發生、釀成事故，特對該設備回轉系統進行了分析。

1 礦山設備和故障現象

內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司核準建設規模3 000 萬t/a，項目遠期規劃產能6 000 萬t/a，其中剝離選用了單斗-卡車＋半移動破碎站-帶式輸送機半連續-排土機半連續開采工藝，由于目前半連續系統未投用，暫時采用單斗-卡車工藝。其中2臺RH170B 液壓正鏟是進行剝離作業的主采設備之一，與100 t 級自卸卡車配合作業。RH170B 液壓正鏟是由原比塞洛斯公司研發生產的斗容20 m3級的挖掘機，有正鏟和反鏟2 種結構，提供柴油機動力和電力驅動2 種動力形式，內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司選用的2 臺RH170B 是電動液壓正鏟。比塞洛斯公司被卡特彼勒公司收購后，設備型號改為6040。

2018 年6 月，RH170B 液壓挖掘機在進行裝車作業時，出現回轉失控現象，上盤向右急速回轉，反向操作手柄無法停止，司機立即按下“緊急停機”按鈕，但是設備仍然未能立即停止回轉，回轉系統出現“失控”現象，上盤持續動作，最終導致挖掘機齒尖刮到正在配合裝車的卡車的倒車鏡和駕駛室門，事后檢查發現故障原因為回轉主回路油管崩裂漏油。此次故障雖未造成大的損失，但出現的回轉“失控”現象有著極大的安全隱患，甚至存在卡車司機人員傷亡的風險，為避免再次出現同類故障釀成惡性事故，對該設備回轉系統的原理和故障原因進行了分析。

2 回轉系統構成及工作原理

2.1 回轉系統構成

該設備由1 臺6 kV、1 400 kW 的電機提供動力，再由分動箱帶動油泵組，通過伺服系統控制，為各個機構提供液壓油，各個機構的動作均是由液壓驅動。其中回轉系統是雙向控制的閉式液壓回路，包括主回路、補油回路、伺服控制回路、溢流保護回路以及制動系統等[2]。回轉系統是利用伺服控制回路來改變回轉油泵的輸出方向和流量，從而來改變回轉系統的方向和轉速。

該設備回轉系統有3 臺回轉油泵和3 臺回轉馬達，由回轉油泵直接供油給回轉馬達。回轉油泵和液壓馬達均是并聯連接，主回路中無其他控制閥組，回轉機構不具備自鎖功能，正常操作時，若回轉制動打開，操作手柄處于零位時，上盤將一直處于浮動狀態，若要在回轉過程停車，只能通過改變油泵供油方向，向回轉馬達反向供油，給回轉機構反向回轉力矩來實現。

在回路中，回轉油泵的輸出流量直接供給回轉馬達，回轉馬達的回油接到油泵的吸油側，系統通過補油泵對回轉系統進行補油，補油泵0 4 是內置到主泵后邊的齒輪泵，向吸油側進行升壓補油，用于補充更換回轉系統內回轉泵和回轉馬達內部泄漏造成的油損失[3]。在系統中布置有沖洗閥，每個回轉動作中沖洗閥都從低壓側回路中排出一定油量，用于回轉系統內的油液交換和冷卻。

回轉機構鎖死靠回轉制動器來實現，屬于制動器制動回路，該設備的回轉制動被設計為駐車制動，在停止挖掘或長時間行走時使用，在司機室有單獨的操作開關[4]。回轉制動器是液壓盤式制動器，直接對回轉減速機構進行制動，制動回路的壓力油由先導油泵提供。回轉制動器的操作開關控制對應的電磁閥動作，當電磁閥通電時，制動回路導通，回路內的先導壓力油（5 000 kPa）打開制動器；電磁閥斷電后，制動回路關閉，制動器供油被切斷，制動器內的液壓油釋放回流至油箱，制動器通過內部彈簧進行關閉。

