陳鳳偉
(內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)
液壓挖掘機是大型露天礦采剝作業(yè)和實施大型施工工程的主要設備,與傳統(tǒng)的純機械式電鏟相比,具有整機質(zhì)量輕、機動性能好、操作靈活和運營維修成本低等優(yōu)點[1]。但RH170B 液壓正鏟在使用過程中,曾出現(xiàn)回轉(zhuǎn)“失控”的故障,存在極大的安全隱患,為避免該故障再次發(fā)生、釀成事故,特對該設備回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行了分析。
內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司核準建設規(guī)模3 000 萬t/a,項目遠期規(guī)劃產(chǎn)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(xù)-排土機半連續(xù)開采工藝,由于目前半連續(xù)系統(tǒng)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(yè)的主采設備之一,與100 t 級自卸卡車配合作業(yè)。RH170B 液壓正鏟是由原比塞洛斯公司研發(fā)生產(chǎn)的斗容20 m3級的挖掘機,有正鏟和反鏟2 種結(jié)構(gòu),提供柴油機動力和電力驅(qū)動2 種動力形式,內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)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(yè)時,出現(xiàn)回轉(zhuǎn)失控現(xiàn)象,上盤向右急速回轉(zhuǎn),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(zhuǎn),回轉(zhuǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)“失控”現(xiàn)象,上盤持續(xù)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(fā)現(xiàn)故障原因為回轉(zhuǎn)主回路油管崩裂漏油。此次故障雖未造成大的損失,但出現(xiàn)的回轉(zhuǎn)“失控”現(xiàn)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(xiàn)同類故障釀成惡性事故,對該設備回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的原理和故障原因進行了分析。
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(tǒng)控制,為各個機構(gòu)提供液壓油,各個機構(gòu)的動作均是由液壓驅(qū)動。其中回轉(zhuǎn)系統(tǒng)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(tǒng)等[2]?;剞D(zhuǎn)系統(tǒng)是利用伺服控制回路來改變回轉(zhuǎn)油泵的輸出方向和流量,從而來改變回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的方向和轉(zhuǎn)速。
該設備回轉(zhuǎn)系統(tǒng)有3 臺回轉(zhuǎn)油泵和3 臺回轉(zhuǎn)馬達,由回轉(zhuǎn)油泵直接供油給回轉(zhuǎn)馬達?;剞D(zhuǎn)油泵和液壓馬達均是并聯(lián)連接,主回路中無其他控制閥組,回轉(zhuǎn)機構(gòu)不具備自鎖功能,正常操作時,若回轉(zhuǎn)制動打開,操作手柄處于零位時,上盤將一直處于浮動狀態(tài),若要在回轉(zhuǎn)過程停車,只能通過改變油泵供油方向,向回轉(zhuǎn)馬達反向供油,給回轉(zhuǎn)機構(gòu)反向回轉(zhuǎn)力矩來實現(xiàn)。
在回路中,回轉(zhuǎn)油泵的輸出流量直接供給回轉(zhuǎn)馬達,回轉(zhuǎn)馬達的回油接到油泵的吸油側(cè),系統(tǒng)通過補油泵對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行補油,補油泵0 4 是內(nèi)置到主泵后邊的齒輪泵,向吸油側(cè)進行升壓補油,用于補充更換回轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)回轉(zhuǎn)泵和回轉(zhuǎn)馬達內(nèi)部泄漏造成的油損失[3]。在系統(tǒng)中布置有沖洗閥,每個回轉(zhuǎn)動作中沖洗閥都從低壓側(cè)回路中排出一定油量,用于回轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)的油液交換和冷卻。
