395BI电铲开斗电气控制系统故障分析
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作者:牟鹏昊
摘 要：395BI电铲配套的开斗控制系统为直流电气控制系统，这套系统已经在395BI电铲上使用了20多年，由于这套系统结构比较复杂，这些年的使用中发现很多节点的故障率很高，导致395BI电铲开斗电气控制系统的日常维修量相对于其他种类电铲较大。因此，分析395BI电铲开斗电气控制系统结构和原理，根据以往故障现象和维修经验进行总结归纳，根据故障现象的不同分别阐述导致故障的原因，对维修人员的维修做出指导，以便今后维修中加快该类故障的维修速度。同时针对个别问题提出改进办法和处置策略，从而消灭这一问题带来的影响。
关键词：395BI电铲 开斗系统 故障 改进
Abstract： 395BI shovel form a complete set of open control system for DC electrical control system， the system has been used on 395BI shovel for more than 20 years， due to the system structure is more complex， found in the use of over the years many node failure rate is very high， 395BI shovel open door electric control system of daily maintenance quantity relative to other kinds of shovel is bigger. Therefore， the structure and principle of the electric control system of 395BI shovel open door are analyzed， and the reasons for the failures are summarized according to the previous fault phenomena and maintenance experience. The reasons for the failures are explained respectively according to the different fault phenomena， so as to provide guidance for the maintenance personnel， so as to accelerate the maintenance speed of this kind of fault in the future maintenance. At the same time， the improvement measures and disposal strategies are proposed to eliminate the impact of this problem.
395BI电铲是我国20世纪90年代初引进的一种大型露天采掘设备，这种设备在现场已经服役25年了，由于395BI电铲运行工况十分恶劣，粉尘大、冲击大、震动大，并且要求24h循环作业，同时开斗电气系统又是工作在长堵转、大电流状态的直流系统，所以395BI电铲的开斗电气系统故障率很高。随着技术的不断进步，395BI电铲这套源于20世纪80年代的技术早已经更新换代，国际上这套开斗电气控制系统已经属于淘汰产品，开斗电气控制系统的大部分配件已经停止生产，由于395BI电铲是国外进口设备如果需要只能联系国外供货厂商定做，所以配件采购价格达到原来的3～8倍。介于395BI电铲的电气控制系统已经淘汰这种情况我公司于2016年完成了1台395BI电铲驱动控制部分的国产化改造，由于开斗电气控制系统未列入改造范围，那么在生产实际中开斗电气控制系统的老化、故障多等问题凸显，因此针对这一突出问题进行研究和总结，同时为今后其他395BI电铲电气系统改造提供技术支持。
