涡流调速的变幅机构故障分析

Abstract：The paper mainly introduces certain abnormities occurring during the amplification process of the luffingmechanism 0f certain 150t Portal Slewing crane.The fault tree analysis method is adopted for inspection of related electricalline.as wel as the characteristic identification and analysis during the operation of eddy brake，to figure out the cause andfault points.Therefore，the corresponding solutions are put forward to enable the crane to operate in a normal way·Keywords：lufing mechanism；eddy curent brake；master controler；fault tree analysis；Portal Slewing crane0 概述某船厂-台 150 t门座起重机的变幅最大距离为45 m，其变幅机构 由电动机、制动器、齿轮减速箱、钢丝绳、绞车、滑轮组、电气控制 回路等组成。

2012年底，该机在作业过程中出现臂架下降速度过快的非正常现象。司机点动增幅 1挡操作，电动机正常得电，2台制动器正常松闸，但未换至2挡时就产生臂架下降速度过快，PLC输出励磁回路失压报警信号。此时主令控制器迅速回零，进行收幅动作后，电机开始减速直至零速，2台制动器先后抱闸，将臂架拉住而不再继续下滑。

在现厨行减幅方向的测试，发现机构动作完整、速度正常。出于安全考虑，为防止产生臂架加速下降，超过 2台制动器制动力矩，导致变幅超速现象，作业现场没有继续进行 2挡以上增幅操作。起重机停止使用，进行相关故障检测。

1 系统控制要求涡流制动器调速是-种传统调速方案，该方案在电动机驱动轴上加装涡流制动器，由电动机转子中串入电阻，得到软化的人为特性和涡流制动器输出的制动特性的合成机械特性，实现速度凋速。其控制方式有开环控制和闭环控制 2种。

《起重运输机械》 2013 (6)在闭环情况下，由于具有较硬的机械特性，机构的速度变化率在 5%以内。且当负载快速下降时，主令控制器手柄退回低挡或回零时，可得到相当大的电制动力矩，对于重载下降特别有利。

原系统控制要求为：采用 YZRW280M-8/55kW 电动机进行机构驱动，主要采用带电动机转子电流反馈的简单闭环涡流制动器调速系统方式。

主令控制器的挡位为 4-0-4，其中第 1、2挡接在涡流制动器励磁 (主要作为启、制动缓冲，操作时间不宜过长，以免转子电阻器过热)，第 3挡为手动过渡挡 ，第 4挡为正常运行挡。电机的主要参数见表 1。

表 1 变幅电动机和涡流制动器参数表变幅电动机型号 YZRW280M-8 工作制 S3.40%极数 8 功率 55 kW定子电流 1l0.5A 转子电流 92.5 A额定转速 750 r/min 频率 50 Hz涡流制动器额定转速 100 r/rain 工作制 15%励磁电压 8O V 励磁电流 6.5 A制动力矩 590 N.m 限定制动力矩 1180 N.m- 1 13 - 2 故障分析方法选择采用排除法先排除程序错误，因为其他机构动作均正常，故主要从设备硬件性能及 日常操作上寻找故障原因。

故障分析方法主要有统计分析法、分步分析法、故障树分析法、PDCA法等。对于本次故障比较适用于故障树分析法，可从各支路元器件及子系统来分析对系统的影响，其中也包括人为因素和环境条件等在内。既简明、形象，又能以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性 。

从机构运行的过程线路上考虑，根据上述故障成因分支中电气线路过程元件损坏的原因，按照图 1所示顺序流程进行梳理和排查。

主耋露 煞发H H ： -继琶1 Lr1El W出增幅指令r 动作指令r] 6K。 电.器动作l平稳运行 J1输出涡流制动力矩r1疆 蕴函吸合图1 变幅机构线路流程根据图 1所示流程，使用故障树分析方法，得出故障主要成因分支如图 2所示 (仅列出对本次变幅系统失效状态造成重大影响的原因)。

电气线路陧元件损功磁、/pt C、，输出 )( 块)( 电元件模/器损 ±不/ 坏变幅机构失效状态-增幅时，臂架有加速下行趋势图2 故障成因分支图--故障树3 原因分析3.1 涡流制动器原因1)涡流制动器的制动转矩分析- 1 14 - 其他机元件损禽由于电枢同电动机-起旋转，在电枢内感应产生涡流，故当励磁线圈通过直流电流后，磁极中的磁通经过空气隙和电极而构成闭合回路。