2.2 回轉系統工作原理

主回路中的回轉油泵是帶扭矩控制系統的可變容量泵，通過回轉平衡閥的動作，來改變泵的變量機構動作，實現回轉機構的變速和換向。

回轉平衡閥兼有方向控制和流量比例控制功能的液控比例方向閥，可以實現液壓系統的換向及速度的比例控制。回轉平衡閥的先導控制壓力與主回路壓力的比例是1∶16，先導控制壓力是由電液比例壓力閥提供，當需要回轉動作時，操作手柄動作，向電液比例壓力閥提供0～650 mA 的信號，比例閥打開，使對應的0～3 100 kPa 的先導液壓壓力油流向回轉平衡閥控制閥的相應控制口。回轉平衡閥為3 位4通閥，可實現回轉油泵斜盤雙向動作，通過對回轉油泵的斜盤進行調節，斜盤動作后，調整泵的出口方向和流量，從而調整回轉方向和速度[5]。回轉系統使用回轉平衡閥進行方向和流速控制，省去了其他調速原件，能迅速準確地實現工作循環[6]。

2.3 系統特點

該設備回轉系統的閉式回路整體結構緊湊，傳動平穩，不但能夠縮短循環時間，提高能源效率，同時還能減少熱量的產生，在回轉動作期間，通過反作用控制進行制動，在減速期間節省能源，反饋的動能可以回饋給系統，提供更強大的動力來驅動主泵和輔助泵，可以加快動臂提升速度，提高整體生產率。在反向制動時，回轉馬達變為“液壓泵”工況，帶動回轉油泵工作，使回轉油泵處于“馬達”工況，制動動能可以直接被利用，一部分制動動能經分動箱輔助電機驅動其他泵運行，進行轉換利用，能量使用效率高[7]，回收利用的制動動能最高時可達50%。

3 回轉系統“失控”原因

經過對回轉系統工作原理的分析，系統是通過反向供油來實現回轉減速或停止的，油泵與馬達的進出油口直接相連，在該設備的回轉系統油管崩裂后，反向操控時油泵和馬達內的油液直接泄漏，系統形不成回路和壓力，因此回轉馬達無法反向運轉，回轉機構在慣性作用下持續動作，導致回轉操作手柄失效，上盤的回轉處于“失控”狀態。

根據設備操作手冊要求和操作慣例，當出現緊急情況時，需要按下“緊急停機”按鈕來實現設備停機，在出現故障后，司機也按要求操作了“緊急停機”按鈕，但主電機斷電后，回轉系統未能立即停止，仍持續回轉，存在“緊急停機”“失效”的現象。

通過查閱電氣技術手冊和現場查驗，設置了3處“緊急停機”按鈕，司機室的停機按鈕，400 V 控制柜的停機按鈕和尾端拉線開關。操作手冊要求在緊急情況下啟動緊急開關之一，但根據線路圖顯示，所有的“緊急停車”按鈕只是對應控制“PLC 主電機控制”模塊對主電機進行斷電，不對其他系統模塊和回路進行控制，系統中的24 V 電源也持續保持供電[8]。

結合“緊急停機”控制原理，在回轉系統出現故障后，按下“緊急停機”后，設備主電機斷電，電機轉速持續下降直至停止，電機未停止運轉時，先導油泵仍然處于工作狀態，先導油路內仍保持有壓力。同時，按下“緊急停機”后，回轉制動器的電磁閥并未斷電，制動回路處于通路，仍保持有壓力，制動裝置處于打開位置，回轉系統處于浮動狀態，上盤在慣性作用下持續回轉，直至電機轉速降低到一定程度，先導油泵形成的壓力不足以使制動器保持打開狀態，制動器動作，上盤停止回轉。

由于故障是在回轉過程中出現，回轉“失控”時上盤的回轉慣性較大，回轉速度較快，在回轉制動回路內的管路壓力降低至動作壓力以前，制動器一直是打開狀態，因此在操作手柄“失效”后，上盤的回轉處于“失控”狀態。

