機械電氣系統設計和常見故障解決措施

張建峰

（方鼎科技有限公司 山東日照 276800）

在科學技術不斷進步的背景下，機械設備大量應用于工農業生產及人們日常生活中，不僅可以降低人工作業強度，而且可以提高作業效率。電氣系統是機械設備依據預定程序運作的關鍵，具有高精度、復雜性的特點，在運行過程中出現故障的概率較高。因此，基于機械電氣系統設計方法，分析機械電氣系統常見故障的解決措施，具有非常重要的意義。

1 機械電氣系統的設計原則

1.1 可靠性

機械電氣系統是負責控制全部與機械生產相關零件的系統，一旦系統出現故障，勢必會導致與之相關聯的設備癱瘓。因此，在機械電氣系統設計時，應貫徹可靠性原則，規避因機械電氣系統自身性能不穩定而引發的工業生產進程延滯問題。

1.2 完整性

機械電氣系統是一個高度復雜的系統，任意一個環節失誤，均會影響整個系統運行。因此，在機械電氣系統設計時，設計人員應貫徹完整性原則，確保系統充分滿足工業生產領域的要求。

1.3 經濟性

機械電氣系統是機械工業控制系統，與機械工業經濟效益緊密相關。在機械電氣系統設計過程中，需要貫徹經濟性原則，簡化系統操作流程，控制系統成本，確保機械工業總體效益。

1.4 發展性

因工業機械生產領域發展速度較快，多數工業生產機械、生產工藝均處于動態更新狀態。因此，在機械電氣系統設計過程中，設計人員應考慮系統后期擴展能力，特別是系統通信能力、輸入輸出接口。

2 機械電氣系統的設計方案

2.1 方案論證

在機械電氣系統設計時，設計人員應根據機械電氣系統控制對象，剖析系統運行主要程序以及運行動作、動作轉換時間等運動參數，為后續系統硬件的合理選取提供依據。例如，在基于PLC的機械電氣系統設計時，設計人員可以根據基于PLC控制所需的各種條件，系統探查機械電氣控制參數，以便充分利用PLC高度穩定、配套齊全、維護便捷、適應能力強的優勢，同步實現開關控制、順序控制。根據機械設備動作要求，可以借助限位開關裝置控制電氣系統內位置檢測信號，實現對機械動作的精準定位，進而在機械運動時，預先設置運動參數，在參數達到設定值時，準備下一步動作。同時，將壓力繼電器設置到油缸下屬液壓回路內，檢測回路通道的同時，實現基于扭斷按鈕的機械啟動/停止，或者基于電磁閥部件的上限位，上升/左右向移位［1］。

2.2 硬件設計

在機械電氣控制系統設計時，勢必需要配置較多硬件。因基于PLC的機械電氣系統指令源為可編程序邏輯控制器輸出離散型指令，指令的發出離不開可編程序存儲器的運作。除可編程序存儲器外，還可應用繼電器組、可編程序控制器、連接電路。其中，繼電器主要負責執行，由數字指令控制線圈，完成電源電路開合控制。例如，為控制機械電動機方向，可以利用3個繼電器組分別與PLC輸出端相連，配合變頻器限制，促使機械正轉啟動或反轉閉合。

在基礎模塊設計的前提下，設計者需要依據PLC外部硬件運行路線，完成I/O（輸入/輸出）分配，具體如表1所示。

表1 基于PLC的機械電氣系統I/O分配

2.3 運行流程設計

軟件運行流程設計主要是在硬件裝置基礎上，以上電狀態為前提，完成程序初始化。為了確保機械電氣控制系統實現自動化操作，在主電機初始化程序中，首先需要點擊電動機完成正轉電動運行，先后啟動主電機主觸點、星形，1.0s后，主電機主觸點開始運行且點動指示燈亮起［2］。其次，按下正轉連續啟動，促使機械主電機正轉連續運行，而在點擊點動反轉后，則可以進行后退操作。最后，點擊正轉停止或反轉停止，結束整體機械操作。

3 機械電氣系統常見故障

3.1 轉子阻抗異常

轉子是機械電氣系統的基礎組成元件，在機械長時間運轉過程中，轉子超負荷現象較為常見。一旦超負荷運轉，轉子內阻抗將發生不正常變化，阻礙機械電氣系統整體運行。具體表現為電壓、電流畸變且電流與功率同步增大，與機械擋位調整、開關狀態改變等操作均會引發轉子周邊溫度上升及轉子匝間短路、電感設備損壞有關［3］。

