解惠盛

（國能準能集團 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯準格爾旗境內(nèi)，海拔高度1 300 m；地形標高（開采地點）800～1 350 m；煤層厚度0.4～40 m；煤層以上巖石厚度70～100 m；巖石層以上的黃土層厚度15～40 m 黑岱溝露天煤礦目前設(shè)計產(chǎn)量為年產(chǎn)原煤3 000 萬t。WK-55 型礦用機械正鏟式挖掘機是太重公司研制的大型露天礦的采裝設(shè)備，簡稱為WK-55 電鏟，與172～326 t 礦用大卡車配套使用，可以滿足3 000 萬t 級大型露天煤礦剝離和采裝作業(yè)。

1 WK-55 電鏟基本原理

1.1 WK-55 電鏟電氣系統(tǒng)基本原理

WK-55 電鏟電氣系統(tǒng)為“上位綜合監(jiān)控系統(tǒng)+PLC+基礎(chǔ)變頻傳動”組成的三級控制系統(tǒng)[1]。上位綜合監(jiān)控系統(tǒng)檢測和顯示挖掘機的運行狀態(tài)，PLC 實現(xiàn)整機運行的時序邏輯控制；變頻傳動驅(qū)動各機構(gòu)協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)可控運行。三級之間數(shù)據(jù)交換通過PROFIBUS DP 總線通訊實現(xiàn)。變頻傳動使用能量再生式（回饋式）公用直流母線變頻調(diào)速方案[2]。

1.2 WK-55 電鏟回轉(zhuǎn)控制原理

WK-55 電鏟回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)為力矩控制，手柄給定角度，主令控制器中的電流調(diào)節(jié)器根據(jù)手柄角度，控制回轉(zhuǎn)逆變器調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)矩及速度，在作業(yè)過程中回轉(zhuǎn)加速、減速、停止等均依靠逆變器輸出的電流來控制，回轉(zhuǎn)制動器不參與工作。待電鏟回轉(zhuǎn)機構(gòu)停止運動后，操作人員操作回轉(zhuǎn)制動器開關(guān)，PLC給出制動器動作指令，回轉(zhuǎn)逆變器隨即停止工作[3]。

當回轉(zhuǎn)逆變器因故障停止運行時，操作人員給出的各種操作指令回轉(zhuǎn)逆變器均不予執(zhí)行，不再輸出電流。此時，回轉(zhuǎn)電機突然失去勵磁，同時PLC 給出制動器動作指令，理想狀態(tài)是立即停止回轉(zhuǎn)動作，但由于回轉(zhuǎn)電機隨電鏟整機機械運行被拖動，僅依靠制動器施加給電機轉(zhuǎn)子的制動力矩很難立即克服電鏟機械運動拖動電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，電鏟會根據(jù)慣性進行回轉(zhuǎn)運動，即處于“回轉(zhuǎn)失控”狀態(tài)[4]。

2 WK-55 電鏟回轉(zhuǎn)失控現(xiàn)象及原因分析

黑岱溝露天煤礦WK-55 電鏟作業(yè)過程中，空鏟斗回轉(zhuǎn)至作業(yè)面下部，出現(xiàn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)無法控制的現(xiàn)象，電鏟上部結(jié)構(gòu)由于慣性繼續(xù)做回轉(zhuǎn)運動，持續(xù)回轉(zhuǎn)約250°后，鏟斗撞擊某臺正在裝貨的930E 卡車廂斗左前部，電鏟斗齒將卡車左前輪胎扎破爆胎，出現(xiàn)該狀況后，該電鏟立刻停止動作，所幸此次回轉(zhuǎn)失控現(xiàn)場并未造成人身傷害。

截止到本次故障發(fā)生之日為止，準能公司W(wǎng)K系列電鏟“失控”故障累計已發(fā)生7 次，其中因整流、逆變系統(tǒng)過熱故障發(fā)生3 次；因電網(wǎng)波動故障發(fā)生2 次；因真空接觸器輔助觸點斷開故障發(fā)生1 次；因“電機轉(zhuǎn)速過快”故障發(fā)生1 次，因此解決和預(yù)防WK-55 電鏟失控故障已迫在眉睫。

2.1 故障調(diào)查

1）作業(yè)現(xiàn)場分析。WK-55 電鏟在黃土工作面作業(yè)，逆時針裝車，順時針回轉(zhuǎn)挖掘，傾斜角度約為6°，順時針方向為較低側(cè)。

2）操作規(guī)范執(zhí)行情況。調(diào)取現(xiàn)場及操作人員作業(yè)視頻記錄，發(fā)現(xiàn)WK-55 電鏟完成第2 次裝車時，回轉(zhuǎn)手柄置于最大量；當電鏟繼續(xù)回轉(zhuǎn)到采掘位置附近時，回轉(zhuǎn)手柄置于零位，此時回轉(zhuǎn)抱閘指示燈突然亮起，回轉(zhuǎn)逆變器發(fā)生故障，但電鏟上部結(jié)構(gòu)并未停止回轉(zhuǎn)動作，處于“失控”狀態(tài)；操作人員隨即將鏟桿行程回拉至最小，然后按下緊急停機按鈕，并鳴笛提示卡車操作人員。根據(jù)視頻記錄顯示，操作人員在作業(yè)過程中均未違反各項操作規(guī)范。

