岸邊集裝箱起重機(jī)電氣設(shè)備失效模式與識別*

吳文祥 岑 果 丁高耀 沈 崢 徐圣永

1寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048 2慈溪市市場監(jiān)督管理局 慈溪 315300

0 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）是港口集裝箱運(yùn)輸?shù)闹匾A(chǔ)裝備，自1979年我國成功研發(fā)首臺岸橋[1]，歷經(jīng)40余年的發(fā)展，岸橋已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)港口。以寧波港為例，截至2021年底，在用岸橋已達(dá)147臺，且大部分設(shè)備額定起重量在61 t以上，不少設(shè)備的服役時間已超過15 a[2]。由于海邊高濕、鹽霧環(huán)境的侵蝕，電氣設(shè)備故障屢見不鮮，故開展岸橋電氣設(shè)備失效模式與識別方法的研究非常重要。

目前，岸橋定期檢驗(yàn)主要根據(jù)安全技術(shù)規(guī)范規(guī)定的檢驗(yàn)項(xiàng)目對涉及其安全運(yùn)行重要指標(biāo)的當(dāng)前狀況進(jìn)行符合性驗(yàn)證，尚未對缺陷的根源、后果及潛在缺陷進(jìn)行系統(tǒng)分析。針對上述問題，本文在岸橋定期檢驗(yàn)缺陷分析，使用單位問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出電氣設(shè)備典型失效模式與識別方法。實(shí)施過程中累計(jì)調(diào)取了寧波地區(qū)岸橋定期檢驗(yàn)檔案432臺次，發(fā)放并回收有效調(diào)查表71份。

1 電氣設(shè)備組成

岸橋的電氣設(shè)備主要由供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等組成[3-5]，如圖1所示。其中，供電系統(tǒng)連接碼頭變電站，為岸橋運(yùn)行提供電能，其工作負(fù)荷通常達(dá)到1 000～2 500 kW，少數(shù)達(dá)到3 000 kW以上，為減少供電電纜的電流值，通常采用高壓供電的方式，供電電壓主要有3.3 kV、6 kV、10 kV共3種。整個系統(tǒng)主要包括高壓電纜、地面供電坑、供電滑環(huán)箱、電纜卷盤裝置及其控制系統(tǒng)、高壓開關(guān)柜、驅(qū)動變壓器等。

圖1 岸橋電氣設(shè)備架構(gòu)

驅(qū)動系統(tǒng)通常采用交流驅(qū)動的形式，主要由驅(qū)動濾波柜、驅(qū)動輔助柜、驅(qū)動進(jìn)線柜、驅(qū)動整流柜、變頻柜和變頻電動機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)整流→濾波→逆變→驅(qū)動等步驟，其中整流部分將交流電變成直流電；濾波部分由電容、電感等元器件組成，用于減少諧波對電網(wǎng)的影響；逆變部分是將直流電變?yōu)榭煽氐慕涣麟?，?shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。變頻電動機(jī)包括大車電動機(jī)、小車電動機(jī)、起升電動機(jī)、俯仰電動機(jī)等。

控制系統(tǒng)通常采用可編程邏輯控制器（PLC）作為核心，由主控制柜、接觸器柜、司機(jī)室觸摸屏、機(jī)房操作站、俯仰操作站、大車操作站、起重機(jī)管理系統(tǒng)（CMS）等組成，其中起重機(jī)管理系統(tǒng)安裝于工控機(jī)上。位于主控制柜內(nèi)PLC的輸入信號包括司機(jī)室觸摸屏指令信號、各操作站指令信號、限位開關(guān)信號、超速開關(guān)信號等，輸出信號為給各變頻電動機(jī)、接觸器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號。PLC與各交流變頻器之間通過現(xiàn)場總線通訊，與安裝有起重機(jī)管理系統(tǒng)的工控機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通信。起重機(jī)管理系統(tǒng)可查看分析岸橋運(yùn)行狀態(tài)、各運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行信息等。

2 供電系統(tǒng)故障模式與識別

供電系統(tǒng)的可靠性和安全性直接影響岸邊集裝箱起重機(jī)的使用狀況。供電系統(tǒng)的故障主要發(fā)生于電纜卷盤裝置、拖令機(jī)構(gòu)等部件。表1所示為供電系統(tǒng)主要故障及對應(yīng)的故障原因。

