起重機(jī)械電氣系統(tǒng)失效模式及失效原因分析

陳 序，李向東

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210036）

起重機(jī)械電氣系統(tǒng)一般由電氣控制系統(tǒng)、電氣拖動(dòng)系統(tǒng)、電氣保護(hù)及安全監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，涉及起重機(jī)械的動(dòng)力、控制等諸多方面。電氣系統(tǒng)一旦失效導(dǎo)致故障或事故，輕則影響生產(chǎn)效率、損壞設(shè)備，重則會(huì)引起人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失或環(huán)境損害，特別是人身安全是電氣系統(tǒng)安全的首要問題。因此，通過對(duì)電氣系統(tǒng)失效模式的研究，找到失效機(jī)理，進(jìn)一步查找原因，可以指導(dǎo)日常的維護(hù)保養(yǎng)，預(yù)防和減少電氣故障或事故發(fā)生。起重機(jī)械電氣系統(tǒng)一級(jí)失效模式包括電氣連接失效、絕緣失效和電器元件（裝置）失效。

1 電氣連接失效

起重機(jī)械內(nèi)部的電氣設(shè)備/元件需要通過有效的電氣連接才能實(shí)現(xiàn)功能，一旦連接失效（例如接線端松動(dòng)、脫落等）會(huì)導(dǎo)致部分功能中斷，影響起重機(jī)械的正常運(yùn)行。電氣連接失效模式主要有斷路和接觸不良兩種［1］。

1.1 斷路

斷路除了由于自然災(zāi)害、人為破壞等外部因素導(dǎo)致的線路損壞之外。不規(guī)范的電氣線路敷設(shè)也是導(dǎo)致斷路的重要原因之一。例如穿管管線口不設(shè)置橡膠圈導(dǎo)致電線與鋼管口摩擦，小車移動(dòng)電纜未正確懸掛或采用拖鏈等措施導(dǎo)致折斷，電控柜門上的接地電線因安裝位置導(dǎo)致被門壓斷等。斷路的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致電氣系統(tǒng)全部或部分功能中斷，影響起重機(jī)械正常工作。如電動(dòng)機(jī)三相主回路中單相回路的斷開會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行燒壞電機(jī)。特別是接地線斷開有可能引發(fā)人員觸電事故。

1.2 接觸不良

電氣線路連接后，電氣連接接頭處存在一定的接觸電阻，接觸電阻的大小與直接接觸的載流面積、接觸面受到的壓力以及接觸面的腐蝕程度有關(guān)。當(dāng)電氣接頭接觸不良時(shí)，接觸電阻增大會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)熱增加和溫度升高，促使接觸面氧化。這種惡性循環(huán)最終會(huì)引起接頭處機(jī)械強(qiáng)度降低，尤其是當(dāng)線路出現(xiàn)瞬時(shí)大電流通過時(shí)（如短路），更容易造成接頭處出現(xiàn)燒斷現(xiàn)象。同時(shí)由于接頭處接觸不良也容易導(dǎo)致火災(zāi)。其原因有兩種，一是接頭處接觸電阻增加導(dǎo)致發(fā)熱增加，引燃周邊可燃物；二是會(huì)產(chǎn)生電弧或電火花，由電弧或電火花引發(fā)火災(zāi)。

2 絕緣失效

絕緣是直接接觸電擊防護(hù)的重要措施。良好的絕緣也是保證電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本條件。絕緣失效模式包括絕緣結(jié)構(gòu)失效和絕緣材料失效兩種。絕緣失效會(huì)導(dǎo)致絕緣電阻阻值下降，影響安全性能。因此通過測(cè)量絕緣電阻可以判斷電氣系統(tǒng)絕緣性能的好壞。目前《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》［2］中對(duì)絕緣電阻的要求是額定電壓不大于500V時(shí)，絕緣電阻不小于1.0MΩ，防爆起重機(jī)不小于1.5MΩ。