1 395BI电铲简介
395BI电铲是一款由美国比塞洛斯公司设计制造的斗容为32m3的电控正采式挖掘机，它的电控部分采用交直交变频技术，由外部引入6000V供电，经高压柜和变压器变成660V，调速系统采用可控硅整流回馈单元、公共直流母线，逆变部分功率元件均采用GTO。该系统进线电源经三相桥式全控整流电路转变成直流电，经电容滤波后送入公共直流母线，然后经过逆变器转换成交流电驱动提升、推压、回转和行走各部交流电动机完成挖掘岩石、装车及行走等电铲的各项功能。随着科学技术的飞速发展，2005年美国比塞洛斯公司对395BI电铲的逆变器部分进行了改造，将功率元件由GTO模块升级为IGBT模块，更换部分控制电路板，调整部分控制参数。调速系统工作时通过控制器输出信号控制逆变器不断地改变输出频率来调整电机转速，并通过大量的直流母线电容来调节母线电压。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其他工作机构使用，使能量得到充分利用，使用不完的制動能量通过制动电阻消耗掉。
395BI电铲的辅助控制部分采用PLC控制技术，主要完成操作手柄信号的输出、信号的检测、气压系统和润滑系统的控制。主要完成动作为主机的启停、抱闸的开闭、操作信号的给定、润滑周期的设定、位置信号的检测和铲斗开门控制等。
2 395BI电铲开斗系统简介
2.1 395BI电铲开斗系统基本构成
395BI电铲铲斗容量为32m3，由于它的采掘方式是正向采掘，铲斗用来挖掘和转运物料，铲斗设计斗底门用来排卸物料，以及用来打开斗底门的装置和与其配套的电气控制系统。开门装置主要包括开斗钢丝绳、开斗定滑轮、开斗动滑轮、开斗横梁、开斗插销以及铲斗上的插销孔等。开斗电气控制系统主要由开斗变压器、开斗整流器、开斗电阻、开斗接触器、开斗电机、主令控制器和PLC组件等构成。 2.2 395BI电铲开斗系统操作流程
当395BI电铲处于启动状态时，开斗插销插入铲斗插销孔内，使铲斗底部封闭，这时司机可以操作395BI电铲进行挖掘物料和转运物料到指定位置，这时开斗电气系统控制开斗电机使开斗钢丝绳处于张紧状态;当铲斗装载满物料转运到卸料位置时，司机操作主令控制器手柄给定斗门打开命令时开斗电气系统控制开斗电机输出开斗力矩，使开斗钢丝绳拉动开门装置，使斗门打开执行开门卸料动作。
3 395BI电铲开斗电气控制系统原理
3.1 395BI电铲开斗电气系统供电输入部分
如图1所示，395BI电铲开斗电气控制系统主回路采用由395BI电铲辅助变压器引入MCC柜的交流400V外部电源供电，经接触器DTB和继电器DXC后，进入开斗变压器DTT，开斗变压器器将交流400V变为交流190V，190V交流输入给三相桥式整流装置。
3.2 395BI电铲开斗电气系统输出部分
整流部分如图2所示，根据三相桥式整流电路计算公式Ud=2.34U2cosα，其中，Ud为输出电压;U2为输入电压的有效值;cosα是触发角度，这里由于用的是二极管，所以α=0，得出Ud=444V，因此整流器将交流190V变为直流444V，通过组合电阻RE10到达直流电机DTM，采用用直流接触器DTC切换组合电阻的方式控制开斗电机输出不同的力矩，从而达到控制开斗机械部分的目的。
3.3 395BI电铲开斗电气系统组合电阻部分
组合电阻由6个电阻组成，4个13Ω，2个0.5Ω;如图2所示，D1到D3部分阻值的基础校订值为14.625Ω，D3到D2基础校订值为37.688Ω，D2到D1F基础校订值为0.688Ω。
3.4 开斗电机部分
395BI电铲开斗电机是一台复励电机，其机械特性介于并励和串励电机之间，若励磁磁动势中以并励磁动势为主，则其特性接近于并励电机;若励磁磁动势中以串励磁动势为主，则其特性接近于串励电机。395BI电铲实际应用中，395BI电铲主机启动状态，自卷绳状态下，开斗电机特性接近于并励电机特性;当电铲司机操作主令控制器给定开斗命令时，开斗电机特性接近于串励电机特性。这种特性切换依靠直流接触器DTC的吸合使组合电阻RE10完成调整。
