断电事故状态下磨机电动机轴承保护与实现_段杏敏.pdf

第 51 卷 2023 年第 2 期编辑张发展通用58三道沟煤矿通过智能监控平台所展示的实时运行情况。6结语设计研发的超限、定时、开关触发功能于一体的自动喷雾装置，可实时、准确地对粉尘质量浓度、温度、湿度、时间、烟雾、巷道人车经过、输送带运煤以及放炮等情况进行统一的在线检测和智能控制。自动喷雾装置在多座矿山实地应用表明，其控尘效果显著，有效提升了矿山在降尘、防灭火领域的自动化、智能化水平。参考文献1张静煤矿井下喷雾降尘喷嘴直径对除尘效果的影响实验分析 J机械管理开发，2022，37(8)：146-148.2王松岭，刘阳，赵文升，等喷雾增湿降温法提高空冷机组出力的研究 J热力发电，2008，37(8)：5-8.3王飞基于光纤传感技术的智能矿山无人化巡检系统研究 J煤炭科学技术，2021，49(增刊 2)：263-267.4罗园，董丽，陈慧欣，等基于 STC12C5A60S2 单片机的 RTU 硬件系统设计和研发 J电工电气，2022(4)：49-52.5王起论 PLC、单片机、工控机在工业现场中的应用及选用方法 J广西轻工业计算机与信息技术，2011，27(1)：60-61.(收稿日期：2022-10-10)(修订日期：2022-10-24)断电事故状态下磨机电动机轴承保护与实现 段杏敏1,21洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳4710392智能矿山重型装备全国重点实验室河南洛阳471039 摘要：针对电网意外断电后磨机电动机轴承易出现划伤、研磨以及损坏的问题，提出了几种解决方案，并介绍了各自的实现方法与特点。通过对比发现：事故状态下改变磨机停机方式的方案更具有经济性、可靠性和安全性，具有很好的推广应用价值。关键词：断电事故；磨机控制；应急电源；蓄能器中图分类号：TP27文献标志码：B文章编号：1001-3954(2023)02-0058-04Protection of mill motor bearing in power failure state and its realizationDUAN Xingmin1,21Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co.,Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China2State Key Laboratory of Intelligent Mining Heavy Equipment,Luoyang 471039,Henan,ChinaAbstract：Since the bearing of the mill motor is prone to scratch,wear and damage after power failure,several solutions were proposed,and their realization methods and features were introduced respectively.Comparison results showed the scheme of changing the mill halting mode in accident state was more economical,reliable and safe,and was of spread and application value.Key Words：power failure accident;control of mill;uninterruptible power supply;accumulator作者简介：段杏敏，女，1983 年生，硕士研究生，工程师，主要从事矿山机械的电气设计工作。近 年来，随着“一带一路”的推进，矿用磨机的 出口数量与日俱增，尤其是矿产资源丰富的非洲刚果金。由于刚果金的电网不稳定，在保护措施不DOI:10.16816/ki.ksjx.2023.02.011第 51 卷 2023 年第 2 期编辑张发展通用591.