WK-35 电铲两种集电环优缺点分析

王柏春，高方欣，于宝青，李武杰

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林郭勒盟 126000）

0 引言

随着露天矿生产能力的增加，越来越多的大型电铲被用于露天采矿生产中。神华北电胜利能源有限公司现有6 台太原重工生产的WK-35 电铲，用于土方剥离和原煤开采。这些电铲均采用6 kV 交流电通过电缆提供动力。电铲分为上部平台和下部平台，供电电缆安装在下部平台耦合器处，各个电气设备大多安装在上部平台。在电铲作业过程中需要进行转动作业，为了使下部平台电缆给上部平台供电不会把电缆扭伤，电铲采用了集电环装置。

1 集电环的概念

集电环也叫导电环、滑环、集流环、汇流环等。它可以用在任何要求连续旋转的同时，又需要从固定位置到旋转位置传输电源和信号的机电系统中。滑环能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤。

2 集电环在电铲上的作用

WK-35 电铲是用电能驱动各个电机使电铲各部位运动，将电能转换成机械能的装置。电铲由上下两个平台组成，其中在上部平台装有提升机构、回转机构和推压机构，三者配合作业完成电铲装车任务；下部平台装有行走机构，负责电铲的移动。集电环是电铲重要的电气装置，它将外部电源通过集电环中的高压环将电能传送至上部平台高压开关柜、变压器等电气装置后，通过PLC、矢量变频器，控制上部平台各个电机驱动各个机构，再通过集电环将上部平台变频器的输出电流通过集电环中低压环部分通过六道环体将电能传送到下部两个行走电机，驱动左右两个履带的行走。通过低压环中的三道环进行行走气路电磁阀的控制来使行走电机制动器打开或关闭，通过三道环对压力开关进行检测已确定行走制动器的打开或关闭。电铲行走电机为变频电机，需要独立风机进行风冷，集电环中有三道环体给行走电机风机提供电源。由于电铲在装车作业的过程中会发生旋转，为了传输电源和信号并避免电缆的扭伤采用了集电环装置。

3 集电环在电铲上的种类

3.1 高低压分离式

电铲集电环有两种，其一为高低压分离式集电环（图1），其中高压环部分分为环体部分和集电靴部分，用于对6 kV 进线电缆进行电能的传送。其中集电靴装置安装于下部平台上，三相进线电缆及接地线均安装于集电靴上。当设备旋转作业时，其与下部平台均保持静止状态。环体部分安装于上部平台上，三相环体与接地环体通过电缆连接到上部平台高压柜负荷开关上。当设备旋转作业时上部平台相对于地面绕中心轴转动，集电靴内电刷始终与环体进行相对运动并且集电靴内弹簧装置使电刷不离开环体。外线电缆通过集电靴、高压环体将电能供给到高压柜。低压部分可分为两部分分别为刷架部分和环体部分，其中刷架部分有电刷、刷握、保持架等装置。环体部分有6 道大环和8道小环通过绝缘装置固定在一起，通过螺栓装置将其固定于中心轴上。其中中心轴和下部平台是过盈配合，这样就保证了低压环环体不动，当电铲旋转作业时电刷绕着低压环体绕动的同时将信号和动力传输到下部平台电机、电磁阀、压力检测开关上。

图1 高低压分离式集电环

3.2 高低压环一体式

高低压环一体式集电环作用与分体式集电环一样，区别只是高压环在上平台，高压环刷架固定于上平台上（图2）。高压环体与低压环体固定在一起在中心轴上，在设备回转作业时高压环体与低压环体由于固定在中心轴上相对于下部平台保持不动，刷架固定于上平台随上部平台一起绕中心轴做旋转运动。

图2 高低压环一体式

4 存在的问题

4.1 高低压环分体式

高低压环分体式集电环安装于某厂2009 年生产几台电铲上，随着设备的运行，一些问题也都显现出来。

（1）该种类集电环检修困难，由于这种集电环设备上级没有开关，在进行高压环维修检查过程中必须断开外界供电线路，过程非常繁琐。由于高压集电环在上部平台和下部平台的连接处的腔体内，外部四周是回转大齿圈，上部几乎封闭，下部只有2 个直径0.8 m 的圆孔供检修人员检修作业，在这样一个半封闭环境下作业十分危险。

（2）由于回转大齿圈需要润滑，随着设备的运行，集电环腔内会有大量的润滑油将电缆完全淹没，存在安全隐患。且润滑油变质也有产生有毒有害气体的可能，对进入高压环腔体检修的维修人员存在人身伤害。在润滑油的沁浸下，电缆容易老化变质甚至短路，使设备在短时间内不具备修复条件。

（3）电铲在回转作业时集电靴电刷与滑环相对滑动，随着振动和时间的作用，电刷会发生偏离，如果未能及时发现会有相间短路的情况发生。更换集电靴非常耗时耗力，如果滑环发生损坏，设备在工作面将不具有短期修复条件，必须将上部平台分解拆卸后，集电环修复完成后再进行组装，工期将不低于两个月时间。而且设备无法移动，占据工作面空间，影响露天矿正常生产计划。

