大中型桥式起重机电气部分隐性故障分析.doc

试析大中型桥式起重机电气故障
郑州铁路局装卸机械厂 范建伟
摘要：分析了大中型桥式起重机电气部分故障存在的原因及造成的后果，提出了预防故障发生的措施。
关键字：桥式起重机、电气、故障分析
随着起重机在各个行业的广泛应用，其安全运行问题受到广泛的重视，根据GB6067-85《起重机机械安全规程》规定，定期接受劳动部门监督检查，定期由持有起重机维修、改造资格证的单位进行起重机大修，我单位常年从事起重机大修，在大修期间发现，起重机在电气方面存在许多影响设备正常运转和人身安全的故障。长期下去将会导致事故发生，轻则电气损坏，重则发生人身伤亡事故。现据有关问题分析阐述。
1 大中型桥式起重机大车拖动电机故障
大中型如5T级、10T级桥式起重机的大车（即桥身）移动时，一般有两台绕线式异步电动机实行分别驱动，共同由一台凸轮控制器进行控制，分别通过电动机转子回路中串接不对称电阻进行调速，引起电动机频繁损坏的隐性故障分电气类和非电气类两种。这些故障的存在，短期内一般不会影响设备的运行，并且不容易发现。
1.1 电气故障的影响
1.1.1 凸轮控制器挡位不准，两台电动机不是同步运行。
大车两台拖动电动机驱动电源是由同一台凸轮控制器的一组触点来控制，其启动及调速则分别由两组触点进行控制。
凸轮控制器的损坏一般是触点烧坏，当凸轮控制器定位棘轮磨损时，由于未能及时发现并处理，凸轮控制器使用过程中就会出现挡位不准现象，即凸轮控制器经常停留在两挡之间。此时，起重机短时间内可以运行，不会出现大的异常现象，但是，长期运行下去会影响电动机的使用寿命，如果不能及时更换维修，则会导致电动机烧坏，影响设备正常运行。

当控制器出现挡位不准现象时，是切换电阻的同一挡位的两触点不能同时闭合。现以10T级桥式起重机为例。(见图1)当凸轮控制器停留在1挡2挡之间时，就会出现Q1a闭合Q1b不闭合（正常情况下两个触点应同时闭合）。这时Ma电动机的转子电阻Rma小于Mb电动机的转子电阻Rmb。

从机械特性图（见图2）可以看出电动机Ma 运行在曲线上，电动机Mb运行在曲线1，则说明电动机Ma运行速度n1大于电动机Mb运行速度n2,两台电动机不能同步运行。
这时，两台电动机的运行过程如下：
首先，电动机Ma转速快，他要拖动整台起重机移动，负载大大增大，迫使转速相应地逐渐减慢，直到n1=n2,两台电动机同步运行，同时拖动整台设备移动。此时，电动机Ma负载随之减小，转速又上升，当n1>n2时，电动机Ma再次单独拖动起重机。如此反复运行直到凸轮控制器换挡。由此可见，电动机Ma会单独超负荷拖动整台起重机移动，如果长时间运行，则电动机Ma的运行电流因其反复超负荷运转而超出额定电流，电动机机身温升过高，最终导致电动机烧毁。

1.1.2 转子电阻烧坏，转子回路间断性开路运行
转子电阻在运行时，因降低转速减少的输出功率全部消耗在电阻的铜耗上，所以，温升过高，容易引起电阻烧坏，如图1所示，电阻Ra1-e1段在启动运行过程中，运行时间是最长的，其使用寿命也就更短。现假设电阻从e1a处烧断，分析有如下特点：
1)电阻在e1a处烧断，大车在启动过程中，加速电阻开关分别从Q1a开始依次闭合直到Z1a闭合，启动完毕。而在Z1a未闭合之前，从图1可以看出，实际电动机Ma转子是开路运行。
2)当Z1a闭合之后，也就是启动完毕之后，此时电动机Ma又运行正常，专子回路通过Z1a、Z2a、Z3a 的闭合形成星点，开路现象排出。因此一般难以发现上述故障。
起重机是属于断续周期工作制类型的生产机械，其特点，开始工作时电控设备每次接通工作的温升不会达到稳定值，而每次间歇时它的温度尚未降到周围介质的温度时，又一次被接通。如此反复，启动频繁，由于电动机Ma串接电阻在e1a处烧断，从而导致电动机Ma长时间开路运行，引起电动机Ma烧毁。
其次，在上面的启动过程中，由于电动机Ma开路运转，其输出功率减小，它的输出转矩也减小，那么电动机Mb必须输出超过其功率来拖动起重机移动，从而使电动机Mb超负荷运行，降低电动机Mb使用寿命。
1.1.3 转子接线错误影响其拖动效果
在维修过程中，由于维修人员不细心或电阻器标示牌不清楚等原因，出现接线顺序错误。以e1a与c1a见图1对接后，在启动过程中，加速电阻器开关从Q1a至Z3a依次闭合。按原理当Z3a闭合后，应该是切出Re1a-f1a段电阻，而错误接线导致切出的是Ra1a-e1a段电阻。此时，电动机Ma转子中的正序电流与逆序电流之比即不对称系数超出规定值0.25-0.3的范围。在以电动机转子电路串不对称电阻时的机械特性曲线图分析（见图3），其中曲线1为不对称系数正常时的机械特性，曲线2为不对称系数超过规定范围的机械特性。从图中可以看出，曲线2出现了不允许存在的凹坑，恶化了电动机的拖动质量，电动机的电磁转矩变化过大，引起转子电流的大幅度波动，从而使电动机的运行寿命降低。