回轉(zhuǎn)機構(gòu)鎖死靠回轉(zhuǎn)制動器來實現(xiàn),屬于制動器制動回路,該設備的回轉(zhuǎn)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(guān)[4]?;剞D(zhuǎn)制動器是液壓盤式制動器,直接對回轉(zhuǎn)減速機構(gòu)進行制動,制動回路的壓力油由先導油泵提供。回轉(zhuǎn)制動器的操作開關(guān)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(nèi)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(guān)閉,制動器供油被切斷,制動器內(nèi)的液壓油釋放回流至油箱,制動器通過內(nèi)部彈簧進行關(guān)閉。
主回路中的回轉(zhuǎn)油泵是帶扭矩控制系統(tǒng)的可變?nèi)萘勘茫ㄟ^回轉(zhuǎn)平衡閥的動作,來改變泵的變量機構(gòu)動作,實現(xiàn)回轉(zhuǎn)機構(gòu)的變速和換向。
回轉(zhuǎn)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(xiàn)液壓系統(tǒng)的換向及速度的比例控制?;剞D(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)平衡閥控制閥的相應控制口?;剞D(zhuǎn)平衡閥為3 位4通閥,可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)油泵斜盤雙向動作,通過對回轉(zhuǎn)油泵的斜盤進行調(diào)節(jié),斜盤動作后,調(diào)整泵的出口方向和流量,從而調(diào)整回轉(zhuǎn)方向和速度[5]。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)使用回轉(zhuǎn)平衡閥進行方向和流速控制,省去了其他調(diào)速原件,能迅速準確地實現(xiàn)工作循環(huán)[6]。
該設備回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的閉式回路整體結(jié)構(gòu)緊湊,傳動平穩(wěn),不但能夠縮短循環(huán)時間,提高能源效率,同時還能減少熱量的產(chǎn)生,在回轉(zhuǎn)動作期間,通過反作用控制進行制動,在減速期間節(jié)省能源,反饋的動能可以回饋給系統(tǒng),提供更強大的動力來驅(qū)動主泵和輔助泵,可以加快動臂提升速度,提高整體生產(chǎn)率。在反向制動時,回轉(zhuǎn)馬達變?yōu)椤耙簤罕谩惫r,帶動回轉(zhuǎn)油泵工作,使回轉(zhuǎn)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(jīng)分動箱輔助電機驅(qū)動其他泵運行,進行轉(zhuǎn)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%。
經(jīng)過對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理的分析,系統(tǒng)是通過反向供油來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)系統(tǒng)油管崩裂后,反向操控時油泵和馬達內(nèi)的油液直接泄漏,系統(tǒng)形不成回路和壓力,因此回轉(zhuǎn)馬達無法反向運轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)機構(gòu)在慣性作用下持續(xù)動作,導致回轉(zhuǎn)操作手柄失效,上盤的回轉(zhuǎn)處于“失控”狀態(tài)。
根據(jù)設備操作手冊要求和操作慣例,當出現(xiàn)緊急情況時,需要按下“緊急停機”按鈕來實現(xiàn)設備停機,在出現(xiàn)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(zhuǎn)系統(tǒng)未能立即停止,仍持續(xù)回轉(zhuǎn),存在“緊急停機”“失效”的現(xiàn)象。
通過查閱電氣技術(shù)手冊和現(xiàn)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(guān)。操作手冊要求在緊急情況下啟動緊急開關(guān)之一,但根據(jù)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(tǒng)模塊和回路進行控制,系統(tǒng)中的24 V 電源也持續(xù)保持供電[8]。
結(jié)合“緊急停機”控制原理,在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后,按下“緊急停機”后,設備主電機斷電,電機轉(zhuǎn)速持續(xù)下降直至停止,電機未停止運轉(zhuǎn)時,先導油泵仍然處于工作狀態(tài),先導油路內(nèi)仍保持有壓力。同時,按下“緊急停機”后,回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)系統(tǒng)處于浮動狀態(tài),上盤在慣性作用下持續(xù)回轉(zhuǎn),直至電機轉(zhuǎn)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(tài),制動器動作,上盤停止回轉(zhuǎn)。