該設備回轉制動器是駐車制動，在正常作業過程中不允許使用該制動進行強制停車，司機也未形成利用駐車制動來緊急停車的意識，因此在回轉失控情況下，司機只是按下“緊急制動”按鈕開關，并未操作回轉制動，導致上盤處于浮動狀態。

4 系統測試

在更換油管后，系統恢復正常，隨后對回轉機構的分析情況進行了驗證，驗證時將該設備停放在空曠的具有一定坡度的地面上，具體驗證項目及結果如下：

1）上盤浮動測試。在回轉作業情況下，將鏟斗與坡面垂直，把回轉操作手柄處于0 位時，上盤進入浮動狀態，鏟斗由于重力向坡底方向自動旋轉，若要保持懸停位置，需要給予回轉手柄動作，方能找到平衡位置。

2）“緊急制動”后回轉“失控”測試。在回轉作業情況下，上盤回轉過程中將回轉操作手柄回到0 位，模擬回轉“失控”狀態，按下“緊急停機”按鈕，電機斷電逐漸減速直至停止運轉，上盤進入浮動狀態，鏟斗由于重力向坡底方向自動旋轉，到達最低位之后往復擺動。經觀察，擺動持續約15 s 后回轉制動器動作，上盤停止回轉。若“失控”時回轉轉速過快，在“緊急制動”生效以前，上盤在慣性的作用下將會回轉較大的角度，存在安全隱患，此次的故障就是在此狀態下發生。

3）回轉制動器制動。在回轉作業情況下，上盤回轉過程中將回轉操作手柄回到0 位模擬回轉“失控”狀態，操作回轉制動開關，制動器動作，約1 s 后上盤停止回轉。

4）鑰匙操作實現回轉制動。在回轉作業情況下，上盤回轉過程中將回轉操作手柄回到0 位，模擬回轉“失控”狀態，操作鑰匙開關至停機位置，回轉制動器動作，約1 s 后上盤停止回轉。

經測試，“緊急停車”按鈕15 s 后才能使回轉制動器關閉，不能立即使回轉動作停止，回轉制動開關和鑰匙開關能使回轉動作快速停止，測試結果與系統原理分析情況相符。由于上盤的回轉慣性很大，為了避免出現意外事故和損傷回轉制動器，測試時回轉速度較慢。

5 應對措施

根據RH170B 液壓正鏟的回轉系統特性以及現場測試結果，針對該故障制定了應對措施并修訂了該設備的操作規程。

1）要求定期檢查油管，并按照保養手冊要求更換油管，避免出現因油管老化或破損造成油管泄漏。

2）在司機崗前培訓時，對系統特性進行培訓，在發生回轉系統操作“失控”的緊急情況下，應利用停車制動進行緊急停機，而非單獨操作“緊急停機”按鈕，正確的應急操作如下：①手動操作停車制動開關，強制斷開停車制動閥組，使回轉鎖死；②操作鑰匙開關，斷開設備的全部控制回路的電源，使停車制動閥組斷開，回轉鎖死。

由于回轉制動器為駐車制動，非緊急操作開關，原始安裝位置與其他開關位置距離較近，不易辨識，而鑰匙開關的安裝位置距離座椅較遠，不便操作，在緊急情況下都容易出現操作失誤的情況。因此，將回轉制動器的開關位置改接至位置較為獨立的備用開關位置，以便在出現緊急情況下時快速操作。

6 結語

通過對RH170B 的工作原理和系統特性的分析及現場的驗證，確定了回轉“失控”故障是由于在回轉主回路泄漏后，回轉操作手柄失效時，“緊急制動”與“回轉制動器制動”生效的時間差造成，在此空檔期內，回轉系統不能得到控制，在慣性作用下回轉速度過快，對配合作業的車輛和駕駛員帶來了較大的安全風險。根據對回轉系統工作原理的分析結果，制定了維護要求、培訓要求和具體的應對措施，能有效避免安全事故發生，可為各個礦區同類設備的安全操作提供參考。