張建峰
(方鼎科技有限公司 山東日照 276800)
在科學(xué)技術(shù)不斷進步的背景下,機械設(shè)備大量應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們?nèi)粘I钪?,不僅可以降低人工作業(yè)強度,而且可以提高作業(yè)效率。電氣系統(tǒng)是機械設(shè)備依據(jù)預(yù)定程序運作的關(guān)鍵,具有高精度、復(fù)雜性的特點,在運行過程中出現(xiàn)故障的概率較高。因此,基于機械電氣系統(tǒng)設(shè)計方法,分析機械電氣系統(tǒng)常見故障的解決措施,具有非常重要的意義。
機械電氣系統(tǒng)是負責控制全部與機械生產(chǎn)相關(guān)零件的系統(tǒng),一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,勢必會導(dǎo)致與之相關(guān)聯(lián)的設(shè)備癱瘓。因此,在機械電氣系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)貫徹可靠性原則,規(guī)避因機械電氣系統(tǒng)自身性能不穩(wěn)定而引發(fā)的工業(yè)生產(chǎn)進程延滯問題。
機械電氣系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜的系統(tǒng),任意一個環(huán)節(jié)失誤,均會影響整個系統(tǒng)運行。因此,在機械電氣系統(tǒng)設(shè)計時,設(shè)計人員應(yīng)貫徹完整性原則,確保系統(tǒng)充分滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的要求。
機械電氣系統(tǒng)是機械工業(yè)控制系統(tǒng),與機械工業(yè)經(jīng)濟效益緊密相關(guān)。在機械電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中,需要貫徹經(jīng)濟性原則,簡化系統(tǒng)操作流程,控制系統(tǒng)成本,確保機械工業(yè)總體效益。
因工業(yè)機械生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展速度較快,多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)機械、生產(chǎn)工藝均處于動態(tài)更新狀態(tài)。因此,在機械電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中,設(shè)計人員應(yīng)考慮系統(tǒng)后期擴展能力,特別是系統(tǒng)通信能力、輸入輸出接口。
在機械電氣系統(tǒng)設(shè)計時,設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)機械電氣系統(tǒng)控制對象,剖析系統(tǒng)運行主要程序以及運行動作、動作轉(zhuǎn)換時間等運動參數(shù),為后續(xù)系統(tǒng)硬件的合理選取提供依據(jù)。例如,在基于PLC的機械電氣系統(tǒng)設(shè)計時,設(shè)計人員可以根據(jù)基于PLC控制所需的各種條件,系統(tǒng)探查機械電氣控制參數(shù),以便充分利用PLC高度穩(wěn)定、配套齊全、維護便捷、適應(yīng)能力強的優(yōu)勢,同步實現(xiàn)開關(guān)控制、順序控制。根據(jù)機械設(shè)備動作要求,可以借助限位開關(guān)裝置控制電氣系統(tǒng)內(nèi)位置檢測信號,實現(xiàn)對機械動作的精準定位,進而在機械運動時,預(yù)先設(shè)置運動參數(shù),在參數(shù)達到設(shè)定值時,準備下一步動作。同時,將壓力繼電器設(shè)置到油缸下屬液壓回路內(nèi),檢測回路通道的同時,實現(xiàn)基于扭斷按鈕的機械啟動/停止,或者基于電磁閥部件的上限位,上升/左右向移位[1]。
在機械電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時,勢必需要配置較多硬件。因基于PLC的機械電氣系統(tǒng)指令源為可編程序邏輯控制器輸出離散型指令,指令的發(fā)出離不開可編程序存儲器的運作。除可編程序存儲器外,還可應(yīng)用繼電器組、可編程序控制器、連接電路。其中,繼電器主要負責執(zhí)行,由數(shù)字指令控制線圈,完成電源電路開合控制。例如,為控制機械電動機方向,可以利用3個繼電器組分別與PLC輸出端相連,配合變頻器限制,促使機械正轉(zhuǎn)啟動或反轉(zhuǎn)閉合。
在基礎(chǔ)模塊設(shè)計的前提下,設(shè)計者需要依據(jù)PLC外部硬件運行路線,完成I/O(輸入/輸出)分配,具體如表1所示。
表1 基于PLC的機械電氣系統(tǒng)I/O分配