由于故障是在回轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn),回轉(zhuǎn)“失控”時上盤的回轉(zhuǎn)慣性較大,回轉(zhuǎn)速度較快,在回轉(zhuǎn)制動回路內(nèi)的管路壓力降低至動作壓力以前,制動器一直是打開狀態(tài),因此在操作手柄“失效”后,上盤的回轉(zhuǎn)處于“失控”狀態(tài)。
該設備回轉(zhuǎn)制動器是駐車制動,在正常作業(yè)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(zhuǎn)失控情況下,司機只是按下“緊急制動”按鈕開關(guān),并未操作回轉(zhuǎn)制動,導致上盤處于浮動狀態(tài)。
在更換油管后,系統(tǒng)恢復正常,隨后對回轉(zhuǎn)機構(gòu)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(jié)果如下:
1)上盤浮動測試。在回轉(zhuǎn)作業(yè)情況下,將鏟斗與坡面垂直,把回轉(zhuǎn)操作手柄處于0 位時,上盤進入浮動狀態(tài),鏟斗由于重力向坡底方向自動旋轉(zhuǎn),若要保持懸停位置,需要給予回轉(zhuǎn)手柄動作,方能找到平衡位置。
2)“緊急制動”后回轉(zhuǎn)“失控”測試。在回轉(zhuǎn)作業(yè)情況下,上盤回轉(zhuǎn)過程中將回轉(zhuǎn)操作手柄回到0 位,模擬回轉(zhuǎn)“失控”狀態(tài),按下“緊急停機”按鈕,電機斷電逐漸減速直至停止運轉(zhuǎn),上盤進入浮動狀態(tài),鏟斗由于重力向坡底方向自動旋轉(zhuǎn),到達最低位之后往復擺動。經(jīng)觀察,擺動持續(xù)約15 s 后回轉(zhuǎn)制動器動作,上盤停止回轉(zhuǎn)。若“失控”時回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)較大的角度,存在安全隱患,此次的故障就是在此狀態(tài)下發(fā)生。
3)回轉(zhuǎn)制動器制動。在回轉(zhuǎn)作業(yè)情況下,上盤回轉(zhuǎn)過程中將回轉(zhuǎn)操作手柄回到0 位模擬回轉(zhuǎn)“失控”狀態(tài),操作回轉(zhuǎn)制動開關(guān),制動器動作,約1 s 后上盤停止回轉(zhuǎn)。
4)鑰匙操作實現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動。在回轉(zhuǎn)作業(yè)情況下,上盤回轉(zhuǎn)過程中將回轉(zhuǎn)操作手柄回到0 位,模擬回轉(zhuǎn)“失控”狀態(tài),操作鑰匙開關(guān)至停機位置,回轉(zhuǎn)制動器動作,約1 s 后上盤停止回轉(zhuǎn)。
經(jīng)測試,“緊急停車”按鈕15 s 后才能使回轉(zhuǎn)制動器關(guān)閉,不能立即使回轉(zhuǎn)動作停止,回轉(zhuǎn)制動開關(guān)和鑰匙開關(guān)能使回轉(zhuǎn)動作快速停止,測試結(jié)果與系統(tǒng)原理分析情況相符。由于上盤的回轉(zhuǎn)慣性很大,為了避免出現(xiàn)意外事故和損傷回轉(zhuǎn)制動器,測試時回轉(zhuǎn)速度較慢。
根據(jù)RH170B 液壓正鏟的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)特性以及現(xiàn)場測試結(jié)果,針對該故障制定了應對措施并修訂了該設備的操作規(guī)程。
1)要求定期檢查油管,并按照保養(yǎng)手冊要求更換油管,避免出現(xiàn)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(tǒng)特性進行培訓,在發(fā)生回轉(zhuǎn)系統(tǒng)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(guān),強制斷開停車制動閥組,使回轉(zhuǎn)鎖死;②操作鑰匙開關(guān),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(zhuǎn)鎖死。
由于回轉(zhuǎn)制動器為駐車制動,非緊急操作開關(guān),原始安裝位置與其他開關(guān)位置距離較近,不易辨識,而鑰匙開關(guān)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(xiàn)操作失誤的情況。因此,將回轉(zhuǎn)制動器的開關(guān)位置改接至位置較為獨立的備用開關(guān)位置,以便在出現(xiàn)緊急情況下時快速操作。
通過對RH170B 的工作原理和系統(tǒng)特性的分析及現(xiàn)場的驗證,確定了回轉(zhuǎn)“失控”故障是由于在回轉(zhuǎn)主回路泄漏后,回轉(zhuǎn)操作手柄失效時,“緊急制動”與“回轉(zhuǎn)制動器制動”生效的時間差造成,在此空檔期內(nèi),回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不能得到控制,在慣性作用下回轉(zhuǎn)速度過快,對配合作業(yè)的車輛和駕駛員帶來了較大的安全風險。根據(jù)對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理的分析結(jié)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(fā)生,可為各個礦區(qū)同類設備的安全操作提供參考。