3）設(shè)備故障信息。檢查PLC 故障信息時，發(fā)現(xiàn)WK-55 電鏟2 時12 分系統(tǒng)顯示“回轉(zhuǎn)逆變器故障”；檢查回轉(zhuǎn)逆變器故障信息時，發(fā)現(xiàn)WK-55 電鏟2 時12分系統(tǒng)顯示“F07901 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速過快故障”；檢查回轉(zhuǎn)逆變器散熱系統(tǒng)，各風機運行正常。

4）靜態(tài)檢查情況。靜態(tài)檢查WK-55 電鏟回轉(zhuǎn)電機制動器，1 臺后回轉(zhuǎn)電機制動器在故障當日上午10 時仍有溫度，制動盤周圍有鐵屑；2 臺前回轉(zhuǎn)電機制動器無溫度。

2.2 故障原因分析

1）部分元器件老化。WK-55 電鏟電氣系統(tǒng)運行時間為26 400 h，廠家未按照維修標準更換電氣元器件，同時未提供電氣系統(tǒng)定期更換、保養(yǎng)的元器件清單，現(xiàn)場維修人員僅通過狀態(tài)維修方式對設(shè)備進行日常維護，電氣元器件老化態(tài)勢未得到及時制止。

2）變頻器動作閥值與電機轉(zhuǎn)速接近。當WK-55 電鏟回轉(zhuǎn)速度最快時，電機轉(zhuǎn)速為950 r/min，而變頻器動作閥值為1 050 r/min。動作閥值與電機轉(zhuǎn)速接近造成的后果是系統(tǒng)容錯機能過差，增加了設(shè)備故障停機幾率。

3）速度編碼器屏蔽差。對WK-55 電鏟編碼器反饋信號進行了跟蹤，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度編碼器反饋信號波形較差，進行更換后情況有所好轉(zhuǎn)，但運行過程中仍偶發(fā)“電機過速”故障。

4）整流器、逆變器過熱。西門子S70 和S120 系統(tǒng)均自動設(shè)定為當整流器、逆變器溫度達到一定限度時，系統(tǒng)將會自動停機。一直以來WK-55 電鏟的電氣室過熱、電氣柜內(nèi)超溫都是各類電氣故障的1 個成因，S70 系統(tǒng)散熱效果尚可，S120 系統(tǒng)由于負載重，密封程度高，散熱不佳問題尤為嚴重。

3 整改方案

3.1 加強點檢保養(yǎng)

由太重廠家提供定期保養(yǎng)更換元器件清單，維修人員嚴格維修標準對設(shè)備進行定期維護、保養(yǎng)。每250 h 檢查機棚增壓、除塵裝置原件，如管路、儲氣罐、安全閥、濾筒等，恢復(fù)脈沖反吹功能；每5 000 h保養(yǎng)時拆卸濾筒進行清理，避免濾筒堵塞造成風壓不足；每6 000 h 更換1 次真空接觸器輔助觸點，以計劃1 維修方式取代狀態(tài)維修，從而優(yōu)化設(shè)備使用性能。

3.2 電氣程序優(yōu)化

1）速度。考慮正常裝車時，工作回轉(zhuǎn)的最大速度值約為950 r/min，將速度限幅值降為1 000 r/min。當速度達到1 100 r/min 時，設(shè)計程序，PLC 自動給變頻器發(fā)出反向最大力矩信號，進行制動并且通過操作臺聲光指示進行報警，同時延時停機。當速度達到1 150 r/min，變頻器報超速故障，電鏟緊急停機，電氣優(yōu)化變頻器參數(shù)。

2）溫度。在PLC 中設(shè)定溫度監(jiān)測報警值，報警值低于變頻器設(shè)定的過溫故障值，當整流、逆變系統(tǒng)各柜溫度達到報警點時，給操作人員發(fā)出提示，并延時50 s 后停機，在此期間操作人員可以提前將電鏟停止運行并檢查風機運行是否正常。具體報警值設(shè)定范圍，需要在運行中觀察，找到既不影響生產(chǎn)效率又能夠可靠保護設(shè)備的值。

3.3 改進屏蔽效果

為了減小乃至消除電磁干擾，在綜合考慮實際效果、空間布局及成本等因素的基礎(chǔ)上，采用屏蔽方法來進行測速模塊反饋信號的抗干擾設(shè)計，并定期進行相關(guān)分析。