表1 供電系統(tǒng)主要故障及原因

對于高壓電纜，可沿電纜延伸或纏繞的方向檢查表面是否有破損或異物。目視檢查電纜的直徑是否有突然變大或變小的部位，如有則表明電纜發(fā)生過拉伸或扭曲。對于接線箱，可檢查接線箱內(nèi)電纜接線柱及銅排有無放電燒蝕的痕跡，電纜終端絕緣層有無放電痕跡及破損。接線柱、銅排及絕緣子上方是否有凝結(jié)的鹽霧污物。對于電纜卷盤系統(tǒng)，可對手動收放纜功能、電纜過緊限位、電纜過緊限制器彈簧進(jìn)行功能試驗(yàn)。過緊限位及限制器彈簧應(yīng)在電纜過緊時使系統(tǒng)停止工作，并使卷盤反向運(yùn)行將電纜放松。試驗(yàn)時可以手動按壓電纜過緊限位開關(guān)的觸頭，此時限位內(nèi)觸點(diǎn)脫開，電動機(jī)運(yùn)行使電纜放松。對于限制器彈簧，可進(jìn)行按壓，檢查是否能夠在足夠大的壓力下進(jìn)行動作。對照歷史記錄，檢查變頻器參數(shù)、力矩?cái)?shù)值設(shè)置是否有變化。對接地系統(tǒng)電阻過大或斷路可通過接地電阻儀進(jìn)行測試，根據(jù)TSG Q7015—2016《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求，對于保護(hù)接零系統(tǒng)，起重機(jī)械的重復(fù)接地或防雷接地的接地電阻不大于10 Ω，對于保護(hù)接地系統(tǒng)的接地電阻不大于4 Ω，且起重機(jī)械本體的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)與供電線路的保護(hù)導(dǎo)線可靠連接。對漏電保護(hù)器動作是否正常的檢查，可通過按壓漏電保護(hù)器的測試按鈕，檢查漏電保護(hù)器是否跳閘。

3 驅(qū)動系統(tǒng)故障模式與識別

岸橋驅(qū)動系統(tǒng)的故障主要發(fā)生于變頻器、起升電動機(jī)、俯仰電動機(jī)、大車電動機(jī)及小車電動機(jī)等，特別是起升電動機(jī)和小車電動機(jī)工作強(qiáng)度最大，易發(fā)生故障。驅(qū)動系統(tǒng)的主要故障及原因如表2所示。

表2 驅(qū)動系統(tǒng)主要故障及原因

對于變頻器故障的識別可根據(jù)變頻器顯示的故障代碼，對故障原因進(jìn)行逐一排除，識別故障根源。對于電動機(jī)故障識別的主要方法有振動測試[6]、絕緣測試[7]等。

1）電動機(jī)振動測試 振動測試是電動機(jī)故障診斷的重要方法之一，電動機(jī)的很多故障都以振動的形式表現(xiàn)出來，通過測量振動信號并分析，可以識別電動機(jī)工作狀態(tài)。采用振動傳感器、信號調(diào)理采集器、工控機(jī)等設(shè)備，在電動機(jī)上布置測點(diǎn)，采集電動機(jī)的振動信號。通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)分析，選取振動的烈度等特征指標(biāo)來判斷電動機(jī)的工作狀態(tài)。

2）電動機(jī)絕緣測試 電動機(jī)及其外殼因絕緣材料老化等原因?qū)е碌慕^緣性能降低可采用測試電動機(jī)繞組絕緣電阻的方法進(jìn)行識別。采用歐姆表測試?yán)@組的絕緣電阻，根據(jù)電動機(jī)的額定工作電壓確定選用的兆歐表的規(guī)格，如表3所示。

表3 兆歐表選用規(guī)格 V

可在電動機(jī)停機(jī)斷能，繞組表面溫度與環(huán)境溫度基本相同的情況下測量繞組的絕緣電阻。為保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，兆歐表測量時需要5～10 s的穩(wěn)定時間。根據(jù)GB 14711—2013《中小型旋轉(zhuǎn)電動機(jī)通用安全要求》規(guī)定，對于額定工作電壓在1 100 V以下的電動機(jī)，絕緣電阻應(yīng)不低于5 MΩ。

