变频调速系统挖掘机提升机构失控故障浅析

鲍志明

（江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

1 引言

近年来，低碳环保的绿色发展理念越来越深入人心，各个国家都制定了相应的发展路线和时间表，以如期达到预定目标［1］。作为2020年经济体量排名全球第二的大国，我国也制定了适应具体国情的碳达峰碳中和政策，这是我国实现绿色高质量发展的必然要求，是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革［2］。

以此为引导，各行各业都将绿色低碳作为发展的主旋律［3］。在露天矿山的开采中，作为核心设备之一的WK系列电铲，素来以使用绿色电能、能效利用率高以及零排放而备受青睐，成为国内国际露天矿山开采的首选设备［4］。设备的实际使用中，其可动率直接关系到整个矿山的产能［5］。因此，电铲的日常维护保养就显得格外重要。针对偶发的提升机构失控故障，虽然发生概率极低，但一旦出现，往往会对电铲本身以及周边辅助设备造成一定的危害。所以，如何预防以及出现该故障后如何分析，对日常维护保养具有很大的指导意义［6］。

2 挖掘机提升机构

WK系列电铲由提升、推压、回转和行走四大机构组成。其中提升和推压机构在一个挖掘循环中通过司机的操作互相配合，控制铲斗沿物料自下而上形成切削运动，完成物料的剥离和装载。装载完成后借助回转机构转动上车平台，将铲斗转至自卸车上方卸货。作为主要的工作机构，提升机构由2台电机通过减速箱刚性连接，共同驱动提升卷筒。提升钢丝绳缠绕在提升卷筒的绳槽内，控制铲斗上下运动。每台提升电机的非传动轴端均装有盘式制动器，提升机构处于抱闸状态时，依靠2个独立工作的盘式制动器产生足够的制动力矩将铲斗制动。盘式制动器采用气动控制，气路上按顺序装有减压阀和电磁阀，减压阀用于降低气路的气压至合适范围，电磁阀用于控制气路的通断。当电磁阀断电时，通过抱闸附近安装的快速排气阀将气体迅速排出，从而达到快速制动的效果。提升机构的结构图如图1。

图1 提升机构结构图

工作过程中，提升机构需要在行程范围内频繁的加速减速，输出转矩也随外界负载和主令给定时刻变化；当挖货过程中遇到爆破不充分的大块岩石，或者上方掉落的大块物料时，提升机构会受到突发的大载荷冲击。因此，提升机构的负载情况复杂多变，波动范围较大。

两台700kW提升电动机由两台1000kW逆变器驱动，由于两台提升电机间存在机械耦合，所以两台逆变器之间采用转矩主从控制方式，其中主装置（MASTER）为速度控制，从装置（SLAVE）为转矩控制，这样提升机构既实现速度控制，又保证两台电机间的出力均衡。电动机控制特性曲线如图2所示，从交直流控制特性曲线的包络面积可知，变频调速较直流调速具有更高的作业效率。

图2 提升电动机控制特性曲线

3 变频调速系统工作原理

变频调速其优越的调速性能和交流电动机的高可靠性注定了它将逐步取代直流调速系统成为电气调速的主力军。矿用挖掘机采用变频调速系统也将是技术发展的必然结果；太原重工已经对WK-4、8、12、20、27、35、55、75等进行了全系列变频调速系统设计。

整流单元、公用直流母线变频调速系统简图见图3。

图3 AFE整流回馈单元、公用直流母线变频调速系统简图

4 失控故障原因分析

电铲属于大型设备，露天使用，工作环境比较恶劣，工况也很复杂。所以，在经过十数年的长期运行后，设备上的各种元器件会不可避免的出现不同程度的老化和磨损现象，进而引起相应的故障。因此，根据不同的故障原因，分为电气故障和气路故障两大类。

4.1 电气故障

提升电机在电气系统中采用带速度传感器的闭环控制，将主令给定和速度反馈的差值作为速度环的有效输入。因此，速度传感器信号是否准确直接关系到控制系统能否输入真实的速度偏差，从而有效的控制电机转速跟随给定。实际运行中，由于露天矿山的粉尘较大，粉尘中的金属微粒在密封逐渐老化的过程中，不断地在速度传感器的感应探头上聚集，日积月累，造成速度传感器的反馈波形失真。通常情况下的方波此时通过示波器显示，会随机出现数个无法被逆变器确认为方波的波形。逆变器的输出电流脉冲频率通常在1.25kHz，即800μs一个电流方波输出。因此，在速度传感器出现畸变方波的时间段内，逆变器输出的数个电流脉冲无法确保电机控制的有效性，视为造成失控的一种可能原因。

