王柏春，高方欣，于寶青，李武杰

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 126000）

0 引言

隨著露天礦生產(chǎn)能力的增加，越來(lái)越多的大型電鏟被用于露天采礦生產(chǎn)中。神華北電勝利能源有限公司現(xiàn)有6 臺(tái)太原重工生產(chǎn)的WK-35 電鏟，用于土方剝離和原煤開(kāi)采。這些電鏟均采用6 kV 交流電通過(guò)電纜提供動(dòng)力。電鏟分為上部平臺(tái)和下部平臺(tái)，供電電纜安裝在下部平臺(tái)耦合器處，各個(gè)電氣設(shè)備大多安裝在上部平臺(tái)。在電鏟作業(yè)過(guò)程中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，為了使下部平臺(tái)電纜給上部平臺(tái)供電不會(huì)把電纜扭傷，電鏟采用了集電環(huán)裝置。

1 集電環(huán)的概念

集電環(huán)也叫導(dǎo)電環(huán)、滑環(huán)、集流環(huán)、匯流環(huán)等。它可以用在任何要求連續(xù)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳輸電源和信號(hào)的機(jī)電系統(tǒng)中?；h(huán)能夠提高系統(tǒng)性能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免導(dǎo)線在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中造成扭傷。

2 集電環(huán)在電鏟上的作用

WK-35 電鏟是用電能驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)使電鏟各部位運(yùn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。電鏟由上下兩個(gè)平臺(tái)組成，其中在上部平臺(tái)裝有提升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和推壓機(jī)構(gòu)，三者配合作業(yè)完成電鏟裝車(chē)任務(wù)；下部平臺(tái)裝有行走機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)電鏟的移動(dòng)。集電環(huán)是電鏟重要的電氣裝置，它將外部電源通過(guò)集電環(huán)中的高壓環(huán)將電能傳送至上部平臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜、變壓器等電氣裝置后，通過(guò)PLC、矢量變頻器，控制上部平臺(tái)各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)，再通過(guò)集電環(huán)將上部平臺(tái)變頻器的輸出電流通過(guò)集電環(huán)中低壓環(huán)部分通過(guò)六道環(huán)體將電能傳送到下部?jī)蓚€(gè)行走電機(jī)，驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)履帶的行走。通過(guò)低壓環(huán)中的三道環(huán)進(jìn)行行走氣路電磁閥的控制來(lái)使行走電機(jī)制動(dòng)器打開(kāi)或關(guān)閉，通過(guò)三道環(huán)對(duì)壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)已確定行走制動(dòng)器的打開(kāi)或關(guān)閉。電鏟行走電機(jī)為變頻電機(jī)，需要獨(dú)立風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷，集電環(huán)中有三道環(huán)體給行走電機(jī)風(fēng)機(jī)提供電源。由于電鏟在裝車(chē)作業(yè)的過(guò)程中會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，為了傳輸電源和信號(hào)并避免電纜的扭傷采用了集電環(huán)裝置。

3 集電環(huán)在電鏟上的種類(lèi)

3.1 高低壓分離式

電鏟集電環(huán)有兩種，其一為高低壓分離式集電環(huán)（圖1），其中高壓環(huán)部分分為環(huán)體部分和集電靴部分，用于對(duì)6 kV 進(jìn)線電纜進(jìn)行電能的傳送。其中集電靴裝置安裝于下部平臺(tái)上，三相進(jìn)線電纜及接地線均安裝于集電靴上。當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，其與下部平臺(tái)均保持靜止?fàn)顟B(tài)。環(huán)體部分安裝于上部平臺(tái)上，三相環(huán)體與接地環(huán)體通過(guò)電纜連接到上部平臺(tái)高壓柜負(fù)荷開(kāi)關(guān)上。當(dāng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)上部平臺(tái)相對(duì)于地面繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，集電靴內(nèi)電刷始終與環(huán)體進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)并且集電靴內(nèi)彈簧裝置使電刷不離開(kāi)環(huán)體。外線電纜通過(guò)集電靴、高壓環(huán)體將電能供給到高壓柜。低壓部分可分為兩部分分別為刷架部分和環(huán)體部分，其中刷架部分有電刷、刷握、保持架等裝置。環(huán)體部分有6 道大環(huán)和8道小環(huán)通過(guò)絕緣裝置固定在一起，通過(guò)螺栓裝置將其固定于中心軸上。其中中心軸和下部平臺(tái)是過(guò)盈配合，這樣就保證了低壓環(huán)環(huán)體不動(dòng)，當(dāng)電鏟旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)電刷繞著低壓環(huán)體繞動(dòng)的同時(shí)將信號(hào)和動(dòng)力傳輸?shù)较虏科脚_(tái)電機(jī)、電磁閥、壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)上。

圖1 高低壓分離式集電環(huán)

