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磁滯式電纜卷盤驅(qū)動裝置故障分析

2018-11-16

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(qū)動裝置經(jīng)常因電纜松纜造成設備停機或電纜損壞等問題，對驅(qū)動裝置故障原因進行分析。針對不同的故障類型，分別從驅(qū)動裝置的結(jié)構型式和PLC程序控制方式上進行優(yōu)化改進，防止電纜松纜，從而降低電纜卷盤驅(qū)動裝置的故障率。

　　關鍵詞：港口；磁滯式電纜卷盤驅(qū)動裝置；PLC程序優(yōu)化
　　0　引言

　　磁滯式電纜卷盤驅(qū)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(diào)節(jié)磁盤間的間距來實現(xiàn)對電纜恒定張力的控制?，F(xiàn)針對此驅(qū)動裝置的常見故障進行分析，并根據(jù)故障類型提供相應解決方案。

　　1　工況介紹

　　電纜卷盤驅(qū)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(tǒng)的通信。以上海港羅涇港區(qū)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(qū)動裝置主要由長350m、直徑51~55mm的帶光纜的高壓電纜、驅(qū)動減速箱、滑環(huán)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(shù)，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(xiàn)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?shù)睦Α?/div>

　?。?）當大車離開電纜坑時，電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，收取電纜。

　　（3）當大車從電纜坑一側(cè)向電纜坑靠近時，電機轉(zhuǎn)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(fā)出信號，大車繼續(xù)以正常速度運行。

　　在上述運行動作過程中，電機轉(zhuǎn)動方向都是同一個方向。區(qū)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(zhuǎn)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(qū)動裝置發(fā)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(tǒng)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(fā)生電纜放電或電纜被拉斷等情況。電纜都是在高壓環(huán)境下運行的，其絕緣性和完好性都直接影響整個供電系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生一個錯誤信號，使PLC認為設備正常，而大車繼續(xù)行車。如果監(jiān)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。，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(chǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)速滑差，多極磁盤必將交替磁化對面的感應盤，類似于旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生一種抗拒滑差的扭矩。通過調(diào)節(jié)磁盤間的間隙，可調(diào)節(jié)該扭矩的大小，實現(xiàn)可調(diào)式恒定力矩的轉(zhuǎn)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(jīng)常報松纜故障，其解決方法是可直接根據(jù)電纜的松緊程度來調(diào)節(jié)兩磁盤之間的間距。如果調(diào)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(fā)生，考慮到現(xiàn)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(yōu)化

　　大車運行狀態(tài)下導向架限位開關動作示意圖見圖3。

圖3 大機運行狀態(tài)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(fā)生，但在實際使用中，由于現(xiàn)場沒有專人監(jiān)護，缺少有效的監(jiān)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(fā)揮作用。當大機停止運行一段時間后，電纜驅(qū)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(fā)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(tài)，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(jù)。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(jīng)過檢測限位開關都會觸發(fā)1個脈沖信號，通過計算脈沖信號的個數(shù)來判斷電纜卷盤工作是否正常。判斷的依據(jù)主要是測量電纜卷盤在2種極限狀態(tài)位置時的脈沖信號個數(shù)。當測量數(shù)據(jù)不在此范圍內(nèi)，即說明電纜卷盤驅(qū)動裝置存在故障。程序上故障判別方法有以下3種：

　　（1）當大車停止后，程序如果仍然檢測到脈沖信號，以實際經(jīng)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(tài)，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。

　　（3）當大車向電纜坑行走時，電纜卷盤處于收纜狀態(tài)，以接近電纜坑位置計算，如在20s內(nèi)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(fā)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(jié)語
　　為了確保電纜卷盤驅(qū)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(shù)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）