3.5 主令控制器以及PLC逻辑控制部分
主令控制器即司机操作手柄，司机通过操作主令控制器使其输出开关量信号，并送达PLC输入板，CPU综合DTB、DXC、电铲启动停止等信号进行逻辑运算，从而由PLC输出板控制DTC的动作。
控制逻辑说明：检测电铲主机启动状态正常，按下启动按钮主机启动开始自卷开斗钢丝绳;如果司机给定开斗信号执行开斗。即正常启机后，当电铲司机不操作主令控制器给定开斗命令开斗电机维持开斗钢丝绳张紧，当电铲司机操作主令控制器给定开斗命令时开斗电机拉动开底绳拖动铲斗门打开装置使铲斗斗门打开。
4 395BI电铲开斗电气控制系统故障现象
395BI电铲开斗电气控制系统的故障主要由硬件故障、软件故障以及线路故障造成，那么它们产生的故障的现象归纳有以下几种：开斗无力故障、开斗电机无响应故障、有自卷无开斗故障、开斗不回位，常开斗等故障。
4.1 开斗无力故障的故障现象
395BI电铲主机启动状态下，司机通过操作手柄给定开斗信号时，开斗电机执行了开斗这一动作，但是开斗电动机输出的力度不足，造成拉不动或拉动距离短等问题，打不开铲斗斗门机构，使电铲无法完成卸料这一动作，电铲需要等待电气维修人员进行检查处理才能恢复作业。
4.2 开斗电机无响应故障的故障现象
395BI电铲主机启动后开斗电机不动作，既不能张紧开斗绳;司机通过操作手柄给定开斗信号时开斗电机也不执行开斗动作，这一故障使电铲不能工作需修复后开展作业。
4.3 有自卷无开斗故障的故障现象
395BI电铲主机启动后开斗电机执行张紧开斗绳的动作，当司机通过操作手柄给定开斗信号时，开斗电机无响应。这一故障使电铲不能开展工作，需要电气维修人员进行检查处理。
4.4 开斗不回位，常开斗故障的故障现象
395BI电铲启动后开斗电机执行张紧开斗绳的动作，当司机通过操作手柄给定开斗信号时，开斗电机执行开斗动作，当司机操作手柄回归零位时开斗电机还输出开斗力矩。这一故障比较严重需要立即停机等待电气维修人员进行检查处理。
由于395BI电铲装车时必须执行开斗这一动作，因此当395BI电铲无法正常执行开斗动作时将使整台电铲不能作业，这样就会严重影响采掘作业正常进行，等待维修正常后在进行生产作业，因此开斗电气控制环节故障也是影响生产的一个重要因素。
5 395BI电铲开斗电气控制系统故障的分析与解决
5.1 开斗无力故障分析
395BI电铲出现开斗无力故障主要是由于电机电流不足造成，根据公式I=U/R，电流不足产生的原因是电压减小或电阻增大，实际工作中通过总结以往现场维修经验，分析造成这种现象的主要故障点有以下几处。
（1）开斗變压器进线故障。这种情况一般属于三相电源一项断路产生的故障，用万用表直接测量即可确定。其中有一种特殊情况是由于电铲震动大造成的变压器柜内电缆局部断开造成的故障，这种情况用万用表直接测量是正常的数值，需要停电后逐根检查测量，确认断线位置进行修复或更换电缆。
（2）发生开斗变压器进线断裂。这种故障主要是由于电铲设计时未考虑进线位置和走线弯折被强震动影响，问题主要是由于从左侧面下部进线，使进线在变压器柜内产生两次接近90°的弯折，弯折受震动的影响导致导线外层断线。同时由于开底变压器柜体底部在承载整个变压器质量后在长期震动中的变形。针对这些问题提出改进方案，首先需要提高变压器柜进线口的位置，已达到使电源线不产生大于60°的弯折，同时加固电压器柜体，从而减小电压器柜震动。实际工作中采用更改进线口位置，即由侧面下部改为上部，从而避免了S型弯折走线，在柜体底部中间核心受力点加装三角支架从而提高柜体支撑能力。 （3）整流装置故障。一般情况为二极管损坏造成，三相桥式不可控整流器一个二极管损坏后是输出的直流电压下降，因此导致电机产生电流下降，导致输出力矩不足。现场维修只需要更换损坏的二极管。