3.2 報警燈異常

充電報警燈是機械電氣系統重要安防部件，可以確保機械電氣系統充電安全。充電報警燈異常在機械電氣系統運行過程中較為常見，與發電機無法正常發電、導線線束斷路、連接件松動、調節器故障、電路接觸不良具有較大關系，該故障的存在直接導致了工作者工作量的增加。

3.3 控制器接觸不良

控制器是機械電氣系統的中樞，負責機械操縱指令的下達、傳輸。但在機械電氣系統運行過程中，控制器觸點損壞問題較為常見，可致使控制器觸點接觸不良，影響電氣系統操控機械運行狀態，最終干擾整體機械正常發揮作用。

3.4 油壓燈閃亮

油壓燈即機油壓力燈，是監測機械電氣系統機油壓力的有效工具。在機械電氣系統運行過程中，控制開關故障、保險絲熔斷、導線線束連接錯誤、電器線與外圍線束斷開均會導致油壓燈閃亮，影響機械正常運行。

4 機械電氣系統常見故障的解決措施

4.1 轉子阻抗異常故障的解決措施

為確定轉子阻抗元件損壞的原因，維修者可以從轉子不同運行狀態著手，開展交流阻抗試驗。首先，重復多次交流阻抗試驗，在交流阻抗數據無較大差異且電流、功率同時出現幅值一致增大的情況時，去除調壓器，加入220V交流電源電壓，再次進行交流阻抗試驗。在電流、功率顯著增大現象仍未消除后，按下關停按鈕致使轉子進入靜止狀態。進而將轉子部分碳刷拆除，將交流阻抗試驗用夾子直接夾持在轉子滑環上，施加電壓，重復上述交流阻抗試驗操作。在試驗中，電流、功率顯著增大表現仍未消除后，開啟機械電氣系統，調整轉子運轉速度為3000r/min，再次重復上述交流阻抗試驗操作［4］。在結果無不正常表現后，調低轉子運轉速度并增設固定電壓，得出在轉子運轉速度達到20r/min時電流、功率同時向高水平發展情況再次出現，且電流、電壓波形存在畸形變化。由于電感設備、電阻設備并不會導致電流、電壓畸形變化，由此可推斷，故障原因是轉子回路內其他設備元件加入，且相關元件為非線性元件，如位于轉子過電壓保護回路內的碳化硅滅磁電阻，該電阻元件的加入會直接與轉子并聯，致使轉子匝間短路，誘發電流、電壓畸變。

針對上述故障，維修者可以在后續轉子運行過程中推出熱工保護及勵磁系統直流側保護、測量回路，并拉開保險。同時，每間隔一定時期測量勵磁系統非線性電阻伏安特性，保證相關問題的及時發現、處理，降低轉子阻抗異常故障發生概率。若上述問題仍未解決，則維修者可以拆開轉子，重新連接回路，或者直接進行轉子及周邊電路的更換，徹底解決故障。

4.2 報警燈異常故障的解決措施

為順利解決機械電氣系統充電報警燈異常故障，維修者可以對故障原因進行分析。首先，維修者可以觀察不同機械電氣系統運行狀態下充電警告燈情況。例如，充電報警燈在待機擋位正常，機械啟動后充電報警燈報警，表明故障原因為蓄電池不充電，測量對應狀態下端子電壓并讀取機械數據流，在端子電壓小于12V且機械數據流噴油脈寬提高到4.0ms時，可以推測發電機無法正常充電是充電報警燈異常的直接原因，與發電機自身部件損壞、主要連接件松動、調節器故障、電路接觸不良或斷開具有較大關系［5］。其中，發電機自身部件損壞主要包括電壓調節器故障、電刷與集電環接觸不良、整流二極管故障等；調節器故障主要為調節器穩壓器短路、調節器與發電機搭鐵不配套等。