4 控制系統(tǒng)故障模式與識別

岸橋控制系統(tǒng)的故障主要發(fā)生于接觸器、熱繼電器、相序保護(hù)繼電器等元件。控制系統(tǒng)的主要故障及原因如表4所示。對于接觸器的損傷故障可通過檢查動靜觸頭、鐵芯、線圈、傳動部分等進(jìn)行識別。

表4 控制系統(tǒng)主要故障及原因

1）檢查動靜觸頭的接觸情況 ①取下滅弧罩，檢查動靜觸頭的燒傷情況，輕微燒傷可用細(xì)銼銼平后，用細(xì)砂布打磨，燒傷嚴(yán)重的應(yīng)更換新觸頭；②檢查接觸面的重合性，接觸面積大于8%；③接觸器在合閘位置時，檢查動靜觸頭的壓力情況；④檢查動觸頭系統(tǒng)與傳動部分絕緣應(yīng)完整無裂紋，無老化現(xiàn)象；⑤檢查各導(dǎo)電部位連接牢固，螺絲應(yīng)有彈簧墊圈，各彈簧無脫落變形。

2）檢查鐵芯情況 ①檢查動靜鐵芯接觸面是否緊密；②檢查動靜鐵芯接觸面應(yīng)清潔無銹，銜鐵吸動及返回要靈活，不能有卡澀，無異常聲音或噪聲；③鐵芯閉合其接觸面積不應(yīng)小于90%；④檢查鐵芯的短路環(huán)要牢固、不松動，如有裂紋或損壞的要更換，短路環(huán)許可溫度為110℃。⑤鐵芯應(yīng)固定可靠，靜鐵芯應(yīng)有一定的緩沖力，其后面彈簧應(yīng)完整無變形。

3）檢查線圈情況 ①檢查線圈上是否有灰塵油污，線圈引出線是否有損傷；②測量線圈絕緣電阻，采用1 000 V兆歐表測量時，不低于1 MΩ；③運(yùn)行中檢查線圈表面溫度，不得超過70℃，線圈外觀應(yīng)無變色。

4）檢查接觸器傳動部分情況 ①傳動部分無卡澀現(xiàn)象；②傳動部件無裂紋，各螺絲牢固。

5）檢查滅弧罩情況 檢查滅弧罩應(yīng)完好，無裂紋破損，無受潮。

對PLC控制系統(tǒng)受到干擾，可通過各機(jī)構(gòu)的模擬動作，判斷PLC的輸入、輸出是否正常。失壓保護(hù)裝置是否失效可通過模擬斷電的方式進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)起重機(jī)供電電源中斷后，凡涉及安全或不宜自動開啟的用電設(shè)備均應(yīng)處于斷電狀態(tài)，避免恢復(fù)供電后用電設(shè)備自動運(yùn)行。對零位保護(hù)功能失效，可通過模擬試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，運(yùn)行中若因故障或失壓停止運(yùn)行后，重新恢復(fù)供電時，機(jī)構(gòu)不等自行動作，應(yīng)人為將控制器回零位后，機(jī)構(gòu)才能重新動作（采用按鈕控制或能夠自動復(fù)位的控制裝置可以不設(shè)置）。對電動機(jī)定子異常失電保護(hù)功能失效，可通過模擬試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)調(diào)速裝置或正反向接觸器故障導(dǎo)致電動機(jī)失控時，制動器應(yīng)立即上閘。對超速保護(hù)裝置失效，可通過模擬試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，采用可控硅定子調(diào)壓、渦流制動器、能耗制動、可控硅供電、直流機(jī)組供電調(diào)速及其他由于調(diào)速可能造成超速的起升機(jī)構(gòu)或負(fù)載超速會引起危險的起升機(jī)構(gòu)在達(dá)到規(guī)定速度時應(yīng)使制動器上閘。

5 結(jié)論

本文以岸橋電氣設(shè)備為研究對象，剖析供電系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的主要失效模式和識別方法。對確定危險源、判斷損傷模式及分析其潛在的風(fēng)險具有指導(dǎo)意義，有利于提升岸橋定期檢驗(yàn)、日常巡檢等工作的針對性和效率。