程金營，張 雷

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134）

伊敏露天礦WK-20 型電鏟自從2007 年陸續(xù)投入運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間最長的已有10 年以上。在WK-20型電鏟運(yùn)行中，各類故障時(shí)有發(fā)生，大致可分為提升機(jī)構(gòu)故障、推壓機(jī)構(gòu)故障、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)故障、行走機(jī)構(gòu)故障、油氣路部分故障、電氣控制部分故障。其中提升卷筒鋼絲繩“反纏”故障尤為典型，危險(xiǎn)系數(shù)很高。提升卷筒鋼絲繩“反纏”是指鏟斗在運(yùn)行時(shí)突然不受控制下落，通過提升鋼絲繩帶動(dòng)提升卷筒急速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)提升鋼絲繩完全下放后由于慣性作用，提升卷筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致提升鋼絲繩反向纏繞在提升卷筒上或打彎散落在附近，直至抵消高速旋轉(zhuǎn)慣性力后，提升卷筒停止旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象就叫做提升卷筒鋼絲繩“反纏”，以下簡稱提升鋼絲繩“反纏”。在鏟斗及斗內(nèi)貨物作用下，鏟斗突然下落導(dǎo)致提升卷筒旋轉(zhuǎn)加速度很大，提升卷筒急速旋轉(zhuǎn)，提升鋼絲繩“反纏”會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)形成并完成整個(gè)提升鋼絲繩“反纏”過程。

1 WK-20 型電鏟提升機(jī)構(gòu)工作原理

提升機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)鏟斗挖掘的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過纏繞在提升卷筒裝置上的提升鋼絲繩牽引鏟斗做上下運(yùn)動(dòng)。提升機(jī)構(gòu)由提升逆變器、提升電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、輸入軸、制動(dòng)裝置、中間軸、卷筒裝置、提升齒輪箱、提升鋼絲繩等組成[1]。

1.1 WK-20 型電鏟提升機(jī)構(gòu)電氣控制原理

WK-20 型電鏟采用變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)，由上位機(jī)人機(jī)界面+PLC 現(xiàn)場(chǎng)總線+AFE 變頻傳動(dòng)組成3 級(jí)控制系統(tǒng)[2]，上位人機(jī)界面+PLC 現(xiàn)場(chǎng)總線+AFE 變頻傳動(dòng)3 級(jí)控制系統(tǒng)簡圖如圖1。上位機(jī)人間界面監(jiān)控整機(jī)；PLC 通過Profibus DP 現(xiàn)場(chǎng)與變頻器、司機(jī)室等連接實(shí)現(xiàn)分布式控制；逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)構(gòu)變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制[3]。

圖1 上位人機(jī)界面+PLC 現(xiàn)場(chǎng)總線+AFE 變頻傳動(dòng)3 級(jí)控制系統(tǒng)簡圖

WK-20 型電鏟提升機(jī)構(gòu)電氣控制主要有操作臺(tái)、主令控制器、PLC、逆變器、電動(dòng)機(jī)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、導(dǎo)線等組成[4]，提升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)流程主要為檢查設(shè)備各部無異?！邏赫?dòng)→AFE 正常啟動(dòng)→選擇提升模式→提升主令控制器回零→按下提升制動(dòng)器打開按鈕→提升逆變器自檢及回路閉環(huán)控制信息處理→提升逆變器使能（根據(jù)勺斗位置輸出握持電流，保持勺斗位置）→提升制動(dòng)器氣路電磁閥得電打開→提升制動(dòng)器氣路通氣后制動(dòng)器打開→提升制動(dòng)器打開指示燈亮→操作提升主令控制器→PLC控制信息處理→提升逆變器使能輸出→提升電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)提升卷筒旋轉(zhuǎn)，通過提升鋼絲繩提升或下方勺斗（提升機(jī)械系統(tǒng)正常工作）。

