李學(xué)榮

（湖南有色重機(jī)工程機(jī)械公司，長(zhǎng)沙 410013）

步履式長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)適用于灌注樁、擠擴(kuò)樁、軟地基處理等各種基礎(chǔ)工程，廣泛應(yīng)用于城建、能源等中高層及橋梁基礎(chǔ)設(shè)施方面，隨著目前工業(yè)、民用建筑施工建設(shè)中要求工期短、成孔效率高，特別是當(dāng)下高效率快節(jié)奏背景下，原有的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)短板凸顯一覽無(wú)余：動(dòng)力頭輸出扭矩??；樁的深度不夠：目前施工中要求樁的深度超過(guò) 30m，成孔直徑達(dá)到800mm。

圖1 步履式長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)圖

綜上所述，為滿足國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的需要，我們必須開發(fā)出扭矩大，樁深度大，成孔直徑大的鉆機(jī)，這對(duì)機(jī)械和電氣方面提出了更高的要求。新研制步履式長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 新研制步履式長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)主要參數(shù)

1 常規(guī)設(shè)計(jì)及存在缺陷

目前市場(chǎng)上長(zhǎng)螺旋動(dòng)力頭電氣系統(tǒng)起動(dòng)方式采用自耦變壓器降壓起動(dòng)，控制方式為傳統(tǒng)的接觸器-繼電器控制形式，這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，電氣造價(jià)低。缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸輸出的扭矩小，切換方式采用時(shí)間繼電器控制，切換瞬間沖擊電流達(dá)到額定電流的3～4倍，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，造成工地上其他施工機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀現(xiàn)場(chǎng)電源變壓器。

原理簡(jiǎn)述：動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)用接觸器KM10控制，反轉(zhuǎn)用KM11控制，三位旋鈕選擇正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)情況下，KM10或KM11線圈吸合，自耦變壓器“星點(diǎn)”接觸器KM3可靠動(dòng)作后，自耦變壓器電壓輸入端接觸器KM2動(dòng)作，同時(shí)起動(dòng)延時(shí)繼電器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，延時(shí)繼電器動(dòng)作，延時(shí)觸點(diǎn)起動(dòng)中間繼電器KA，中間繼電器KA動(dòng)作并自保持，同時(shí)切斷自耦變壓器起動(dòng)回路，起動(dòng)旁路接觸器KM3，完成了一次起動(dòng)過(guò)程。電氣主回路圖及控制原理圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)力頭自耦變壓器起動(dòng)主回路及控制回路圖

為防止運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)載，采用熱繼電器KH作過(guò)載保護(hù)，熱繼電器的整定值根據(jù)電流互感器的變比及動(dòng)力頭電機(jī)額定電流來(lái)計(jì)算整定值，時(shí)間繼電器整定值按自耦變壓器要求進(jìn)行整定。

圖3示為了降低起動(dòng)時(shí)動(dòng)力頭起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，自耦變壓器的輸出端通常接的60%檔位，表示起動(dòng)電壓只有額定電壓的60%，對(duì)于功率額定的電機(jī)來(lái)來(lái)說(shuō)，電機(jī)起動(dòng)扭矩與電壓關(guān)系如下：

從上式得知，扭矩T與每相繞組電壓U1的平方成正比U1↓→T↓↓，當(dāng)電壓為額定電壓的60%時(shí)，輸出扭矩為額定扭矩的36%，這對(duì)動(dòng)力頭在地表面空載時(shí)可以正常起動(dòng)，如果動(dòng)力頭在地面深處阻力矩大于起動(dòng)扭矩時(shí)，動(dòng)力頭無(wú)法正常起動(dòng)，造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電機(jī)定子繞組發(fā)熱嚴(yán)重者會(huì)造成電機(jī)燒毀。

圖3 改變電源電壓時(shí)的人為特性

2 解決方法

采用國(guó)內(nèi)一款基于32位ARM微處理器開發(fā)的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器，該軟起動(dòng)器是一種新型智能化三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)保護(hù)裝置它是集起動(dòng)、顯示、保護(hù)、數(shù)據(jù)采集于一體的電機(jī)終端控制設(shè)備。用較少的電氣元件就可以實(shí)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，友好的中文顯示面板操作簡(jiǎn)便，提供RS 485通信接口，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus通信協(xié)議進(jìn)行主從通信。用戶可通過(guò)PC/PLC、控制上位機(jī)等實(shí)現(xiàn)集中控制，以適應(yīng)特定的應(yīng)用要求。

2.1 軟起動(dòng)器的作用

1）降低電機(jī)的起動(dòng)電流，減少配電容量，避免增容投資。

2）減小起動(dòng)應(yīng)力，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。

3）平穩(wěn)的起動(dòng)和軟停車避免了傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備的喘振問(wèn)題、水錘效應(yīng)。

4）多種起動(dòng)模式及寬范圍的電流、電壓等設(shè)定，可適應(yīng)多種負(fù)載情況。

5）完善可靠的保護(hù)功能，更有效地保護(hù)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的安全。

