段杏敏

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

近 年來(lái)，隨著“一帶一路”的推進(jìn)，礦用磨機(jī)的 出口數(shù)量與日俱增，尤其是礦產(chǎn)資源豐富的非洲剛果金。由于剛果金的電網(wǎng)不穩(wěn)定，在保護(hù)措施不完善的情況下，意外斷電會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。而作為關(guān)鍵件的磨機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承，其潤(rùn)滑好壞，直接影響到磨機(jī)的使用壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)率，且影響磨機(jī)的產(chǎn)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 問題的產(chǎn)生

考慮到前期的投資與后期的運(yùn)維成本，剛果金項(xiàng)目的大部分客戶會(huì)選用“低速無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)+氣動(dòng)離合器+開式大小齒輪”的邊緣傳動(dòng)形式[1]，如圖 1 所示。該傳動(dòng)形式主要由網(wǎng)側(cè)高壓電源開關(guān)、低速同步電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)離合器、傳動(dòng)小齒輪和慢速驅(qū)動(dòng)裝置組成，具有傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單、占地面積小、安全可靠的特點(diǎn)。

圖1 磨機(jī)邊緣傳動(dòng)形式Fig.1 Edge drive type of mill

磨機(jī)電動(dòng)機(jī)為低速同步電動(dòng)機(jī)，因功率較大，且軸承為滑動(dòng)軸承，所以配備有高低壓潤(rùn)滑站。磨機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，要求先開啟高壓潤(rùn)滑泵，至少運(yùn)行 15 min；電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，需要再次開啟高壓潤(rùn)滑泵，至少運(yùn)行 15 min 后方可停止。

電網(wǎng)穩(wěn)定情況下，磨機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)及運(yùn)行都需按照磨機(jī) PLC 程序運(yùn)行。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)過程中，高壓供油系統(tǒng)可向電動(dòng)機(jī)兩端的軸承提供高壓油，使主軸浮起，在主軸與滑動(dòng)軸承之間形成一定厚度的油膜，降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩，避免燒瓦。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，由低壓供油系統(tǒng)給主軸和滑動(dòng)軸承提供潤(rùn)滑油，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命[2]。

剛果金的電網(wǎng)不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)意外斷電 (以下簡(jiǎn)稱事故狀態(tài))，事故狀態(tài)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)與磨機(jī)之間的氣動(dòng)離合器脫開、電動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)停止工作、磨機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)停止工作。電動(dòng)機(jī)與磨機(jī)之間的氣動(dòng)離合器脫開后，電動(dòng)機(jī)由于慣性還會(huì)持續(xù)旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間，據(jù)統(tǒng)計(jì)某些項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)到達(dá)完全靜止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間能達(dá) 40 min 左右。斷電后，電動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)已停止工作，無(wú)法持續(xù)給電動(dòng)機(jī)軸瓦提供支撐和潤(rùn)滑。尤其在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，甩油環(huán)也不能隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸瓦之間的油量無(wú)法形成油膜，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸與軸瓦接觸摩擦，造成軸瓦劃傷、研磨甚至燒瓦。

因此，如何避免在事故狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸與軸瓦發(fā)生接觸摩擦，是研究的重點(diǎn)，也是大多數(shù)剛果金項(xiàng)目亟待解決的問題。

2 解決方案

軸承作為電動(dòng)機(jī)重要的組成部分，滑動(dòng)軸承憑借結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢(shì)，使得其在良好的潤(rùn)滑條件下，降低了設(shè)備損耗，從而最大程度地降低了滑動(dòng)摩擦以及表面摩擦的不利影響，實(shí)現(xiàn)了維護(hù)成本以及設(shè)備支出費(fèi)用的有效控制。為了解決事故狀態(tài)下磨機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承劃傷、研磨甚至燒瓦的問題，筆者提出了 4 種解決方案。