WK-20 型電鏟提升機(jī)構(gòu)采用雙電動(dòng)機(jī)控制，由2 臺(tái)逆變器分別驅(qū)動(dòng)。這2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)間采用硬軸連接，屬具有機(jī)械耦合的雙電機(jī)傳動(dòng)，2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速完全一致。為了保證2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)做功相等，在2 臺(tái)逆變器之間采用了轉(zhuǎn)矩主從控制技術(shù)，1 臺(tái)逆變器作為主裝置，采用閉環(huán)速度控制模式；另1 臺(tái)逆變器為從裝置，采用轉(zhuǎn)矩控制模式，其轉(zhuǎn)矩給定值直接來自主裝置。既保證了提升機(jī)構(gòu)2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的速度可控，又保證了2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的出力均衡，使2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行配合達(dá)到最佳[5]。

1.2 WK-20 型電鏟提升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)控制原理

1）提升動(dòng)力來源。WK-20 型電鏟提升機(jī)械機(jī)構(gòu)是由2 臺(tái)提升逆變器通過2 臺(tái)交流變頻電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)提升傳動(dòng)裝置，提升傳動(dòng)裝置由2 個(gè)雙減速齒輪系組成，共同帶動(dòng)提升卷筒齒輪，屬于垂直負(fù)載[6]。提升動(dòng)力由2 臺(tái)交流變頻電動(dòng)機(jī)提供，電動(dòng)機(jī)與一級(jí)減速軸通過齒型聯(lián)軸器相聯(lián)[7]。

2）提升傳動(dòng)齒輪。提升齒輪系里使用2 組中間級(jí)小齒輪軸，每一中間級(jí)軸組件由1 根小齒輪軸與1 個(gè)整體鍛造和加工的螺旋齒輪、2 個(gè)雙列圓錐滾子軸承、軸承套杯、以及軸承壓蓋所組成。中間級(jí)軸組件由一級(jí)減速小齒輪驅(qū)動(dòng)，把提升動(dòng)力傳遞給提升卷筒齒輪。

提升卷筒齒輪直接固定在提升卷筒上，并帶動(dòng)卷筒和提升鋼繩，控制著鏟斗的提升和降落。提升卷筒齒輪直接固定在提升卷筒的凸緣上。提升卷筒齒輪由2 個(gè)位于提升卷筒齒輪每側(cè)的二級(jí)減速小齒輪驅(qū)動(dòng)。該齒輪系有效的消除小齒輪力并使卷筒軸只承受著由提升鋼繩施加的載荷。提升卷筒軸組件與提升卷筒齒輪一起安裝在提升齒輪箱里。

3）提升機(jī)構(gòu)制動(dòng)工作方式。提升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器裝置由2 個(gè)氣動(dòng)盤式制動(dòng)器組成。制動(dòng)器裝在提升傳動(dòng)裝置輸入（一級(jí)減速）軸的末端上。提升制動(dòng)器為彈簧制動(dòng)、空氣壓力釋放式閘瓦制動(dòng)器。當(dāng)設(shè)備突然斷電、AFE 故障、提升逆變器故障、運(yùn)行人員將制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)、提升機(jī)構(gòu)氣路內(nèi)氣壓不足時(shí)，提升制動(dòng)器應(yīng)立即釋放，將提升傳動(dòng)裝置的2 根輸入軸夾住，防止鏟斗下落。

2 WK-20 型電鏟構(gòu)提升鋼絲繩“反纏”典型實(shí)例

2.1 逆變器使能與制動(dòng)器配合失誤導(dǎo)致“反纏”

1）典型實(shí)例。2015 年11 月，2005＃電鏟在作業(yè)過程中將勺斗懸停在半空中準(zhǔn)備走鏟，勺斗在半空停穩(wěn)之后，主令回零，各部除握持電流外均無輸出。運(yùn)行人員按下提升制動(dòng)器釋放按鈕，約3 s 后，勺斗突然下落，提升鋼絲繩“反纏”。