（4）直流接触器触点故障。开斗直流接触器工作在大电流状态，由于长时间的大电流使开斗接触器触点熔化变形后接触面积变小，导致电阻变大，使电机输出力矩变小。现场维修需要更换触点。
（5）直流电机故障。一般情况多发生在碳刷和换向器部分，检查电机发现是碳刷部分则更换碳刷，如果是换向器、励磁或电枢部分则直接更换开斗电机总成。
5.2 开斗电机无响应故障
开斗电机无响应这个故障现场俗称开斗不动，一般情况下需要分析系统两个方向，即主要是主线路断路和PLC无输出造成的故障，因此检修故障分为主回路部分和控制回路部分。最后需要考虑电机自身故障。主回路部分造成该故障的主要有DXC（开斗接触器）损坏、组合电阻0.9Ω部分电阻丝断路、电机电枢绕组烧毁造成，这几个部分使用万用表按顺序测量即可排除这个主回路导致的故障，综合多年维修经验对照，开斗接触器故障率相对电阻和电机来说较低，一般多发生在电阻部分，但是当电机使用多年限较长时，或者反复维修使用多次后，电机的故障率就会升高，在此建议如果资金充足的情况下不要反复大修电机，应一次性更换全新开斗电机，从而避免造成电机各部位故障率增高。控制回路部分造成该故障的主要是PLC部分存在问题。PLC故障分为两个方面：一种情况是硬件故障，主要是输出板故障，由于输出板故障导致DXC不动作，检测手段为与其他输出板互换位置，如果互换后该故障消失，则确定为板件故障，更换故障板件即可，如果故障还在，则是第二种情况PLC程序故障，这种程序故障不常见，一般为电池电量不足导致程序丢失造成，重新下载程序更换CPU电池即可恢复正常。程序丢失故障不常见，属于偶发事件，一般电池可以坚持10年左右，该故障一般最后考虑电池问题。
5.3 有自卷无开斗故障
电铲开斗系统有自卷无开斗故障是由于执行开斗命令时开斗接触器不动作，开斗电机不得电，导致开斗钢丝绳无法产生拉力拉动开斗装置。这个故障主要是由于控制回路问题引起的，一是左主令控制器触点损坏，主令控制器触点故障需要使用万用表测量即可;二是PLC部分由输入板故障或输出板故障两部分，参照5.2部分PLC处理办法进行解决;主回路上引起该故障的主要是DTC损坏，一般为触点融化和线圈烧毁引起。
5.4 开斗不回位故障
造成开斗不回位故障的原因是直流接触器DTC的触点粘连，导致开斗电机长时间工作在大电流状态，这个故障很少发生但是很危险，一旦发生需要立即停机等待检修修复，修复工作主要是更换DTC的触点和灭弧罩。
6 395BI电铲开斗系统的缺点
395BI电铲开斗系统设计于20世纪70年代，采用当时主流的直流系统，进入90年代该套系统已经逐步淘汰，主要是由于直流电机制造比较贵，有碳刷，与异步电动机比较，直流电动机结构复杂，使用维护不方便，而且要用配套直流电源，复杂的结构限制了直流电动机体积和重量，同时电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。尤其是開斗系统这样长期堵转，大电流冲击的工作状况更加凸显了直流电机的弊端。设备使用现场由于淘汰问题引发各个环节的配件购买十分困难，只能修复旧件复用，这就进一步导致故障率增高，工作效率低下，维修维护费用高，现场投入人力大。
7 395BI电铲开斗系统改造方向的建议
由于395BI电铲现在使用的开斗电气控制系统存在诸多不足，因此建议在合适的时机进行全面彻底改进。目前太重公司生产的WK系列电铲均采用交流开斗系统，系统结构简单造价便宜，故障少，维护量小。如果实施395BI电铲开斗系统改造建议以交流开斗系统为方向开展改造工作。改造后不但具备交流系统的优点，还可以实现国产化，提高设备统一性，降低采购费用和采购难度等。
8 结语
395BI电铲开斗电气控制系统比较复杂，通过工作中总结的故障现象为导引分析了各类导致该类故障现象的主要原因，其中还有很多不足之处，望在今后工作中继续完善和补充，同时也希望其他维修技术人员多提宝贵意见。
参考文献
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