軟件運行流程設(shè)計主要是在硬件裝置基礎(chǔ)上,以上電狀態(tài)為前提,完成程序初始化。為了確保機械電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化操作,在主電機初始化程序中,首先需要點擊電動機完成正轉(zhuǎn)電動運行,先后啟動主電機主觸點、星形,1.0s后,主電機主觸點開始運行且點動指示燈亮起[2]。其次,按下正轉(zhuǎn)連續(xù)啟動,促使機械主電機正轉(zhuǎn)連續(xù)運行,而在點擊點動反轉(zhuǎn)后,則可以進行后退操作。最后,點擊正轉(zhuǎn)停止或反轉(zhuǎn)停止,結(jié)束整體機械操作。
轉(zhuǎn)子是機械電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成元件,在機械長時間運轉(zhuǎn)過程中,轉(zhuǎn)子超負荷現(xiàn)象較為常見。一旦超負荷運轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子內(nèi)阻抗將發(fā)生不正常變化,阻礙機械電氣系統(tǒng)整體運行。具體表現(xiàn)為電壓、電流畸變且電流與功率同步增大,與機械擋位調(diào)整、開關(guān)狀態(tài)改變等操作均會引發(fā)轉(zhuǎn)子周邊溫度上升及轉(zhuǎn)子匝間短路、電感設(shè)備損壞有關(guān)[3]。
充電報警燈是機械電氣系統(tǒng)重要安防部件,可以確保機械電氣系統(tǒng)充電安全。充電報警燈異常在機械電氣系統(tǒng)運行過程中較為常見,與發(fā)電機無法正常發(fā)電、導(dǎo)線線束斷路、連接件松動、調(diào)節(jié)器故障、電路接觸不良具有較大關(guān)系,該故障的存在直接導(dǎo)致了工作者工作量的增加。
控制器是機械電氣系統(tǒng)的中樞,負責機械操縱指令的下達、傳輸。但在機械電氣系統(tǒng)運行過程中,控制器觸點損壞問題較為常見,可致使控制器觸點接觸不良,影響電氣系統(tǒng)操控機械運行狀態(tài),最終干擾整體機械正常發(fā)揮作用。
油壓燈即機油壓力燈,是監(jiān)測機械電氣系統(tǒng)機油壓力的有效工具。在機械電氣系統(tǒng)運行過程中,控制開關(guān)故障、保險絲熔斷、導(dǎo)線線束連接錯誤、電器線與外圍線束斷開均會導(dǎo)致油壓燈閃亮,影響機械正常運行。
為確定轉(zhuǎn)子阻抗元件損壞的原因,維修者可以從轉(zhuǎn)子不同運行狀態(tài)著手,開展交流阻抗試驗。首先,重復(fù)多次交流阻抗試驗,在交流阻抗數(shù)據(jù)無較大差異且電流、功率同時出現(xiàn)幅值一致增大的情況時,去除調(diào)壓器,加入220V交流電源電壓,再次進行交流阻抗試驗。在電流、功率顯著增大現(xiàn)象仍未消除后,按下關(guān)停按鈕致使轉(zhuǎn)子進入靜止狀態(tài)。進而將轉(zhuǎn)子部分碳刷拆除,將交流阻抗試驗用夾子直接夾持在轉(zhuǎn)子滑環(huán)上,施加電壓,重復(fù)上述交流阻抗試驗操作。在試驗中,電流、功率顯著增大表現(xiàn)仍未消除后,開啟機械電氣系統(tǒng),調(diào)整轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)速度為3000r/min,再次重復(fù)上述交流阻抗試驗操作[4]。在結(jié)果無不正常表現(xiàn)后,調(diào)低轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)速度并增設(shè)固定電壓,得出在轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)速度達到20r/min時電流、功率同時向高水平發(fā)展情況再次出現(xiàn),且電流、電壓波形存在畸形變化。由于電感設(shè)備、電阻設(shè)備并不會導(dǎo)致電流、電壓畸形變化,由此可推斷,故障原因是轉(zhuǎn)子回路內(nèi)其他設(shè)備元件加入,且相關(guān)元件為非線性元件,如位于轉(zhuǎn)子過電壓保護回路內(nèi)的碳化硅滅磁電阻,該電阻元件的加入會直接與轉(zhuǎn)子并聯(lián),致使轉(zhuǎn)子匝間短路,誘發(fā)電流、電壓畸變。
針對上述故障,維修者可以在后續(xù)轉(zhuǎn)子運行過程中推出熱工保護及勵磁系統(tǒng)直流側(cè)保護、測量回路,并拉開保險。同時,每間隔一定時期測量勵磁系統(tǒng)非線性電阻伏安特性,保證相關(guān)問題的及時發(fā)現(xiàn)、處理,降低轉(zhuǎn)子阻抗異常故障發(fā)生概率。若上述問題仍未解決,則維修者可以拆開轉(zhuǎn)子,重新連接回路,或者直接進行轉(zhuǎn)子及周邊電路的更換,徹底解決故障。