2）具體分析。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)排查分析，發(fā)現(xiàn)是一種典型的逆變器使能與制動(dòng)器配合失誤導(dǎo)致的例子。WK-20 型電鏟在正常情況下各機(jī)構(gòu)停止使能，主令控制器回到零位，按下提升制動(dòng)器釋放按鈕后提升逆變器停機(jī)PLC 控制程序和提升制動(dòng)器釋放PLC控制程序平行執(zhí)行：①按下提升制動(dòng)器釋放按鈕→執(zhí)行提升逆變器停止程序→3 s 后提升逆變器強(qiáng)制停機(jī)，停止使能；②按下提升制動(dòng)器釋放按鈕→執(zhí)行提升制動(dòng)器氣路電磁閥失電程序→提升制動(dòng)器氣路排氣，提升制動(dòng)器釋放，發(fā)揮制動(dòng)作用→提升制動(dòng)器打開指示燈熄滅。

由PLC 控制程序可知，在按下提升制動(dòng)器釋放按鈕后，提升制動(dòng)器氣路控制部分和執(zhí)行3 s 后逆變器強(qiáng)制停機(jī)程序同時(shí)在執(zhí)行。本次發(fā)生提升鋼絲繩“反纏”的原因就是PLC 接到停機(jī)指令，3 s 后令逆變器停止使能，但在3 s 的時(shí)間內(nèi)提升制動(dòng)器還未完全釋放或還未釋放起制動(dòng)作用。提升動(dòng)力消失，制動(dòng)器未及時(shí)起到制動(dòng)作用導(dǎo)致勺斗在半空中突然下落，發(fā)生提升鋼絲繩“反纏”。

2.2 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失效導(dǎo)致“反纏”實(shí)例

1）典型實(shí)例。2017 年10 月，2004＃電鏟在作業(yè)過程中將勺斗置于挖貨位置，在挖貨過程中提升減速箱內(nèi)傳出劇烈異響后提升鋼絲繩突然下落，提升鋼絲繩“反纏”。

2）具體分析。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)排查分析，發(fā)現(xiàn)是1 起典型的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失效導(dǎo)致的例子，提升減速箱內(nèi)前提升裝置齒型聯(lián)軸器滾鍵失效，前提升電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法作用到提升機(jī)構(gòu)上，導(dǎo)致提升鋼絲繩“反纏”。WK-20 型電鏟2 臺(tái)提升逆變器之間采用了轉(zhuǎn)矩主從控制技術(shù)，1 臺(tái)逆變器作為主裝置，采用閉環(huán)速度控制模式；另1 臺(tái)逆變器為從裝置，采用轉(zhuǎn)矩控制模式，其轉(zhuǎn)矩給定值直接來自主裝置。缺點(diǎn)就是一旦主裝置控制的提升機(jī)構(gòu)（WK-20 型電鏟前提升機(jī)構(gòu)為主裝置逆變器控制）發(fā)生機(jī)械傳動(dòng)失效，無法控制前提升機(jī)構(gòu)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致從裝置得不到轉(zhuǎn)矩給定值，不輸出轉(zhuǎn)矩去控制后提升機(jī)構(gòu)。勺斗在挖貨時(shí)，提升力突然消失，在挖貨阻力及勺斗重力作用下，提升鋼絲繩會(huì)迅速下放，最終發(fā)生提升鋼絲繩“反纏”。

3 降低“反纏”故障發(fā)生幾率的措施

3.1 提高提升制動(dòng)器氣路控制系統(tǒng)工作可靠性

在設(shè)備突然斷電、AFE 故障、提升逆變器故障、運(yùn)行人員將制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)的情況下，提升制動(dòng)器均應(yīng)該立即釋放，將提升傳動(dòng)裝置的2 根輸入軸夾住，防止鏟斗下落。因此，降低提升鋼絲繩“反鏟”的關(guān)鍵就是提高提升制動(dòng)器氣路控制系統(tǒng)工作的可靠性。經(jīng)過研究分析，提出根據(jù)提升制動(dòng)器氣路控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的措施，提升制動(dòng)器氣路控制系統(tǒng)改進(jìn)前后簡圖如圖2。

從圖2 中可以看出，將提升制動(dòng)器氣路控制系統(tǒng)中的電磁閥由1 個(gè)改為2 個(gè)，2 個(gè)電磁閥氣路串聯(lián)在一起，線圈的電源線并聯(lián)在一起。目的是按下制動(dòng)器打開按鈕時(shí)2 個(gè)電磁閥同時(shí)打開才能使氣路正常通氣后打開提升制動(dòng)器；按下提升制動(dòng)器釋放按鈕時(shí)只需要有1 個(gè)電磁閥能復(fù)位動(dòng)作就能使氣路排氣后提升制動(dòng)器釋放，行使制動(dòng)作用。