3.2 高低壓環(huán)一體式

高低壓環(huán)一體式集電環(huán)作用與分體式集電環(huán)一樣，區(qū)別只是高壓環(huán)在上平臺(tái)，高壓環(huán)刷架固定于上平臺(tái)上（圖2）。高壓環(huán)體與低壓環(huán)體固定在一起在中心軸上，在設(shè)備回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)高壓環(huán)體與低壓環(huán)體由于固定在中心軸上相對(duì)于下部平臺(tái)保持不動(dòng)，刷架固定于上平臺(tái)隨上部平臺(tái)一起繞中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2 高低壓環(huán)一體式

4 存在的問(wèn)題

4.1 高低壓環(huán)分體式

高低壓環(huán)分體式集電環(huán)安裝于某廠2009 年生產(chǎn)幾臺(tái)電鏟上，隨著設(shè)備的運(yùn)行，一些問(wèn)題也都顯現(xiàn)出來(lái)。

（1）該種類(lèi)集電環(huán)檢修困難，由于這種集電環(huán)設(shè)備上級(jí)沒(méi)有開(kāi)關(guān)，在進(jìn)行高壓環(huán)維修檢查過(guò)程中必須斷開(kāi)外界供電線路，過(guò)程非常繁瑣。由于高壓集電環(huán)在上部平臺(tái)和下部平臺(tái)的連接處的腔體內(nèi)，外部四周是回轉(zhuǎn)大齒圈，上部幾乎封閉，下部只有2 個(gè)直徑0.8 m 的圓孔供檢修人員檢修作業(yè)，在這樣一個(gè)半封閉環(huán)境下作業(yè)十分危險(xiǎn)。

（2）由于回轉(zhuǎn)大齒圈需要潤(rùn)滑，隨著設(shè)備的運(yùn)行，集電環(huán)腔內(nèi)會(huì)有大量的潤(rùn)滑油將電纜完全淹沒(méi)，存在安全隱患。且潤(rùn)滑油變質(zhì)也有產(chǎn)生有毒有害氣體的可能，對(duì)進(jìn)入高壓環(huán)腔體檢修的維修人員存在人身傷害。在潤(rùn)滑油的沁浸下，電纜容易老化變質(zhì)甚至短路，使設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)不具備修復(fù)條件。

（3）電鏟在回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)集電靴電刷與滑環(huán)相對(duì)滑動(dòng)，隨著振動(dòng)和時(shí)間的作用，電刷會(huì)發(fā)生偏離，如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)有相間短路的情況發(fā)生。更換集電靴非常耗時(shí)耗力，如果滑環(huán)發(fā)生損壞，設(shè)備在工作面將不具有短期修復(fù)條件，必須將上部平臺(tái)分解拆卸后，集電環(huán)修復(fù)完成后再進(jìn)行組裝，工期將不低于兩個(gè)月時(shí)間。而且設(shè)備無(wú)法移動(dòng)，占據(jù)工作面空間，影響露天礦正常生產(chǎn)計(jì)劃。

4.2 高低壓一體式

高低壓一體式集電環(huán)由于整體在上部平臺(tái)，而且設(shè)有觀察窗。維修人員在檢查高壓環(huán)時(shí)只要打開(kāi)外層觀察窗就可以觀察電刷與環(huán)體是否發(fā)生損壞。而且當(dāng)進(jìn)線電纜發(fā)生損壞或故障時(shí)只需將集電環(huán)整體進(jìn)行更換就能使設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行，工期只有2 d。

5 故障問(wèn)題分析

5.1 集電環(huán)電纜接錯(cuò)

故障流程：10 月25 日8：05，電鏟司機(jī)報(bào)行走逆變器故障，故障現(xiàn)象為行走逆變器無(wú)法工作。約8：20 司機(jī)說(shuō)集電環(huán)部位出現(xiàn)明火，隨即使用滅火器進(jìn)行撲滅。

故障檢查：維修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，集電環(huán)部分燒蝕嚴(yán)重，各部電纜燒損嚴(yán)重，集電環(huán)本體不具備維修再利用條件。

故障處理：10 月28 日17：00，對(duì)集電環(huán)進(jìn)行更換，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間行走運(yùn)行、回轉(zhuǎn)運(yùn)行、挖掘測(cè)試，已具備正常生產(chǎn)條件。

故障現(xiàn)象：對(duì)拆卸下的集電環(huán)進(jìn)行細(xì)致檢查發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題有以下3 點(diǎn)：①集電環(huán)線路接線方式錯(cuò)誤；②集電環(huán)中壓部分（電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線），每道環(huán)體（動(dòng)力線每相）上有4 組電刷，排列方式如圖3 所示。切換柜至集電環(huán)每相線為2 根95 mm2電纜，正常應(yīng)接入兩側(cè)刷窩固定螺栓上，進(jìn)行負(fù)載分流，實(shí)際接線情況為2 根均接入一側(cè)刷窩上，有單側(cè)刷窩沒(méi)有作用；③環(huán)體負(fù)載過(guò)大燒熔，其中最上一道環(huán)體檢查后發(fā)現(xiàn)環(huán)體有熔化現(xiàn)象，呈水滴狀凝結(jié)。