3.3.1 屏蔽原理

屏蔽是對2 個空間區(qū)域之間進行金屬隔離，以控制電場、磁場和電磁波由1 個區(qū)域?qū)α? 個區(qū)域的感應(yīng)和輻射[5]。屏蔽主要分2 種方式；①用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；②使用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。因為屏蔽體對來自導(dǎo)線、電纜、元部件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能[6]。在屏蔽設(shè)計過程中，屏蔽體材料、屏蔽體構(gòu)型及屏蔽形式是對屏蔽效果產(chǎn)生影響的重要因素?？紤]到電鏟上線路雜且?guī)щ婓w過多，速度反饋信號線較長，因此只能采取第2 種方法將反饋信號線進行屏蔽處理。實際上第1 次更換的屏蔽線是現(xiàn)場人員在原有屏蔽線的基礎(chǔ)上改造的。

3.3.2 屏蔽材料的選擇

現(xiàn)場人員通過制作1 個屏蔽套筒將外部電磁干擾信號進行屏蔽，屏蔽套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作材料是決定其屏蔽效果的2 個主要因素，考慮到線路本身的特殊性，管狀結(jié)構(gòu)顯然是最佳選擇。屏蔽材料的選擇需要通過對常用材料的屏蔽效能的計算和比較來進行。反饋信號受到的電磁干擾來主要來自于附近電流波動所產(chǎn)生的低頻傳導(dǎo)磁場。

低頻傳導(dǎo)磁場產(chǎn)生的干擾也可以通過屏蔽來減弱或消除。在母線排和電流互感器之間加入金屬板可以構(gòu)成屏蔽。干擾源產(chǎn)生的傳導(dǎo)磁場，穿越金屬板時電磁波經(jīng)受金屬固有的阻抗Zm：

式中：μ0為材料磁導(dǎo)率，H／m；σ 為材料導(dǎo)電率，S/m；ω 為電磁波振幅，m。

屏蔽材料的總屏蔽效能SE為反射損耗αR、吸收損耗αA與交互反射損耗αIR三者之和，如式（2）：

式中：αR為反射損耗，dB；αA為吸收損耗，dB；αIR為交互反射損耗，dB。

在低頻干擾段，材料尚未飽和，反射損耗、吸收損耗、交互反射損耗3 種基本方式中，吸收損耗起到了主要作用[7]。對于單一屬性的單層屏蔽材料，其吸收損耗為：

式中：μr為材料相對于空氣的磁導(dǎo)率，H／m；σr為材料相對于銅、鋁或鐵的導(dǎo)電率，s／m；f 為電磁干擾頻率，Hz；t 為屏蔽體厚度，mm。

吸收損耗隨屏蔽體厚度、屏蔽體的導(dǎo)磁率和導(dǎo)電率的增大而增大。而實際屏蔽的效果取決于很多參數(shù)包括：干擾源頻率、干擾源與屏蔽體的距離、屏蔽體連續(xù)性等各種原因[8]。鋁，鐵和銅是最常用的工程材料，其中鋁和銅的效果基本相當。鐵和鋁在不同厚度下的吸收損耗對比如圖1。

圖1 鐵和鋁在不同厚度下的吸收損耗對比

由圖1 可以看出，在主要干擾頻率區(qū)域內(nèi)，鐵的吸收損耗要大于鋁的吸收損耗，因此鐵的屏蔽效能高于鋁的屏蔽效能，確定采用含鐵成分較多的材料制作屏蔽套筒。

3.3.3 現(xiàn)場實施

WK-55 原廠測速信號線型號為CHVVP／SA 3×2×1，本身具備屏蔽性能，在信號線屏蔽層完整的情況理應(yīng)屏蔽各種干擾。但是在現(xiàn)場通過監(jiān)測波形發(fā)現(xiàn)信號流非常雜亂，受到了很多電磁干擾，可能是屏蔽層老化或者破損造成的。維修人員在現(xiàn)場進行了簡單的信號線改造，使用1 根鐵質(zhì)軟管套在原信號線上，監(jiān)測波形顯示信號輸出正常，波形規(guī)整。這為檢修人員提供了1 種臨時解決信號傳輸屏蔽干擾的方案，正常情況下還是應(yīng)該通過更換符合屏蔽標準的信號線解決此類問題。通過與太重廠家溝通協(xié)調(diào)，已定制屏蔽效果更佳的新型信號線。

3.4 局部優(yōu)化散熱風道

電氣室增加百葉窗，優(yōu)化、平衡電氣室和機棚內(nèi)的風量；優(yōu)化機棚內(nèi)風道，將電氣室門口的進風口方向由平向改為縱向；機棚內(nèi)提升電機出風口風向增加角度，出風口從吹向提升一軸調(diào)整為出風口向上。通過一系列措施將電氣室尤其是散熱問題最嚴重的凈化風道下方2 個電氣柜的熱量帶到電鏟外。

4 結(jié)語

從防止WK-55 電鏟回轉(zhuǎn)失控故障入手，通過加強設(shè)備日常維護，避免元器件老化，保證設(shè)備效能；優(yōu)化程序設(shè)計，提升系統(tǒng)容錯能力；加強測速模塊反饋信號抗干擾能力，以免“假故障”造成“真事故”；優(yōu)化散熱、除塵風道，避免電氣元器件高溫，采取的一系列措施，達到了預(yù)期的效果。