该电流与磁场产生的电磁力方向与电枢旋转的方向相反，可起到制动力的作用，此制动力与电枢半径之积即为制动力矩。

在-定励磁电流下，随着转速的上升及制动力矩的增加，当达到-定转速后，因电枢中磁通和电流的渗透深度、磁场强度和导磁系数随着转差率的变化而变化，使铁心磁路饱和；由于电枢反应的去磁作用增强，转矩增长速度逐渐减慢，在小励磁电流时尤其显著。当励磁 电流改变后，制动力矩尧生变化。

由于该机构的减幅过程可以正常使用，问题主要出现在增幅动作时臂架下降过程，故主要对该过程的涡流制动器进行分析。

系统工作在下降状态时，涡流制动器的制动力矩等于电动机转矩和负载转矩之和，即 T也：T ，这时负载功耗 P ./g TL/9 550 kW，电动机功率 P /'2 /9 550 kW，涡流制动器功耗 P n ( TL)/9 550 kW，转子电阻器功耗 P (n -n ) /9 550 kW，转子损耗 P ：( -n )/9 550 kW，即在下降工况时，负载越重速度越快，涡流制动器的功耗越大 J。

该变幅机构故障表征与上述结论不符合，在未加任何负载时，臂架已经显现超速下滑。

该涡流制动器在 1 000 r/min时应达到的最大制动力矩为 1 180 N·m。而设计中-般制动力矩选择设置为电动机力矩的 120% ～130%。因此，分析涡流制动器有损坏，制动力矩小于 且小于臂架 自重产生的力矩，同时又大于减幅过程所需要的 -r，I.。

2)涡流制动器制动力矩减小分析由于司机平时在其他机构调速上使用的都是变频调速功能，当主令控制器使用到变幅机构时，仍受到变频调速指令的影响，在增幅和减幅-挡停留时间过长。而由于涡流制动器-般适用于断续周期工作制 S (每-个工作周期包括-段恒定或变化和反力矩运转的工作时间和-段停止并断能的时间)，以及电阻器功耗的限制，它是不适合长时间低速运行的。当涡流制动器以 15%为基准负载持续率 (工作时间与整个周期之笔的百分数)《起重运输机械》 2013 (6)---时，涡流制动器的工作周期为仅为 10 rain。

在这种工况下，涡流制动器长期处在低速运行状态。由于涡流制动器的电枢 (转子)是既导磁又导电的旋转体，是由碳素铸钢铸成的圆筒与转轴和幅板等组成的焊接结构。工作时所消耗的功率在涡流制动器的电枢上全部转换成热量，电枢受热后产生膨胀变形，使气隙变小，最终会导致与定子磁极相擦 ，使涡流制动器不能正常使用，导致损坏。因此 ，尽管制造中已经通过采用膨胀系数较小的电枢材料和增加电枢圆筒开槽等措施，用来扩大电枢受热的线膨胀延伸空间，但长期在低速运行 ，使 电枢-直处在不利运行条件下，仍会对涡流制动器 的使用带来破坏性影响。

3.2 电气回路各元件及线路排查检测相关电气回路，发现涡流制动器的励磁回路无电压 ，即使更换了损坏的涡流制动器，电气回路中仍存在元件或线路损坏问题，需要对各相关重要元器件及线路进行排查。

1)主令控制器触点确认主令控制器是用来频繁换接多回路的控制电器，它按-定顺序分合触头，达到发布命令或与其他控制线路联锁、转换的 目的，从而实现远距离控制 。

用来操纵起重机械装置所需的力与控制装置的使用频度有关，随机型变化并按人类工效学来考虑 J。该机的主令控制器型号为 XKDF，为中型及按需定制类主令控制器∝制器的部件有控制杆、控制杆限位门、操动机构、凸轮、触点及电位器适配器等。带零位机械锁和在零位闭合的中心位置触点。其技术数据为：交流 50 Hz，额定工作41、7.凸轮块 2.接线柱 3.固定触点 4.动触点5.支杆 6.转动轴 8.小轮图 3 主令控制器工作原理《起重运输机械》 20136)电压 220 V，额定发热电流 1O A，额定绝缘电压500 V，额定操作频率 3 600次/h，机械寿命 300万次。