圖3 集電環(huán)中壓部分電刷排列方式

故障分析：結(jié)合發(fā)現(xiàn)的具體問(wèn)題對(duì)故障進(jìn)行分析，應(yīng)為接線方法不對(duì)導(dǎo)致集電環(huán)每道環(huán)體載流量均較大，其中最上一道環(huán)體電刷最先發(fā)生接觸不良引起電拉弧，在發(fā)生電拉弧后（類(lèi)似電焊），拉弧面積在短時(shí)間內(nèi)迅速擴(kuò)大使環(huán)體熔化，高溫銅液滴落至集電環(huán)底部與中心軸連接的法蘭盤(pán)上引燃中心軸排出的潤(rùn)滑油，在持續(xù)燃燒的過(guò)程中，對(duì)本身已經(jīng)受損的底部環(huán)體刷窩支撐桿絕緣皮造成進(jìn)一步燒蝕，令其收縮碳化。第5 道環(huán)體電刷進(jìn)一步下沉與第6 環(huán)體短路產(chǎn)生了變頻器過(guò)流故障。

5.2 中心軸間隙調(diào)整有誤，集電環(huán)電刷斷裂

故障流程：5 月15 日11：10，電鏟司機(jī)報(bào)行走制動(dòng)器無(wú)法打開(kāi)。

故障檢查：維修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，檢查發(fā)現(xiàn)集電環(huán)體電刷斷裂，中心軸間隙過(guò)大。

故障處理：通過(guò)中心軸螺母對(duì)中心軸間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，之后對(duì)已經(jīng)損壞的電刷進(jìn)行更換。

故障分析：高低壓環(huán)分體式集電環(huán)在運(yùn)行的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電刷斷裂的情況發(fā)生，由于低壓環(huán)中的環(huán)體與中心軸是通過(guò)螺栓連接，與中心軸處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。而中心軸通過(guò)電鏟上部平臺(tái)中心孔通過(guò)超級(jí)螺母固定于上部平臺(tái)，在電鏟運(yùn)行過(guò)程中相對(duì)于中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是隨著運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的過(guò)程中，中心軸超級(jí)螺母會(huì)發(fā)生反松的情況，導(dǎo)致上部平臺(tái)不會(huì)按照嚴(yán)格的平面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在電鏟挖掘作業(yè)的過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)垂直的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)刷架以至于碳刷做垂直運(yùn)動(dòng)卡在2個(gè)環(huán)體之間，導(dǎo)致電刷斷裂，與上面環(huán)體短路。

6 集電環(huán)防扭傷裝置的應(yīng)用

由于電鏟工作過(guò)程中集電環(huán)與下部平臺(tái)脫離后，電鏟沒(méi)有報(bào)警系統(tǒng)，操作者并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，電鏟在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)對(duì)中心軸內(nèi)電纜、油氣管路造成扭傷。如果對(duì)中心軸內(nèi)電纜造成扭傷形成短路或接地，油氣管路漏氣、漏油等情況必須進(jìn)行維修處理。按照維修工藝流程則需要將集電環(huán)上方機(jī)棚頂拆除，集電環(huán)所有連接電纜拆除后，將集電環(huán)吊出，再對(duì)其更換電纜后按步驟進(jìn)行回裝，工期將不少于2 d。

要保證中心軸內(nèi)電纜和油氣管路不被扭傷，關(guān)鍵是要保證集電環(huán)環(huán)體與中心軸保持相對(duì)靜止。集電環(huán)環(huán)體與中心軸連接是通過(guò)中心軸螺母連接，環(huán)體固定部分的兩穩(wěn)銷(xiāo)與中心軸螺母間隙配合。故障發(fā)生一般是集電環(huán)兩穩(wěn)銷(xiāo)斷裂或拉筋斷裂，導(dǎo)致集電環(huán)與上下平臺(tái)發(fā)生相對(duì)位移。因此需要檢測(cè)集電環(huán)與固定部位的同步性，并且要實(shí)現(xiàn)下平臺(tái)及其連接部分的檢測(cè)，檢測(cè)線必須通過(guò)集電環(huán)備用環(huán)中的兩環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且要挑選適宜的位置檢測(cè)傳感器來(lái)適應(yīng)監(jiān)測(cè)部位狹小的空間。

7 實(shí)施方案

將限位開(kāi)關(guān)安裝于中心軸頂端，監(jiān)控中心軸與集電環(huán)環(huán)體固定銷(xiāo)與中心軸是否同步，并將限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)點(diǎn)輸入至PLC。并且在程序中設(shè)備延時(shí)停機(jī)處串聯(lián)此信號(hào)常閉點(diǎn)，當(dāng)集電環(huán)環(huán)體固定銷(xiāo)與中心軸發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，程序控制設(shè)備延時(shí)停機(jī)，并通過(guò)輸出點(diǎn)聲光報(bào)警，使駕駛司機(jī)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。

8 結(jié)語(yǔ)

集電環(huán)是電鏟等電能驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)作業(yè)設(shè)備的必要裝置，在電鏟設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中兩種形式的集電環(huán)也各自體現(xiàn)出了其中的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。但是總體從安全性和穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，高低壓環(huán)一體式集電環(huán)較分體式集電環(huán)優(yōu)點(diǎn)更多，更適合在電鏟上使用。