起重機(jī)械電氣系統(tǒng)失效模式及原因分析

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摘要：起重設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得其控制精度和安全性能有了很高的要求。尤其進(jìn)行操控的電氣設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜易于發(fā)生故障。本文從短路和接觸不良分析了起重機(jī)械的電氣連接失效，從電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料失效論述了絕緣體失效模式，并分析了擊穿和老化現(xiàn)象對(duì)絕緣失效的影響。以典型零部件斷路器分析了其觸電失效、脫扣器失效和操縱機(jī)構(gòu)失效的機(jī)理，為起重機(jī)電氣系統(tǒng)的日常維護(hù)提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械；電氣；失效模式

起重機(jī)械的電氣系統(tǒng)通常由控制、拖動(dòng)、保護(hù)及安監(jiān)等系統(tǒng)構(gòu)成，控制起重機(jī)的動(dòng)力輸出及起重調(diào)用。電氣系統(tǒng)如果發(fā)生故障，不但會(huì)影響實(shí)際生產(chǎn)效率，還會(huì)造成機(jī)械設(shè)備損壞的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引發(fā)人身安全事故。因此，結(jié)合電氣系統(tǒng)的失效機(jī)理，研究其失效模式，可避免和預(yù)防起重機(jī)械電氣系統(tǒng)故障和意外事故的產(chǎn)生。通常來(lái)說(shuō)，起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的失效大概可以分為電氣連接失效、絕緣失效和電器元件（裝置）失效，以下就其起因和防止措施進(jìn)行論述。

1起重機(jī)械的電氣連接失效

起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的連接需要電氣來(lái)完成，如果發(fā)生連接失效，電氣系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，影響正常的起重工作，其失效模式分為斷路和接觸不良兩種模式。

1.1電氣系統(tǒng)的斷路分析

電氣斷路的起因分為自然外界因素和人為操作不當(dāng)。起重機(jī)的工作環(huán)境往往比較惡劣，日常的沙塵、泥水、日曬等都會(huì)造成電氣線路的老化、斷裂，使得電氣系統(tǒng)發(fā)生斷路。人為的操作失誤也是致使斷路發(fā)生的原因。例如，電氣線路在鋪設(shè)時(shí)的不規(guī)范、電路的穿管口沒(méi)有安裝橡膠圈、小車移動(dòng)電纜沒(méi)有按照規(guī)定進(jìn)行正確的懸掛等錯(cuò)誤的施工，都會(huì)導(dǎo)致線路斷路。斷路會(huì)使得電氣系統(tǒng)發(fā)生崩潰，使得起重機(jī)械無(wú)法正常運(yùn)作。例如，電機(jī)在單相回路斷開(kāi)的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使得電機(jī)被燒壞。尤其是在接地線被斷開(kāi)時(shí)，極易引發(fā)相關(guān)工作人員的觸電，發(fā)生人身安全事故。

1.2電氣系統(tǒng)的接觸不良分析

電氣線路在連接時(shí)，各個(gè)連接對(duì)接處有接觸電阻，其阻值與載流面積、壓力及材料的腐蝕程度有關(guān)，這些因素會(huì)使得對(duì)接處發(fā)生接觸不良，導(dǎo)致接觸電阻變大，產(chǎn)生大量的熱，使得接觸面深度氧化，破壞材料屬性，造成機(jī)械強(qiáng)度變小，如果出現(xiàn)短路等情況，大電流引發(fā)的急劇熱可能會(huì)燒斷對(duì)接處，電路會(huì)產(chǎn)生電弧或電火花，從而引發(fā)明火燃燒易燃物，造成火災(zāi)。

2起重機(jī)械的絕緣失效以原因分析

2.1起重機(jī)械的絕緣失效模式

絕緣失效會(huì)使絕緣電阻的阻值降低，影響起重機(jī)械設(shè)備的安全性能。因此，絕緣措施是起重機(jī)械電氣系統(tǒng)工作的重要保證，也是避免接觸電擊的重要保障。其失效形式可以分為絕緣結(jié)構(gòu)失效和絕緣材料失效。（1）起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)失效。電氣系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)失效會(huì)使縮短爬電距離，減小電氣間隙。如果使用場(chǎng)合超過(guò)其負(fù)荷范圍，可能會(huì)引發(fā)發(fā)熱、漏電、電暈和擊穿等放電現(xiàn)象，破壞電氣設(shè)備和線路，影響起重機(jī)械的正常運(yùn)作。起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的絕緣材料屬于復(fù)合材料，由多種絕緣材料根據(jù)電氣設(shè)備的工作需求而混合定制而成，可以與導(dǎo)體零部件設(shè)計(jì)成整體，用作支撐、隔絕有電位差的導(dǎo)電部分，然而，實(shí)際過(guò)程中，由于日曬、動(dòng)植物等都會(huì)對(duì)線路造成損傷，引發(fā)漏電事故。（2）起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的絕緣材料失效。起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的絕緣材料電阻率大，可以視為絕緣體，但是，并不是絕對(duì)絕緣。在實(shí)際工程中，絕緣材料的電阻率通常都大于1×107Ω•m。絕緣材料的失效會(huì)發(fā)生漏電，使得金屬的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶電引發(fā)電機(jī)事故，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電路短路發(fā)生火災(zāi)。結(jié)緣材料的失效模式大體有三種可能，首先，是絕緣擊穿，在電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)電介質(zhì)的臨界時(shí)，劇增的電路電流會(huì)破壞絕緣材料的結(jié)構(gòu)，使其無(wú)法起到絕緣的效果。其次，為絕緣的老化現(xiàn)象，因?yàn)榻^緣材料為無(wú)機(jī)復(fù)合材料，會(huì)受到光照、熱、氧化、微生物等外界因素的影響發(fā)生理化性質(zhì)的改變，從而削弱了絕緣材料的絕緣性能。還有一種絕緣方式為絕緣損壞，主要是因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境潮濕引起的絕緣電阻下降，也有可能是施工前的選材不合適，或者沒(méi)有正確的對(duì)線路進(jìn)行鋪設(shè)和安裝，都會(huì)使絕緣材料的電氣性能或機(jī)械性能無(wú)法得到有效的發(fā)揮。