為順利解決機械電氣系統(tǒng)充電報警燈異常故障,維修者可以對故障原因進行分析。首先,維修者可以觀察不同機械電氣系統(tǒng)運行狀態(tài)下充電警告燈情況。例如,充電報警燈在待機擋位正常,機械啟動后充電報警燈報警,表明故障原因為蓄電池不充電,測量對應(yīng)狀態(tài)下端子電壓并讀取機械數(shù)據(jù)流,在端子電壓小于12V且機械數(shù)據(jù)流噴油脈寬提高到4.0ms時,可以推測發(fā)電機無法正常充電是充電報警燈異常的直接原因,與發(fā)電機自身部件損壞、主要連接件松動、調(diào)節(jié)器故障、電路接觸不良或斷開具有較大關(guān)系[5]。其中,發(fā)電機自身部件損壞主要包括電壓調(diào)節(jié)器故障、電刷與集電環(huán)接觸不良、整流二極管故障等;調(diào)節(jié)器故障主要為調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓器短路、調(diào)節(jié)器與發(fā)電機搭鐵不配套等。
為確定報警燈異常故障的原因,維修者可以對發(fā)電機附件進行檢查。確定附件與質(zhì)量標準相符且松緊度恰當后,利用萬用表進行附件至蓄電池電阻值測量。確定負極搭鐵電阻正常后,對發(fā)電機內(nèi)部進行檢查,在發(fā)電機內(nèi)部電控電路無明顯不正常現(xiàn)象后,更換全部充電電路,規(guī)避電路老化對故障原因推斷結(jié)果影響。更換電路后,發(fā)現(xiàn)蓄電路值無較大變化,表明電路接觸不良或斷開、主要連接件松動均非故障原因。隨后,更換發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子,故障未消除,表明發(fā)電機自身部件損壞非故障原因。此時,測量線路勵磁信號與信號數(shù)據(jù)流,得出曲線波不規(guī)則,與正常機械電氣運行正弦波差距較大。表明調(diào)節(jié)器內(nèi)高壓阻尼線受干擾是故障主要原因。也因此,可以更換1組新的高壓線組件,排除故障。
對線路材質(zhì)保護不到位、連接線磨損、接插件松動是機械電氣系統(tǒng)控制器線路接觸不良的主要原因,具體表現(xiàn)為機械電氣系統(tǒng)控制器外部接線、接線口連接接觸不良。在出現(xiàn)上述故障后,維修者可以將控制器從機械電氣系統(tǒng)內(nèi)拆除,目視控制器連接線,觀察連接線外側(cè)絕緣皮是否完整。若連接線外側(cè)絕緣皮破損,則維修者可以重新購買可承受高溫的連接線進行連接。而在確定連接線外側(cè)絕緣皮完整后,維修者可以用手掰動系統(tǒng)控制器接線口,判斷系統(tǒng)控制器接線口是否存在松動。若系統(tǒng)控制器接線口無松動現(xiàn)象,維修者可以根據(jù)電氣系統(tǒng)控制器接線說明圖,觀察接線是否正確,若不正確,則對電氣系統(tǒng)控制器進行重新接線;若正確,則表明控制器內(nèi)部元件出現(xiàn)故障,需進行控制器的更換。
若重新接線后故障仍然沒有消除,則維修者可以利用萬用表對電源管理電路各點輸出電壓是否正確,若存在問題,則更換損壞元器件,反之,則繼續(xù)查找。在電源管理電路各點電壓無異常時,維修者可以主控芯片為重點,尋找輸入腳,利用萬用表測量輸入腳位置電壓值,觀察相應(yīng)電壓值是否存在由小到大變化,若不存在,則表明輸入腳存在問題,反之,則繼續(xù)檢查主芯片[6],即面向線路板尋找脈沖寬度調(diào)制輸出位置,利用萬用表測量相應(yīng)位置電壓值是否存在變化,若不存在變化,則表明脈沖寬度調(diào)制輸出位置損壞,需要更換芯片,反之,則檢查功率管驅(qū)動電路。借助萬用表測量電路柵極電壓值是否存在從低水平到高水平變化,若無變化,則表明驅(qū)動回路存在故障,需要尋找損壞元器件并更換,反之,則需要重新連接功率管。
機油壓力燈閃亮故障原因之一是機油壓力始終處于低位。為判定是否為這一原因,維修者可以抽出油尺,對機油量進行檢查。在確定機油充足后,拆除機油壓力傳感器,短時間內(nèi)啟動機械,對機械噴油情況進行檢查。在機油壓力傳感器安裝座孔無法順利噴油時,逐一拆除并檢查機油濾清器、限壓閥、旁通閥、泵、機濾器,反之,則對機油壓力傳感器運行情況進行檢查。根據(jù)檢查結(jié)果,采取針對性維修措施,比如,更換機油濾清器、旁通閥等部件等[7]。
機油壓力燈閃亮故障的又一原因是機油壓力始終處于高位。維修者可以對機油壓力表進行檢查,確定機油壓力表無誤之后,對機油壓力傳感器進行檢查,包括傳感器后油道、限壓閥、軸承間隙等,根據(jù)檢查結(jié)果采取針對性解決措施。例如,在傳感器后油道堵塞時,拆下油管進行疏通或更換油管;對于限壓閥損壞情況,更換限壓閥;對于軸承間隙過大情況,則重新焊修間隙。
若上述操作仍然無法排除故障,則維修者可以對機油壓力燈特定保險絲進行檢查。在確定保險絲無熔斷情況時,對控制開關(guān)電器件進行檢查。在開關(guān)無異常后,對電器件阻值進行測量,若阻值為0,則表明電器件內(nèi)部短路,需重新連接電路。
綜上所述,機械電氣故障具有損害性、預(yù)告性特征,不僅影響了整體機械正常運行,而且會誘發(fā)安全事故。因此,相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合機械電氣系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與運作流程,剖析機械電氣系統(tǒng)故障發(fā)生規(guī)律,利用現(xiàn)代化故障排除技術(shù),在機械電氣系統(tǒng)故障發(fā)生之初,進行有效維修,為機械電氣系統(tǒng)的安全、高效工作提供保障。