2.1 絕緣結(jié)構(gòu)失效

絕緣結(jié)構(gòu)是一種或幾種絕緣材料的組合，根據(jù)電氣設(shè)備的特點(diǎn)和尺寸要求，將它與導(dǎo)體部件設(shè)計(jì)成為一個(gè)整體，用以支撐、隔絕有電位差的導(dǎo)電部分。但是在外界作用下達(dá)到或超過規(guī)定指標(biāo)時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生漏電、發(fā)熱、電暈、擊穿等現(xiàn)象。另外，動(dòng)物、植物和微生物等也可能破壞電氣設(shè)備和電氣線路的絕緣結(jié)構(gòu)。絕緣結(jié)構(gòu)失效會(huì)導(dǎo)致爬電距離和電氣間隙減少，影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，也容易導(dǎo)致電擊事故。

2.2 絕緣材料失效

絕緣材料電阻率很高，是絕緣體，又稱為電介質(zhì)，但并非絕對(duì)不導(dǎo)電。工程上應(yīng)用的絕緣材料的電阻率一般都不低于1×107Ω·m［3］。絕緣材料失效會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)等金屬外殼直接帶電，產(chǎn)生電擊危險(xiǎn)。同時(shí)可能引發(fā)短路等電氣故障，也存在著火的危險(xiǎn)。結(jié)緣材料失效模式又可分為絕緣擊穿、絕緣老化和絕緣損壞。

（1）絕緣擊穿。絕緣擊穿是當(dāng)施加于電介質(zhì)上的電場(chǎng)強(qiáng)度高于臨界值時(shí)，會(huì)使通過電介質(zhì)的電流突然猛增，這時(shí)絕緣材料被破壞，完全失去了絕緣性能。

（2）絕緣老化。電氣設(shè)備/線路在運(yùn)行過程中，其絕緣材料由于受熱、電、光、氧、機(jī)械力、輻射、微生物等因素的長(zhǎng)期作用，產(chǎn)生一系列不可逆的物理變化和化學(xué)變化，導(dǎo)致絕緣材料的電氣和機(jī)械性能的劣化。絕緣老化又大致可分為電氣老化、機(jī)械老化和熱老化3類［4］。

（3）絕緣損壞。絕緣損壞是指由于不正確選用絕緣材料，不正確地進(jìn)行電氣設(shè)備及線路的安裝，不合理地使用電氣設(shè)備等，導(dǎo)致絕緣材料受到外界腐蝕性液體（氣體）、潮氣、粉塵的污染和侵蝕，或受到外界熱源、機(jī)械因素的作用，在較短或很短的時(shí)間內(nèi)失去其電氣性能或機(jī)械性能的現(xiàn)象。其中環(huán)境對(duì)電氣絕緣造成劣化的主要因素是受潮，受潮會(huì)導(dǎo)致絕緣電阻降低。

3 電器元件（裝置）失效

起重機(jī)械中常見的電器元件（裝置）包括接觸器、斷路器、熔斷器、按鈕、凸輪控制器、主令控制器、變頻器、定子調(diào)壓裝置等。電器元件（裝置）的失效后果主要是運(yùn)行危險(xiǎn)，例如導(dǎo)致起重機(jī)意外運(yùn)動(dòng)或停止，或者無(wú)法起動(dòng)、正常工作等。特別是用于起重機(jī)上的安全裝置或是信號(hào)裝置的電氣元件失效，還可能給人員帶來(lái)傷害甚至是死亡。受篇幅限制，下面以斷路器為例進(jìn)行介紹。

斷路器俗稱自動(dòng)開關(guān)或空氣開關(guān)，用于低壓配電電路中不頻繁的通斷控制。在起重機(jī)電路發(fā)生短路、過載或欠電壓等故障時(shí)能自動(dòng)分?jǐn)喙收想娐?，是一種控制兼保護(hù)電器。圖1是對(duì)斷路器失效原因進(jìn)行分析的魚刺圖，主要情況如下。

圖1 斷路器常見失效原因

3.1 觸點(diǎn)

（1）觸點(diǎn)熔焊。觸點(diǎn)熔焊是由于通過斷路器觸點(diǎn)的電流超過觸點(diǎn)本身的額定電流，或由于老化觸點(diǎn)之間電阻增大致使觸點(diǎn)發(fā)熱直至熔合粘連［5］。此外，觸點(diǎn)閉合過程中的機(jī)械振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致熔焊甚至燒損現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）觸點(diǎn)磨損。斷路器因長(zhǎng)期使用，多次分段后，無(wú)論是否有電，觸點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生磨損。觸點(diǎn)磨損主要是由機(jī)械磨損、電磨損和化學(xué)磨損導(dǎo)致。由于斷路器分?jǐn)啻箅娏鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧損傷觸點(diǎn)，因此電磨損是觸點(diǎn)磨損的主要失效模式之一。