该主令控制器为凸轮非调整式，凸轮不能调整，仅能按照触头闭合表作适当的组合。

表 2 主令控制器 6SA。变幅部分触头闭合表挡位 增 幅 减 幅O 线 触 线4 3 2 1 l 2 3 4 头 号 号1 607 × 0o30o2 607 × × × × × × × X 003013 607 × X × × 003024 607 × × × × 003035 607 X × × × × × 0Cl3046 6O7 × × × × 003057 607 × × × × 0o3O6默认 PLC输入线路正常的情况下，检查主令控制器的线路。确认停机后，用万用表 R×10 Q挡对照上述触头闭合表检测点的通断来确定主令控制器是否正常。先将 主令开关旋转到对应的增幅-挡 (涡流供电)”挡位，根据主控控制器切换挡位的控制功能，将 2表笔分别接触外露的接线端子 (接线插片)，此时测出应为接通位置，实际检测为不通 (电阻值无限大)，说明主令控制器内部触点断开或虚接。

由此推论，增幅由零位到 1挡动作时，可编程序控制器 PLC输入拈中 (607，00306)点接收不到对应信号，后续无输出信号，励磁回路不供电。判断该主令控制器被污染或损坏，无法发出对应动作信号。其余几挡信号检测正常。经过除污处理及鹏外部接线后 ，主令控制器输入信号仍未恢复〖虑可能是其 中触点片折断或脱落 ，后直接更换该主令控制器，对应输入信号恢复。

结论：主令控制器投入使用后，发现臂架下滑现象仍存在，说明主令控制器触点不通不是主要破坏原因，外围电路中可能还有其他引接线点或控制元件有故障，仍需用万用表电阻挡顺序检- 115 - 测，逐步查出故障点。

1)PLC输入输出拈信号确认经确认，PLC对鹿变幅机构部分信号输入模块 (6ES7321-1 FHO0-0AAO)/信号输 出拈(6ES7322-1HH01～0AAO)信号均正常。

变幅增幅- j -减 f03cH ol2cH4 3 21 ( ) 1 2 34蒋 驾00 00- - - 4- O-- f-- 01 O1V 十t 02 02I 1 I II - I 1 V V I 03 031 ro o-H 04 04- - fr 05 05i l u V l l 06 06鲤 07 07FA08 0830/ 09 093Q2/ lo l3QI I检测输出继电器 6K 线圈币触点，、 令制器正常后，输出增幅 1挡时，P1.C输入使块-f(607，00306)点接收到信号， 1f输 十5l块 l(605，O1209)点信号输出，继电器6I ，辅助触点动作。

2)励磁回路供电确认由于原回路中已将励磁线路中欠压继电器信号接入 PLC输入拈 (607，00308)点，随时监测励磁线路中电压情况。因此，当主令控制器恢复信号后，PLC不再输出报警信号。停机后重新检查 r欠压继电器 3FA (JT18-11L)，其触点和线圈均正常。同时检查励磁回路变压器 3TC，显示无故障，两侧供电电压数据正常。

结论：主令控制器恢复后，励磁回路正常供电。该环节无故障。阕此，确认主要故障出现在涡流制动器上。

4 结束语对于涡流调速，由于是耗能型调速方式，因- l 16 - 而低速时效率较低，系统转动惯性大，涡流制动器还需要占据-定空间。

同时由于它还是-种通过调节外部附加负载来改变机构速度的-种调速方式，耗能严重，低速只能短时工作，调节系统-般为模拟式[ ，精度不够，也无法显示工作状态。

现在也有使用如数字化直流电流调节器等设备，通过数据处理程序来完成电流反愧电流显示和失磁保护等功能，并通过连续可调的方式，来改变涡流电机的励磁电流，进 而改变 电动机速度 J。

对于上世纪 9O年代前的大多数在役起重机，涡流调速方式运用较多。而上世纪 90年代变频调速进入我国起重机行业时，由于涡流调速方式对比变频调速-次性投资低得多，仍有-部分起重机沿用了涡流调速方式。目前在小型投资的维修类起重机械中起升、变幅机构也多采用涡流调速方式。对于这些起重机，涡流调速的故障分析仍有-定的实用意义但是涡流调速其整体可靠性与维护性对比目前起重机设计中已使用的较为广泛的变频调速系统 筹得多。同时，电机为绕线式同轴有涡流制功 ，今后必然需要经常性维护保养，以便达到力Il甲稳的应用。