2.2 設(shè)計(jì)思路

動(dòng)力頭正反轉(zhuǎn)采用兩個(gè)交流接觸器 KM10和KM11來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用一個(gè)三位旋鈕SA1來(lái)控制交流接觸器KM10和KM11，交流接觸器KM1為起動(dòng)完畢后切換的旁路接觸器，交流接觸器的選型要按照重載方式選擇交流接觸器，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，動(dòng)力頭頻繁起停，而且鉆機(jī)鉆頭深入地下碰到巖石等堅(jiān)硬物體，此時(shí)電流比正常工作時(shí)會(huì)突然增大很多，而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，若按 AC-3類別方式選擇則會(huì)出現(xiàn)由于長(zhǎng)久過(guò)載導(dǎo)致接觸器觸點(diǎn)的燒損，因此建議采用AC-4類別方式選擇交流接觸器。

電流互感器TA1用來(lái)采樣運(yùn)行的實(shí)時(shí)電流值，作為保護(hù)用，電流互感器TA2用來(lái)采樣運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)電流值，作為測(cè)量用。電流互感器電流變比的選擇要考慮運(yùn)行時(shí)的沖擊電流的大小，精度一般為0.5級(jí)。

為防止在三相失電的狀況下起動(dòng)軟起動(dòng)器，導(dǎo)致軟起動(dòng)器“軟起動(dòng)器三相缺相”報(bào)警的頻發(fā)，軟起動(dòng)器起動(dòng)的開關(guān)量采用正反轉(zhuǎn)接觸器的輔助常開點(diǎn)作為軟起動(dòng)器起動(dòng)的條件。

軟起動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)設(shè)置了故障指示燈，同時(shí)切斷正反轉(zhuǎn)交流接觸器 KM10、KM11線圈控制電源，確保了動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)的安全。

采用軟起動(dòng)器電氣主回路及控制回路如圖4所示。

圖4 動(dòng)力頭軟起動(dòng)器起動(dòng)主接線圖及控制回路圖

3 重載起動(dòng)對(duì)軟起動(dòng)器要求

3.1 脫扣等級(jí)的要求

動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)屬于重載類別，因此軟起動(dòng)器內(nèi)部電子熱繼電器過(guò)載脫扣等級(jí)整定為30，電子熱脫扣脫扣曲線圖如圖5所示。

圖5 電子熱繼電器脫扣曲線

3.2 突跳起動(dòng)控制的要求

所謂突跳起動(dòng)是針對(duì)靜摩擦力矩較大的負(fù)載，必須施加一個(gè)短時(shí)的大起動(dòng)力矩，以克服靜摩擦力矩，這要求軟起動(dòng)器可以短時(shí)輸出90%的額定電壓。如圖6軟起（軟停）電壓（電流）特性曲線所示起動(dòng)瞬間用突跳扭矩克服靜摩擦力矩，然后扭矩平滑上升，縮短起動(dòng)時(shí)間。螺旋鉆桿處于地面深處，起動(dòng)動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于靜態(tài)阻力比較大，起動(dòng)扭矩小于靜態(tài)阻力矩，電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)，這種情況很危險(xiǎn)，解決方法，啟用軟起動(dòng)中的突跳軟起動(dòng)功能，通過(guò)施加一個(gè)瞬時(shí)較大的起動(dòng)力矩以克服大的靜摩擦力矩。該模式下輸出電壓迅速達(dá)到設(shè)定的突跳電壓，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的突跳時(shí)間后降為起始電壓，再根據(jù)所設(shè)定的起始電壓、電流起動(dòng)時(shí)間平穩(wěn)起動(dòng)，直至起動(dòng)完成。

圖6 軟起（軟停）電壓（電流）特性曲線

對(duì)軟起動(dòng)突跳功能整定值距離見表2。

表2 以CMC-SX軟起動(dòng)為例說(shuō)明

4 結(jié)論

長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)動(dòng)力頭電氣系統(tǒng)通過(guò)對(duì)常規(guī)電氣系統(tǒng)的改造升級(jí)，大大提高了效率，實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)時(shí)大扭矩輸出，真正實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)、軟停車，動(dòng)態(tài)故障記憶，最多可以記憶15次故障，便于查找故障原因；完善的保護(hù)功能，全程檢測(cè)電流及負(fù)載參數(shù)，具有過(guò)流、過(guò)載、短路、三相不平衡、相序檢測(cè)、漏電檢測(cè)等保護(hù)；控制面板置于駕駛室操作臺(tái)，采用LCD液晶面板在控制室就可以方便了解系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況，改進(jìn)后的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)投入市場(chǎng)后產(chǎn)生良好的反響，深受用戶好評(píng)。

[1] 鄧星鐘, 朱承高. 機(jī)電傳動(dòng)控制[M]. 3版. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2001.

[2] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 3版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[3] CMC-SX軟起動(dòng)器說(shuō)明書[Z]. 西安西馳電氣, 2011.

[4] 于海生. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1998.