2.1 配置液壓蓄能器

在電動(dòng)機(jī)軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)回路中配置液壓蓄能器，將液壓蓄能器與磨機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承連接一起使用，用于事故狀態(tài)下給電動(dòng)機(jī)軸承供油[3]。蓄能器液壓站由充氣泵裝置、蓄能器組件、安全閥組及儀表等組成，如圖 2 所示。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)蓄能器中油的壓力是否滿足保護(hù)要求。當(dāng)壓力小于最低設(shè)定值時(shí)，蓄能器泵自動(dòng)運(yùn)行，并向蓄能器內(nèi)充油；當(dāng)壓力大于最高設(shè)定值時(shí)，蓄能器泵自動(dòng)停止。在電動(dòng)機(jī)工作過程中，若出現(xiàn)事故狀態(tài)，控制閥組上的電磁閥會(huì)立即斷電，蓄能器內(nèi)的油會(huì)流向電動(dòng)機(jī)軸承里，直至電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。受場(chǎng)地空間和成本影響，蓄能器的容量不能無(wú)限放大。蓄能器的主要作用是短期內(nèi) (60～ 90 s) 給軸承供油、保持系統(tǒng)壓力、緩和沖擊力等。對(duì)于事故狀態(tài)下，主電動(dòng)機(jī)到達(dá)完全靜止?fàn)顟B(tài)長(zhǎng)達(dá) 40 min 的工況，配置液壓蓄能器顯然是不適用的。

圖2 液壓蓄能器站Fig.2 Hydraulic accumulator station

2.2 高位油池低壓循環(huán)供油

電動(dòng)機(jī)軸承潤(rùn)滑方式采用高位油池低壓循環(huán)供油，主要是利用高位油池內(nèi)潤(rùn)滑油的重力，實(shí)現(xiàn)對(duì)事故狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)軸承的淋油潤(rùn)滑。該方案不僅需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間折算出高位油池的容積，還要考慮高位油池釋放潤(rùn)滑油后，回收油箱的容積。通常情況下，回收油箱體積較大，且要求安裝于地下室，同時(shí)高位油池需要放置在一定高度的平臺(tái)上。該方案雖然可行，但現(xiàn)場(chǎng)施工難度大、投入成本和維護(hù)成本較高。

2.3 高壓頂起裝置

高壓頂起裝置主要由高壓油泵、壓力監(jiān)控及分流元件、儀表及 UPS 電源等組成。在事故狀態(tài)下，高壓油泵可以實(shí)現(xiàn)從軸承室內(nèi)取油，加壓后再供給軸承，以達(dá)到持續(xù)潤(rùn)滑的作用，直至主電動(dòng)機(jī)完全停止旋轉(zhuǎn)。

以 2 000 kW 礦用磨機(jī)電動(dòng)機(jī)的高壓油泵功率可以計(jì)算出，高壓頂起裝置持續(xù)工作 40 min，UPS 電源的容量至少為 20 kVA。20 kVA 的蓄電池占地面積大，投資成本高，且蓄電池屬于易損耗器件，需要定期充放電。該方案對(duì)于小功率電動(dòng)機(jī)事故停機(jī)比較適用；對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)事故停機(jī)，該解決方案成本過高，同時(shí)存在蓄電池失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 事故狀態(tài)下磨機(jī)停機(jī)

事故狀態(tài)下磨機(jī)停機(jī)主要是通過磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4.1 磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)

磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由主電動(dòng)機(jī)同步勵(lì)磁柜、PLC 控制柜、低壓配電保護(hù)柜、慢驅(qū)控制箱、磨機(jī)就地操作箱、潤(rùn)滑站就地操作箱、大小齒輪噴射潤(rùn)滑控制箱、氣動(dòng)離合器控制箱及測(cè)溫電阻接線箱等組成[4]。其中 PLC 控制柜為磨機(jī)電控系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)磨機(jī)主電動(dòng)機(jī)的啟?？刂?，對(duì)主軸承潤(rùn)滑和主電動(dòng)機(jī)軸承潤(rùn)滑的控制和保護(hù)，并協(xié)調(diào)磨機(jī)電控系統(tǒng)各設(shè)備之間的報(bào)警和聯(lián)鎖控制。低壓配電保護(hù)柜實(shí)現(xiàn)以下功能：①磨機(jī)潤(rùn)滑站高低壓油泵電動(dòng)機(jī)的控制；② 磨機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承潤(rùn)滑站高低壓油泵電動(dòng)機(jī)的控制；③為其他控制柜和控制箱提供電源[5]。