蓄能器组件2.充气泵装置3.安全阀组及仪表图 2液压蓄能器站Fig.2 Hydraulic accumulator station完善的情况下，意外断电会对设备造成严重损坏。而作为关键件的磨机电动机轴承，其润滑好坏，直接影响到磨机的使用寿命和运转率，且影响磨机的产量和企业的经济效益。1问题的产生考虑到前期的投资与后期的运维成本，刚果金项目的大部分客户会选用“低速无刷同步电动机+气动离合器+开式大小齿轮”的边缘传动形式1，如图 1 所示。该传动形式主要由网侧高压电源开关、低速同步电动机、气动离合器、传动小齿轮和慢速驱动装置组成，具有传动链简单、占地面积小、安全可靠的特点。磨机电动机为低速同步电动机，因功率较大，且轴承为滑动轴承，所以配备有高低压润滑站。磨机电动机启动前，要求先开启高压润滑泵，至少运行 15 min；电动机停机时，需要再次开启高压润滑泵，至少运行 15 min 后方可停止。电网稳定情况下，磨机电动机启动、停机及运行都需按照磨机 PLC 程序运行。在电动机启动、停机过程中，高压供油系统可向电动机两端的轴承提供高压油，使主轴浮起，在主轴与滑动轴承之间形成一定厚度的油膜，降低电动机的启动力矩，避免烧瓦。电动机正常运转后，由低压供油系统给主轴和滑动轴承提供润滑油，延长电动机的使用寿命2。刚果金的电网不稳定，经常出现意外断电(以下简称事故状态)，事故状态会造成电动机与磨机之间的气动离合器脱开、电动机的润滑系统停止工作、磨机的润滑系统停止工作。电动机与磨机之间的气动离合器脱开后，电动机由于惯性还会持续旋转一段时间，据统计某些项目电动机到达完全静止状态的时间能达 40 min 左右。断电后，电动机润滑系统已停止工作，无法持续给电动机轴瓦提供支撑和润滑。尤其在1.网侧高压电源开关2.低速同步电动机3.气动离合器4.传动小齿轮5.慢速驱动装置图 1磨机边缘传动形式Fig.1 Edge drive type of mill电动机转速低到一定程度时，甩油环也不能随电动机转子旋转，电动机转轴与轴瓦之间的油量无法形成油膜，导致转轴与轴瓦接触摩擦，造成轴瓦划伤、研磨甚至烧瓦。因此，如何避免在事故状态下转轴与轴瓦发生接触摩擦，是研究的重点，也是大多数刚果金项目亟待解决的问题。2解决方案轴承作为电动机重要的组成部分，滑动轴承凭借结构与性能优势，使得其在良好的润滑条件下，降低了设备损耗，从而最大程度地降低了滑动摩擦以及表面摩擦的不利影响，实现了维护成本以及设备支出费用的有效控制。为了解决事故状态下磨机电动机轴承划伤、研磨甚至烧瓦的问题，笔者提出了 4 种解决方案。2.1配置液压蓄能器在电动机轴承润滑系统回路中配置液压蓄能器，将液压蓄能器与磨机电动机轴承连接一起使用，用于事故状态下给电动机轴承供油3。蓄能器液压站由充气泵装置、蓄能器组件、安全阀组及仪表等组成，如图 2 所示。电动机启动前，控制系统自动检测蓄能器中油的压力是否满足保护要求。当压力小于最低设定值时，蓄能器泵自动运行，并向蓄能器内充油；当压力大于最高设定值时，蓄能器泵自动停止。在电动机工作过程中，若出现事故状态，控制阀组上的电磁阀会立即断电，蓄能器内的油会流向电动机轴承里，直第 51 卷 2023 年第 2 期编辑张发展通用60图 3磨机 UPS 系统Fig.3 UPS system for mill至电动机停止转动。受场地空间和成本影响，蓄能器的容量不能无限放大。蓄能器的主要作用是短期内(60 90 s)给轴承供油、保持系统压力、缓和冲击力等。对于事故状态下，主电动机到达完全静止状态长达 40 min 的工况，配置液压蓄能器显然是不适用的。2.2高位油池低压循环供油电动机轴承润滑方式采用高位油池低压循环供油，主要是利用高位油池内润滑油的重力，实现对事故状态下电动机轴承的淋油润滑。该方案不仅需要根据电动机停机时间折算出高位油池的容积，还要考虑高位油池释放润滑油后，回收油箱的容积。通常情况下，回收油箱体积较大，且要求安装于地下室，同时高位油池需要放置在一定高度的平台上。该方案虽然可行，但现场施工难度大、投入成本和维护成本较高。2.3高压顶起装置高压顶起装置主要由高压油泵、压力监控及分流元件、仪表及 UPS 电源等组成。