圖2 提升制動(dòng)器氣路控制系統(tǒng)改進(jìn)前后簡圖

3.2 保證PLC 程序運(yùn)行與制動(dòng)器動(dòng)作配合有效性

在運(yùn)行人員按下提升制動(dòng)器釋放按鈕的情況下，觀察提升機(jī)構(gòu)控制程序運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)提升機(jī)構(gòu)控制程序運(yùn)行特點(diǎn)提出針對(duì)性放入改進(jìn)方案，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提升機(jī)構(gòu)控制程序改進(jìn)簡圖如圖3。

圖3 提升機(jī)構(gòu)控制程序改進(jìn)簡圖

在控制提升逆變器使能程序段中并聯(lián)了提升逆變器使能自保程序段，增加檢測(cè)到提升氣壓異常，提升逆變器使能不停功能；增加提升制動(dòng)器異常報(bào)警功能。目的是通過軟件程序進(jìn)一步保證設(shè)備安全運(yùn)行，在氣壓檢測(cè)未復(fù)位情況下不允許提升逆變器停止工作，與改進(jìn)后提升機(jī)構(gòu)氣路控制系統(tǒng)項(xiàng)形成雙保險(xiǎn)，能進(jìn)一步降低發(fā)生提升鋼絲繩“反鏟”故障的幾率。同時(shí)改進(jìn)提升制動(dòng)器打開指示燈程序，在氣壓監(jiān)測(cè)未復(fù)位的情況下指示燈始終亮，提醒運(yùn)行人員注意下一步操作。

3.3 強(qiáng)化提升機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性

根據(jù)當(dāng)前設(shè)備預(yù)防性檢修工作態(tài)勢(shì)，細(xì)化預(yù)防性檢修項(xiàng)目，形成常態(tài)化預(yù)防性檢修能有力保障提升機(jī)構(gòu)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性。

1）提高提升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的檢修和裝配質(zhì)量，嚴(yán)格遵守檢修和裝配工藝。

2）對(duì)電機(jī)輸出軸，提升制動(dòng)器、齒型聯(lián)軸器、一級(jí)減速軸組件、中間減速軸組件，提升卷筒齒輪等定期檢查，對(duì)比振動(dòng)、溫度、異聲等，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)匯報(bào)處理。

3）對(duì)電磁閥、快速排氣閥、氣壓檢測(cè)開關(guān)、調(diào)壓閥及關(guān)聯(lián)管路清潔程度等定期檢查和保養(yǎng)，必要時(shí)更換。

4）為避免過大的機(jī)械沖擊，應(yīng)在提升制動(dòng)器打開指示燈亮后再操作主令控制器。

5）在“等車”或較長時(shí)間不使用時(shí)，應(yīng)將勺斗放置于地面，減少機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作強(qiáng)度。同時(shí)握持電流降低，可以減少電氣控制系統(tǒng)發(fā)熱。

6）建立備件使用臺(tái)賬，統(tǒng)計(jì)備件使用壽命，定期更換，嚴(yán)防疲勞損壞情況發(fā)生。

7）編制適用設(shè)備狀況的計(jì)劃性檢修單，對(duì)關(guān)鍵部位的檢查形成常態(tài)化，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，安排合理的檢修計(jì)劃。

4 結(jié)語

WK-20 型電鏟提升鋼絲繩“反纏”故障危險(xiǎn)系數(shù)很高，非常容易造成設(shè)備損壞或人員傷亡，因此提高提升機(jī)構(gòu)工作可靠性顯得尤為重要。通過2 個(gè)典型的提升鋼絲繩“反纏”實(shí)例，分析提升機(jī)構(gòu)控制原理，提出改進(jìn)措施和預(yù)防性檢修措施，降低WK-20型電鏟發(fā)生提升鋼絲繩“反纏”的幾率，減少了安全隱患，為設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供了保障。