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    軸承知識

    磁滯式電纜卷盤驅動裝置故障分析

    2019-05-16
    代弘君
    (上海交通大學,上?!?00240)
       摘 要:為了解決磁滯式電纜卷盤驅動裝置經常因電纜松纜造成設備停機或電纜損壞等問題,對驅動裝置故障原因進行分析。針對不同的故障類型,分別從驅動裝置的結構型式和PLC程序控制方式上進行優化改進,防止電纜松纜,從而降低電纜卷盤驅動裝置的故障率。
      關鍵詞:港口;磁滯式電纜卷盤驅動裝置;PLC程序優化
      0 引言
      磁滯式電纜卷盤驅動裝置主要由電機、磁滯耦合器、減速箱等所組成。磁滯耦合器利用磁盤與磁盤間的感應,通過調節磁盤間的間距來實現對電纜恒定張力的控制?,F針對此驅動裝置的常見故障進行分析,并根據故障類型提供相應解決方案。
      1 工況介紹
      電纜卷盤驅動裝置主要用于向大型機械提供動力電源和保障控制系統的通信。以上海港羅涇港區某大型機械為例,從碼頭接線箱起,通過10.5kV高壓供電電纜將10.5kV高壓電引入到設備上,同時將大型機械的檢測信號送至碼頭中控室,行程約700m。該大型機械動力電纜卷盤驅動裝置主要由長350m、直徑51~55mm的帶光纜的高壓電纜、驅動減速箱、滑環箱、單向軸承和不帶制動器的電機等組成。
      為了減少電纜盤上電纜繞纜圈數,除特殊情況外,會把地面電纜坑設在設備行程中點處。為了防止在斷電后電纜有下滑現象,在大車行走前,電機都會先啟動,進行收纜,使電纜保持適當的拉力。
     ?。?)當大車離開電纜坑時,電機轉動,利用磁滯耦合器磁盤間的滑差進行放纜,將電纜釋放到電纜槽架上。當大車運行到終點位置時,凸輪限位開關動作,大車停車。
     ?。?)當大車向電纜坑行走時,電機轉動,收取電纜。
     ?。?)當大車從電纜坑一側向電纜坑靠近時,電機轉動,進行收纜動作。當大車靠近電纜坑時,凸輪限位開關斷開信號,大車減速運行。當大車過了電纜坑后,凸輪限位開關發出信號,大車繼續以正常速度運行。
      在上述運行動作過程中,電機轉動方向都是同一個方向。區別在于:在放纜過程中,是靠磁滯耦合器磁盤間的滑差進行放纜;在收纜過程中,是靠磁滯耦合器磁盤間的磁耦作用力帶動卷盤轉動進行收纜。
      2 故障類型及處理方法
      導致磁滯式電纜卷盤驅動裝置發生故障的主要原因包括限位開關動作、磁滯耦合器故障、單向軸承失效、PLC系統控制故障、連接件之間鍵槽磨損、限位開關失效等。這些故障原因都會導致電纜運行異常,造成電纜所受拉力變大或者電纜掉落,給電纜線造成一定的損傷,嚴重時會發生電纜放電或電纜被拉斷等情況。電纜都是在高壓環境下運行的,其絕緣性和完好性都直接影響整個供電系統的安全性和可靠性。
      在正常工作情況下,司機操作啟動手柄,電機得電進行收纜,電纜帶動電纜導向架的敲塊觸碰到限位開關后,大車動作。
    在實際使用過程中,發現如果大車長時間未行車,而電纜松纜掉落堆積在電纜槽架上,會使導向架處的敲塊向左或向右動作,從而觸碰到限位開關。電纜松纜掉落堆積在電纜槽架上見圖1。
    圖1 電纜松纜掉落堆積
      這類情況會產生一個錯誤信號,使PLC認為設備正常,而大車繼續行車。如果監護不到位,電纜會勾住某個地方,過緊限位開關無動作,會造成電纜被拉斷。如果電纜掉落至碼頭上,大車輪緣會直接軋到電纜,造成電纜破損。電纜破損及臨時處理見圖2。
    a)電纜絕緣遭破壞
    b)電纜臨時處理
    圖2 電纜破損及臨時處理方式
      電纜松纜的原因主要有2個。第一,由于磁滯耦合器兩感應盤之間間距過大,導致其扭矩偏小,滑差率過大,導致提升動力和蓄纜力不夠,造成電纜松纜。第二,單向軸承的損壞。當電機斷電后,磁滯耦合器的支持力矩全部作用在單向軸承上,一旦單向軸承失效,支持力矩缺失,造成電纜掉落。