2.4.2 磨機(jī) UPS 系統(tǒng)

整個(gè)磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)和氣動(dòng)離合器的電磁閥 SV1 采用 UPS 供電，如圖 3 所示。在電氣控制系統(tǒng)里增加電網(wǎng)意外斷電檢測(cè)點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)意外斷電時(shí)，繼電器 K1 閉合，檢測(cè)點(diǎn)發(fā)出電網(wǎng)意外斷電信號(hào)。由于整個(gè)磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)和氣動(dòng)離合器的電磁閥 SV1 采用 UPS 供電，電網(wǎng)意外斷電后，電磁閥 SV1 仍然帶電，磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)主電動(dòng)機(jī)帶負(fù)荷正常停機(jī)。一般情況下，氣動(dòng)離合器電磁閥容量約為 20 W，整個(gè)磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的控制回路電源容量約為 2 kVA，由于磨機(jī)帶載停車時(shí)間很短，故選用容量為 3 kVA 的 UPS 電源即可實(shí)現(xiàn)。

圖3 磨機(jī) UPS 系統(tǒng)Fig.3 UPS system for mill

2.4.3 磨機(jī)停機(jī)控制邏輯

在事故狀態(tài)下，磨機(jī)停機(jī)控制程序中的控制邏輯如圖 4 所示[6]。當(dāng) PLC 檢測(cè)到輸入信號(hào) I0.0 為 1 時(shí)，說明發(fā)生了斷電事故，控制系統(tǒng)發(fā)出斷電故障信息，同時(shí)控制邏輯中的斷電故障不參與離合器的聯(lián)鎖控制。由于離合器控制電源采用的 UPS，此時(shí) PLC 的輸出信號(hào) Q0.0 仍保持為 1，氣動(dòng)離合器電磁閥 SV1 持續(xù)帶電，氣動(dòng)離合器不脫開，電動(dòng)機(jī)與磨機(jī)一起帶負(fù)荷快速停車，直至完全停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 磨機(jī)停機(jī)控制邏輯Fig.4 Logic of mill halting control

事故狀態(tài)下，改變磨機(jī)停機(jī)控制邏輯僅通過電氣原理設(shè)計(jì)和磨機(jī)控制程序的優(yōu)化，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)磨機(jī)電動(dòng)機(jī)主軸承的保護(hù)。該方案具有實(shí)施簡(jiǎn)便、投資成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

斷電事故狀態(tài)下對(duì)磨機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承的保護(hù)有 3 種方法：①通過采用配備高位油池的低壓循環(huán)供油；② UPS 供電的高壓頂起裝置；③事故狀態(tài)下改變磨機(jī)停機(jī)控制邏輯。該 3 種保護(hù)方式均得到了應(yīng)用：紫金礦業(yè)剛果金銅礦項(xiàng)目采用了高位油池的低壓循環(huán)供油解決方案；中鐵資源剛果金綠紗銅鈷礦φ3.8 m×5.8 m 球磨機(jī)項(xiàng)目采用了 UPS 供電的高壓頂起裝置；洛鉬剛果金 KFM 和 TFM 硫化礦項(xiàng)目采用了事故狀態(tài)下改變磨機(jī)停機(jī)控制邏輯。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋，事故狀態(tài)下，改變磨機(jī)停機(jī)控制邏輯的方案運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效，更易于被廣大用戶所接受。