在事故状态下，高压油泵可以实现从轴承室内取油，加压后再供给轴承，以达到持续润滑的作用，直至主电动机完全停止旋转。以 2 000 kW 矿用磨机电动机的高压油泵功率可以计算出，高压顶起装置持续工作 40 min，UPS 电源的容量至少为 20 kVA。20 kVA 的蓄电池占地面积大，投资成本高，且蓄电池属于易损耗器件，需要定期充放电。该方案对于小功率电动机事故停机比较适用；对于大功率电动机事故停机，该解决方案成本过高，同时存在蓄电池失效的风险。2.4事故状态下磨机停机事故状态下磨机停机主要是通过磨机电气控制系统来实现。2.4.1磨机电气控制系统磨机电气控制系统主要由主电动机同步励磁柜、PLC 控制柜、低压配电保护柜、慢驱控制箱、磨机就地操作箱、润滑站就地操作箱、大小齿轮喷射润滑控制箱、气动离合器控制箱及测温电阻接线箱等组成4。其中 PLC 控制柜为磨机电控系统的核心，主要完成对磨机主电动机的启停控制，对主轴承润滑和主电动机轴承润滑的控制和保护，并协调磨机电控系统各设备之间的报警和联锁控制。低压配电保护柜实现以下功能：磨机润滑站高低压油泵电动机的控制；磨机电动机轴承润滑站高低压油泵电动机的控制；为其他控制柜和控制箱提供电源5。2.4.2磨机 UPS 系统整个磨机电气控制系统和气动离合器的电磁阀 SV1 采用 UPS 供电，如图 3 所示。在电气控制系统里增加电网意外断电检测点。当电网意外断电时，继电器 K1 闭合，检测点发出电网意外断电信号。由于整个磨机电气控制系统和气动离合器的电磁阀 SV1 采用 UPS 供电，电网意外断电后，电磁阀 SV1 仍然带电，磨机电气控制系统仍然能够实现主电动机带负荷正常停机。一般情况下，气动离合器电磁阀容量约为 20 W，整个磨机电气控制系统中的控制回路电源容量约为 2 kVA，由于磨机带载停车时间很短，故选用容量为 3 kVA 的 UPS 电源即可实现。2.4.3磨机停机控制逻辑在事故状态下，磨机停机控制程序中的控制逻辑如图 4 所示6。当 PLC 检测到输入信号 I0.0 为 1 时，说明发生了断电事故，控制系统发出断电故障信息，同时控制逻辑中的断电故障不参与离合器的联锁控第 51 卷 2023 年第 2 期编辑张发展通用61图 4磨机停机控制逻辑Fig.4 Logic of mill halting control制。由于离合器控制电源采用的 UPS，此时 PLC 的输出信号 Q0.0 仍保持为 1，气动离合器电磁阀 SV1 持续带电，气动离合器不脱开，电动机与磨机一起带负荷快速停车，直至完全停止运转。事故状态下，改变磨机停机控制逻辑仅通过电气原理设计和磨机控制程序的优化，就可实现对磨机电动机主轴承的保护。该方案具有实施简便、投资成本低、可靠性高等优点。3结语断电事故状态下对磨机电动机轴承的保护有 3 种方法：通过采用配备高位油池的低压循环供油；UPS 供电的高压顶起装置；事故状态下改变磨机停机控制逻辑。该 3 种保护方式均得到了应用：紫金矿业刚果金铜矿项目采用了高位油池的低压循环供油解决方案；中铁资源刚果金绿纱铜钴矿 3.8 m5.8 m 球磨机项目采用了 UPS 供电的高压顶起装置；洛钼刚果金 KFM 和 TFM 硫化矿项目采用了事故状态下改变磨机停机控制逻辑。经过现场应用反馈，事故状态下，改变磨机停机控制逻辑的方案运行稳定、安全可靠、经济有效，更易于被广大用户所接受。参考文献1韩春阳，聂明，周航，等矿用磨机驱动形式分析及比较 J矿山机械，2009，37(23)：73-76.2王煜，周孟然，胡锋，等优化神经网络在矿用电机轴承故障诊断的应用 J安徽理工大学学报 (自然科学版)，2018，38(4)：30-35.3熊双双冶金液压设备中蓄能器的应用分析 J化工管理，2018(20)：45.4吴永强，王希娟，高海燕，等分布式远程 I/O 通信在大型矿用磨机上的应用 J矿山机械，2015，43(1)：134-137.5王应丽，苑香丽磨机电控系统调试和维护中常见问题及处理 J建材与装饰，2018(36)：179-181.6高海燕，王希娟，朱建峰，等智能 MCC 在大型磨机控制系统中的应用 J矿山机械，2017，45(1)：35-40.(收稿日期：2022-05-24)(修订日期：2022-12-07)