      2.1 磁滯耦合器引起的故障
      磁滯耦合器中有2個平行等大小的圓形磁盤,其中:一個磁盤由永久磁鋼構成,它產生交替多極磁場;另一個磁盤是強磁感應盤。一旦兩磁盤之間出現轉速滑差,多極磁盤必將交替磁化對面的感應盤,類似于旋轉磁場,從而產生一種抗拒滑差的扭矩。通過調節磁盤間的間隙,可調節該扭矩的大小,實現可調式恒定力矩的轉換。由磁滯耦合器扭矩過小引起的電纜松纜故障是一個漸變的過程,其松纜速度是很慢的,在平時行車時會經常報松纜故障,其解決方法是可直接根據電纜的松緊程度來調節兩磁盤之間的間距。如果調整至極限仍不能滿足要求,則直接更換磁滯耦合器。
      2.2 單向軸承失效引起的故障
      單向軸承的作用是在設備斷電的情況下,磁滯耦合器的支撐力矩作用在單向軸承上,以防止電纜松纜。在電機工作中,單向軸承不起任何作用。當電機失電后,一旦單向軸承失效,滿盤電纜會直接掉落至地面。
      為了防止此類故障的發生,考慮到現場改造工作量和成本等方面的原因,可直接把普通電機更換成電磁制動電機。電磁制動電機工作方式:電機得電,制動器打開;電機失電,制動器抱閘。目的是一旦單向軸承失效后,磁滯耦合器的支撐力矩能作用在制動器上。這樣與單向軸承形成雙重保護,能有效防止電纜直接掉落至地面。
      3 程序優化
      大車運行狀態下導向架限位開關動作示意圖見圖3。
    圖3 大機運行狀態導向架限位動作示意圖
      受大車本身的限位開關、控制方式的限制,原松纜保護裝置主要依靠過松限位開關、過緊限位開關來進行判斷,并不能很好起到作用。前文所述的電纜松纜處理方案都是從硬件方面著手,雖然從一定程度上能防止松纜情況的發生,但在實際使用中,由于現場沒有專人監護,缺少有效的監測手段。雖然在電纜導向架上布置過松限位開關、過緊限位開關,但只有在行走機構得電情況下限位開關才能發揮作用。當大機停止運行一段時間后,電纜驅動電機失電,電纜掉落,勾住導向架,過松限位開關、過緊限位開關無法發揮作用。同時,過松限位開關、過緊限位開關只能檢測某個狀態,而不能檢測松纜的過程。為了解決此類故障,在電纜卷盤處增加1個限位開關,用以檢測脈沖信號,并將脈沖信號作為判斷故障的依據。檢測限位開關布置點見圖4。
    圖4 限位布置點
      檢測限位開關的安裝位置須靠近電纜卷盤,電纜卷盤的每根撐桿經過檢測限位開關都會觸發1個脈沖信號,通過計算脈沖信號的個數來判斷電纜卷盤工作是否正常。判斷的依據主要是測量電纜卷盤在2種極限狀態位置時的脈沖信號個數。當測量數據不在此范圍內,即說明電纜卷盤驅動裝置存在故障。程序上故障判別方法有以下3種:
     ?。?)當大車停止后,程序如果仍然檢測到脈沖信號,以實際經驗定義脈沖信號2個/s為松纜故障。
     ?。?)當大車遠離電纜坑行走時,電纜卷盤處于放纜狀態,程序如果檢測出脈沖信號超過7個/s時,說明放纜過快,即報松纜故障。
     ?。?)當大車向電纜坑行走時,電纜卷盤處于收纜狀態,以接近電纜坑位置計算,如在20s內沒有脈沖信號,即報松纜故障。
      修改后的大車行走程序截圖見圖5。修改后的程序在故障發生后僅對大車行走動作進行限制,對其余機構動作沒有影響。
    圖5 大車行走程序修改圖
      4 結語
      為了確保電纜卷盤驅動裝置的正常運行,針對松纜故障,提出2種解決方案。為防止電纜松纜,在電纜卷盤處加裝檢測限位開關,以計算脈沖信號個數的方法來檢測電纜卷盤是否動作異常,并對大車行走程序進行修改。
    來源:( 港口科技)

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