3.2 脫扣器

脫扣器是斷路器實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能的基礎(chǔ)，脫扣器的失效模式是拒動(dòng)作和誤動(dòng)作［6］。

（1）熱脫扣器。熱脫扣器是利用電流熱效應(yīng)原理工作，用于線路中的過載保護(hù)。因此，當(dāng)密封不良導(dǎo)致熱量損失或是雙金屬片位置設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蚨紩?huì)引起熱脫扣器失效。

（2）電磁脫扣器。電磁脫扣器是利用電磁感應(yīng)原理工作，一般用于線路中的短路保護(hù)或失壓保護(hù)等。因此當(dāng)電磁吸力產(chǎn)生變化（過大或過?。┗蛘邿o(wú)法產(chǎn)生電磁吸力是其失效的主要原因。具體來(lái)說大多和線圈失效有關(guān)，常見的線圈失效有線圈燒毀、絕緣失效、鐵芯變形或斷線等。其失效原因有如電壓過高/過低、鐵芯氧化、機(jī)械卡阻、吸合磁隙過大，以及環(huán)境方面的因素如潮濕、環(huán)境溫度過高等。另外，與線圈系統(tǒng)配合的牽引桿固定不牢、組裝精度不高、斷裂或者變形也會(huì)導(dǎo)致脫扣器無(wú)法正常動(dòng)作。

3.3 操縱機(jī)構(gòu)

操縱機(jī)構(gòu)是斷路器動(dòng)作的執(zhí)行部件，其可靠性直接決定斷路器的壽命。

（1）彈簧。彈簧操縱機(jī)構(gòu)中的重要元件，其具有一定的儲(chǔ)能作用，外力通過彈簧驅(qū)動(dòng)連桿來(lái)分?jǐn)嘤|點(diǎn)。彈簧力衰減是其主要失效模式，這與彈簧的材質(zhì)、表面缺陷、裂紋、熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)。

（2）連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)是操縱機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部分，主要失效模式有連桿變形和轉(zhuǎn)軸位置變化。連桿變形與連桿的材質(zhì)有關(guān)，有可能是設(shè)計(jì)選用錯(cuò)誤，也可能是材料本身強(qiáng)度不夠。當(dāng)然，不排除采用劣質(zhì)材料或是偷工減料（例如空心設(shè)計(jì)）的可能；轉(zhuǎn)軸位置變化則可能因?yàn)檗D(zhuǎn)軸脫槽、轉(zhuǎn)軸生銹或是本身加工精度不高導(dǎo)致的［7］。

（3）手柄。手柄是用來(lái)執(zhí)行外部的操縱指令，斷裂和脫鉤是其主要的失效模式。手柄斷裂原因和連桿變形類似，與材料和設(shè)計(jì)有關(guān)；脫鉤則主要和設(shè)計(jì)不合理有關(guān)，例如和連桿連接不匹配、有摩擦等。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)起重機(jī)械電氣系統(tǒng)失效方面的研究還不夠深入。隨著起重機(jī)械未來(lái)向大型化、智能化、綠色化和輕量化方向發(fā)展，對(duì)起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的控制精度、拖動(dòng)效能、電氣保護(hù)及故障監(jiān)測(cè)診斷等方面的要求越來(lái)越高，系統(tǒng)日趨復(fù)雜，對(duì)可靠性的要求卻不減反增。電氣系統(tǒng)失效可能會(huì)發(fā)生故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致事故發(fā)生。特別是起升機(jī)構(gòu)屬位能性負(fù)載，一旦發(fā)生電氣系統(tǒng)失效可能會(huì)墜落導(dǎo)致事故，所帶來(lái)的后果極為嚴(yán)重。因此，為了降低電氣故障及事故的發(fā)生，提升起重機(jī)械安全管理水平，提高行業(yè)安全可靠性，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)電氣系統(tǒng)失效機(jī)理及事故案例的研究。相信隨著行業(yè)的發(fā)展，對(duì)起重機(jī)械電氣系統(tǒng)重視程度的提高，對(duì)電氣系統(tǒng)失效的研究也會(huì)不斷加深。