為確定報警燈異常故障的原因，維修者可以對發電機附件進行檢查。確定附件與質量標準相符且松緊度恰當后，利用萬用表進行附件至蓄電池電阻值測量。確定負極搭鐵電阻正常后，對發電機內部進行檢查，在發電機內部電控電路無明顯不正常現象后，更換全部充電電路，規避電路老化對故障原因推斷結果影響。更換電路后，發現蓄電路值無較大變化，表明電路接觸不良或斷開、主要連接件松動均非故障原因。隨后，更換發電機定子、轉子，故障未消除，表明發電機自身部件損壞非故障原因。此時，測量線路勵磁信號與信號數據流，得出曲線波不規則，與正常機械電氣運行正弦波差距較大。表明調節器內高壓阻尼線受干擾是故障主要原因。也因此，可以更換1組新的高壓線組件，排除故障。

4.3 控制器接觸不良故障的解決措施

對線路材質保護不到位、連接線磨損、接插件松動是機械電氣系統控制器線路接觸不良的主要原因，具體表現為機械電氣系統控制器外部接線、接線口連接接觸不良。在出現上述故障后，維修者可以將控制器從機械電氣系統內拆除，目視控制器連接線，觀察連接線外側絕緣皮是否完整。若連接線外側絕緣皮破損，則維修者可以重新購買可承受高溫的連接線進行連接。而在確定連接線外側絕緣皮完整后，維修者可以用手掰動系統控制器接線口，判斷系統控制器接線口是否存在松動。若系統控制器接線口無松動現象，維修者可以根據電氣系統控制器接線說明圖，觀察接線是否正確，若不正確，則對電氣系統控制器進行重新接線；若正確，則表明控制器內部元件出現故障，需進行控制器的更換。

若重新接線后故障仍然沒有消除，則維修者可以利用萬用表對電源管理電路各點輸出電壓是否正確，若存在問題，則更換損壞元器件，反之，則繼續查找。在電源管理電路各點電壓無異常時，維修者可以主控芯片為重點，尋找輸入腳，利用萬用表測量輸入腳位置電壓值，觀察相應電壓值是否存在由小到大變化，若不存在，則表明輸入腳存在問題，反之，則繼續檢查主芯片［6］，即面向線路板尋找脈沖寬度調制輸出位置，利用萬用表測量相應位置電壓值是否存在變化，若不存在變化，則表明脈沖寬度調制輸出位置損壞，需要更換芯片，反之，則檢查功率管驅動電路。借助萬用表測量電路柵極電壓值是否存在從低水平到高水平變化，若無變化，則表明驅動回路存在故障，需要尋找損壞元器件并更換，反之，則需要重新連接功率管。

4.4 油壓燈閃亮故障的解決措施

機油壓力燈閃亮故障原因之一是機油壓力始終處于低位。為判定是否為這一原因，維修者可以抽出油尺，對機油量進行檢查。在確定機油充足后，拆除機油壓力傳感器，短時間內啟動機械，對機械噴油情況進行檢查。在機油壓力傳感器安裝座孔無法順利噴油時，逐一拆除并檢查機油濾清器、限壓閥、旁通閥、泵、機濾器，反之，則對機油壓力傳感器運行情況進行檢查。根據檢查結果，采取針對性維修措施，比如，更換機油濾清器、旁通閥等部件等［7］。

機油壓力燈閃亮故障的又一原因是機油壓力始終處于高位。維修者可以對機油壓力表進行檢查，確定機油壓力表無誤之后，對機油壓力傳感器進行檢查，包括傳感器后油道、限壓閥、軸承間隙等，根據檢查結果采取針對性解決措施。例如，在傳感器后油道堵塞時，拆下油管進行疏通或更換油管；對于限壓閥損壞情況，更換限壓閥；對于軸承間隙過大情況，則重新焊修間隙。

若上述操作仍然無法排除故障，則維修者可以對機油壓力燈特定保險絲進行檢查。在確定保險絲無熔斷情況時，對控制開關電器件進行檢查。在開關無異常后，對電器件阻值進行測量，若阻值為0，則表明電器件內部短路，需重新連接電路。

5 結語

綜上所述，機械電氣故障具有損害性、預告性特征，不僅影響了整體機械正常運行，而且會誘發安全事故。因此，相關技術人員應結合機械電氣系統的硬件結構與運作流程，剖析機械電氣系統故障發生規律，利用現代化故障排除技術，在機械電氣系統故障發生之初，進行有效維修，為機械電氣系統的安全、高效工作提供保障。