4.2 高低压一体式

高低压一体式集电环由于整体在上部平台，而且设有观察窗。维修人员在检查高压环时只要打开外层观察窗就可以观察电刷与环体是否发生损坏。而且当进线电缆发生损坏或故障时只需将集电环整体进行更换就能使设备恢复运行，工期只有2 d。

5 故障问题分析

5.1 集电环电缆接错

故障流程：10 月25 日8：05，电铲司机报行走逆变器故障，故障现象为行走逆变器无法工作。约8：20 司机说集电环部位出现明火，随即使用灭火器进行扑灭。

故障检查：维修人员到达现场后，集电环部分烧蚀严重，各部电缆烧损严重，集电环本体不具备维修再利用条件。

故障处理：10 月28 日17：00，对集电环进行更换，经过长时间行走运行、回转运行、挖掘测试，已具备正常生产条件。

故障现象：对拆卸下的集电环进行细致检查发现的问题有以下3 点：①集电环线路接线方式错误；②集电环中压部分（电动机动力线），每道环体（动力线每相）上有4 组电刷，排列方式如图3 所示。切换柜至集电环每相线为2 根95 mm2电缆，正常应接入两侧刷窝固定螺栓上，进行负载分流，实际接线情况为2 根均接入一侧刷窝上，有单侧刷窝没有作用；③环体负载过大烧熔，其中最上一道环体检查后发现环体有熔化现象，呈水滴状凝结。

图3 集电环中压部分电刷排列方式

故障分析：结合发现的具体问题对故障进行分析，应为接线方法不对导致集电环每道环体载流量均较大，其中最上一道环体电刷最先发生接触不良引起电拉弧，在发生电拉弧后（类似电焊），拉弧面积在短时间内迅速扩大使环体熔化，高温铜液滴落至集电环底部与中心轴连接的法兰盘上引燃中心轴排出的润滑油，在持续燃烧的过程中，对本身已经受损的底部环体刷窝支撑杆绝缘皮造成进一步烧蚀，令其收缩碳化。第5 道环体电刷进一步下沉与第6 环体短路产生了变频器过流故障。

5.2 中心轴间隙调整有误，集电环电刷断裂

故障流程：5 月15 日11：10，电铲司机报行走制动器无法打开。

故障检查：维修人员到达现场后，检查发现集电环体电刷断裂，中心轴间隙过大。

故障处理：通过中心轴螺母对中心轴间隙进行调节，之后对已经损坏的电刷进行更换。

故障分析：高低压环分体式集电环在运行的过程中经常会出现电刷断裂的情况发生，由于低压环中的环体与中心轴是通过螺栓连接，与中心轴处于相对静止状态。而中心轴通过电铲上部平台中心孔通过超级螺母固定于上部平台，在电铲运行过程中相对于中心轴做旋转运动，但是随着运动和振动的过程中，中心轴超级螺母会发生反松的情况，导致上部平台不会按照严格的平面做旋转运动，导致在电铲挖掘作业的过程中产生一个垂直的运动。这个运动会带动刷架以至于碳刷做垂直运动卡在2个环体之间，导致电刷断裂，与上面环体短路。

6 集电环防扭伤装置的应用

由于电铲工作过程中集电环与下部平台脱离后，电铲没有报警系统，操作者并不能及时发现，电铲在旋转的过程中会对中心轴内电缆、油气管路造成扭伤。如果对中心轴内电缆造成扭伤形成短路或接地，油气管路漏气、漏油等情况必须进行维修处理。按照维修工艺流程则需要将集电环上方机棚顶拆除，集电环所有连接电缆拆除后，将集电环吊出，再对其更换电缆后按步骤进行回装，工期将不少于2 d。

要保证中心轴内电缆和油气管路不被扭伤，关键是要保证集电环环体与中心轴保持相对静止。集电环环体与中心轴连接是通过中心轴螺母连接，环体固定部分的两稳销与中心轴螺母间隙配合。故障发生一般是集电环两稳销断裂或拉筋断裂，导致集电环与上下平台发生相对位移。因此需要检测集电环与固定部位的同步性，并且要实现下平台及其连接部分的检测，检测线必须通过集电环备用环中的两环来实现，并且要挑选适宜的位置检测传感器来适应监测部位狭小的空间。

7 实施方案

将限位开关安装于中心轴顶端，监控中心轴与集电环环体固定销与中心轴是否同步，并将限位开关检测点输入至PLC。并且在程序中设备延时停机处串联此信号常闭点，当集电环环体固定销与中心轴发生相对移动时，程序控制设备延时停机，并通过输出点声光报警，使驾驶司机第一时间发现设备故障。

8 结语

集电环是电铲等电能驱动旋转作业设备的必要装置，在电铲设备运行的过程中两种形式的集电环也各自体现出了其中的优点与缺点。但是总体从安全性和稳定性来说，高低压环一体式集电环较分体式集电环优点更多，更适合在电铲上使用。