另外，目前主流的电机控制拓扑结构中，速度传感器通常经过一个特定的信号转换模块，将方波信号转换后传递至逆变器主控单元。因此，信号转换模块、连接主控单元的通讯电缆都有可能成为故障点。该种类型的故障可以通过元件更换排查。

同时，连接速度传感器和信号转换模块的电缆也需要特别注意。首先在设备施工时，需要保证强电弱电分开布置，规范施工，不同类别的电缆分别布置在各自的线槽内，通过金属线槽也能起到相当的电磁屏蔽功能。其次需要选择屏蔽电缆，多芯双绞电缆为最佳选择，可以有效抵消共模干扰。屏蔽层的布置也很关键，电机侧通常接在接地端子上，柜内一侧，最佳选择是接地铜排，通过铜排的低电阻接地回路，最大程度释放耦合电流，避免耦合磁场对反馈信号的干扰。

4.2 气路故障

提升机构抱闸装置采用气动控制的盘式制动器，按照电铲工艺，制动器在两种情况下投入运行产生制动力：司机按下抱闸按钮或发生电气故障时自动紧急抱闸。司机操作时电铲一般为空斗状态，而紧急制动可能发生在任何时间段内，包括刚挖满货时的满斗状态。因此，机械抱闸的一个重要功能在于电气系统出现故障时，作为设备的最后一道安全屏障，其重要性不言而喻。

为监测抱闸的摩擦盘是否过度磨损，通常在动盘上安装一个微动开关，其行程在出厂前经过校准，摩擦盘的厚度降低到一定程度后，微动开关动作，向控制系统发送信号，及时提醒维护人员进行更换。当微动开关出现卡死，或经过更换二次校调不准确时，会造成抱闸无法产生足够的制动力。这种情况在司机操作时一般较难发现，会被误判定为抱闸状态正常，一旦出现满斗时紧急制动的情况，才会被操作人员发现。

干燥柜、减压阀和电磁阀的工艺配合也是一个重要因素。通常主气路系统的气压在9～13bar范围内波动，经过提升抱闸减压阀后，气压稳定在6.5bar。该气压值在电磁阀正常工作范围内，可以保证断电后电磁阀可靠关断。设备经过十数年运行后，减压阀存在失效风险，此时，电磁阀的工作气压会超过额定值，容易造成不定期的关闭失效甚至电磁阀阀芯损伤。该种故障现象较为隐蔽，常规检查难以发现。在潮湿环境下，空压机提供的压缩空气中会存在微量水汽，当水汽附着在电磁阀阀芯上时，会产生微小的腐蚀作用，日积月累，腐蚀程度越来越明显，将造成电磁阀无法可靠关断。寒冷地区，气路系统中应及时添加防冻液，防止可能的水汽结冰。当冰粒卡在电磁阀的阀芯内部时，同样会造成不定期的关闭失效。

另外，抱闸附近安装的快速排气阀也应定期检查。由于电铲工作在露天矿山环境中，各种粉尘及颗粒的长期聚集容易造成排气不畅，从而使抱闸无法及时关闭。该故障通常表现为制动力不足，尤其是满斗制动时，铲斗会自行下落一段距离，对抱闸的摩擦盘造成过度磨损。

5 结论

通过上述故障原因分析，电铲在日常维护保养中，除了常规点检外，还应采取一些针对性的措施：

（1）电气方面，根据现场工况每隔两至三个月检查电机速度传感器探头是否有金属粉末聚集。一旦发现，应对电机密封进行处理。控制柜内的信号转换模块应保持清洁，防止带电粉尘累积；

（2）气路方面，首先确保气路元件的完整，尤其是减压阀的正常工作。冬季低温时保证气路系统防冻液及时添加，干燥柜以及自动排水阀正常运行。

虽然电铲出现故障的具体原因和表现千差万别，但根据基本原理和工艺，出现故障后进行细致的排查和推断，总能发现蛛丝马迹找到问题原因。针对不同的原因，在维护中着重采取措施预防，就能取得良好的效果。