另一方面，当加速电阻开关Q1a至Z1a全部闭合以后，电动机又恢复正常运转状态，产生电动机一切正常的假象，使维修人员不能及时处理故障。
1.2 非电气方面故障的影响
非电气方面的隐性故障一般包括操作和机械两个方面，先分析如下：
1.2.1小车在大车的一端长时间运行，电动机由于过载运行而烧毁

一般情况下，在一个连续运行周期里，小车在大车两端运行时间基本保持平衡。但是在实际工作过程中，会出现小车在大车一端而大车长时间移动情况，现对这种现象进行分析如下（见图4）：

G表示小车所受的力，假设小车自身重7T，重物8T，则G为15KN；
A.B分别为大车两端车轮支撑受力点；
L1+L2为桥身跨度为25m;L1为小车在大车一端长时间运行范围，一般小于8m（现以8m计算）；
F1、F2分别为A、B 两点的约束反力；
现忽略起重机自身重量不算，根据力学原理可知：
F1×（L1+L2）=GL2 F2×（L1+L2）=GL1
则F1=150×17/25=102KN F2=150×8/25=48KN
由以上结果可知，这时A端（小车长时间运行端）的约束反力是B端的2.1倍，并且小车越靠近A端，则F1成比例上升。
大车拖动电动机主要是克服大车轮与钢轨之间的磨擦力F1‘、F2‘拖动大车移动，而F1’、F2‘与摩擦因数f和其作用点上的发向反力成正比，即:F1’=f×F1 F2’=f×F2 F1’/F2’=F1/F2=2.1
则A端电动机要克服的磨擦力是B端的2.1倍，即A端电动机负荷是B端电动机的2.1倍，所以，当小车在大车一端长时间运行时，则该端的负荷时另一端的几倍。电动机因超负荷运转，造成电动机转速降低，转差率增大，转子中感应电压、电流和对应的电磁转矩增大，电动机输出功率也相应增大，最终导致电动机发热，温升过高而烧坏。
1.2.2 机械原因引起的电动机烧坏
当大车某一端减速箱出现故障如齿轮磨平，或大车某一端大车轮轴承损坏等机械故障，都会使该端电动机空载或轻载运行，这样，同上例，电动机因过载而烧坏。
从以上分析可以看出，这样故障的出现，有一个共同特点是：电动机的正常运行状态与不正常运行状态交替出现，属于隐性故障，使维修人员难以判断设备是否正常运行，并及时处理故障，最终导致电动机连续烧坏。
2 大中型桥式起重机电气短路保护存在的故障
2.1 用非标准金属丝代替熔体使用
当熔体烧断后，一些维修人员为了尽快处理故障，用现有的非标准金属丝（如铜、铝）代替，或用多根金属丝并在一起使用，殊不知其熔断特性无法确定。过小则不能保证起重设备正常运转，过大则起不到安全保护作用，造成设备损坏，所以用非标准金属丝代替熔体使用时不允许。
2.2 选用熔体规格偏大
熔体烧断后，维修人员再不查明故障发生原因的情况下，为使以后熔体不再烧断，就选用规格偏大的熔体，这样在发生短路或过载时，也不能起到安全保护作用，也会造成设备元器件损坏。
2.3 过流继电器短接使用
当发生故障时，维修人员对故障原因不查明排除，私自把电磁式过流继电器控制接触点短接使用，这样也起不到应有的保护作用，造成设备元器件损坏。
从以上分析中看出，这些造成设备连续损坏现象，是一种人为造成的故障，当另外部件烧坏时，维修人员不会想到是因为以上问题造成的。
3 结语
如要避免起重机电气部分存在上述故障,要解决以下几个方面问题：
1) 管理者增强对电气技术及安全知识理解,把起重机作为一种特种设备放在重要位置。
2) 完善的操作管理机制、交接班制、定期检查和维护等制度设施。
3) 技术人员增强业务素质，提高技术水平，能够及时发现故障，把故障彻底解决。
4) 对维修人员进行定期培训，提高基本技能知识，增强工作责任心。
[参考文献]
[1]王官逊 孟宪蕙 裘为章.起重机设计手册.北京.机械工业出版社.1987.
[2]周希章.起重机电气设备的故障诊断与修理.北京.机械工业出版社.2004.
[3]何家森.机修手册电气设备修理.北京.机械工业出版社.1993.

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