2.2起重機(jī)械絕緣失效的原因

（1）擊穿現(xiàn)象。由前文分析可知，擊穿現(xiàn)象是電路中有比較大的電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生的，而導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度變大的因素有電、熱及電化學(xué)，尤其針對(duì)固體電介質(zhì)的擊穿明顯。電擊穿是因?yàn)榇嬖谕怆妶?chǎng)，使得電場(chǎng)強(qiáng)度不斷累積超過(guò)臨界值所發(fā)生的擊穿現(xiàn)象，其特征是發(fā)生速度快，產(chǎn)生的電壓高。熱擊穿同樣與擊穿電壓有關(guān)，但是，隨著溫度的增加，擊穿電壓會(huì)變小。電化學(xué)擊穿是因?yàn)殡娊橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而造成不可逆轉(zhuǎn)的介質(zhì)損失，使得絕緣性能變差發(fā)生的擊穿現(xiàn)象。同樣，擊穿現(xiàn)象不僅發(fā)生在固體電介質(zhì)，液體和氣體電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象。實(shí)際工況中，液體或氣體電介質(zhì)中都會(huì)含有雜質(zhì)，降低了電氣強(qiáng)度，容易發(fā)生放電現(xiàn)象造成擊穿。（2）老化現(xiàn)象。老化現(xiàn)象是最普遍的絕緣失效原因。溫度會(huì)改變材料屬性，溫度越高，材料的剪切強(qiáng)度會(huì)變小，如果受到擠壓力會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生塑性變形，甚至材料的表面破壞。若溫度大于絕緣體的最大臨界值時(shí)，將會(huì)發(fā)生塑性變形和炭化，降低絕緣材料的使用壽命。若溫度小于絕緣體的最小臨界值，導(dǎo)線或電纜因?yàn)闊崦浝淇s的原理發(fā)生彎曲或收縮變形，導(dǎo)致線路開(kāi)裂。而通常發(fā)生的線圈短路、燒壞以及絕緣下降等故障，大多是由熱老化造成的。溫度升高還會(huì)加速開(kāi)關(guān)的化學(xué)作用，降低對(duì)接處的絕緣阻值，因此，高溫會(huì)加劇局部腐蝕，需要得到有效的控制。其次，為電氣老化，由于起重機(jī)械的使用工況環(huán)境不佳，外加因素會(huì)腐蝕電路，而且環(huán)境中含有的雜質(zhì)離子會(huì)產(chǎn)生離子電流和發(fā)生離子碰撞，發(fā)生局部放電，降低了材料的絕緣性能。因此，通常的防護(hù)工作都是采用加防護(hù)套或涂防護(hù)漆，避免絕緣體受到侵蝕。起重機(jī)械在工作過(guò)程中需要進(jìn)行頻繁的啟動(dòng)和停車，因此，承受的交變載荷和交變沖擊會(huì)使銜鐵發(fā)生變形，受到?jīng)_擊不能保持穩(wěn)定。而且高頻振動(dòng)導(dǎo)致零部件發(fā)生疲勞現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致接觸不良，使得電氣機(jī)械不能正常工作。

3起重機(jī)械的電器元件失效

起重機(jī)械的電路元件種類繁多，電器元件的失效可能會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)發(fā)生停機(jī)或無(wú)法正常啟動(dòng)等故障。尤其是涉及安全裝置或信號(hào)裝置的電氣元件的失效潛在危險(xiǎn)是非常大的，不僅關(guān)乎機(jī)械設(shè)備，還關(guān)系著工作人員的安全保障。斷路器通常適用于低壓配電電路中不頻繁的通斷控制，當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)自動(dòng)分?jǐn)喙收想娐?，是電路中典型的控制和保護(hù)電氣元件，因此，以斷路器為例分析電器元件的失效機(jī)理。

3.1斷路器的觸點(diǎn)失效

觸點(diǎn)失效模式可分為觸點(diǎn)熔焊和觸點(diǎn)磨損。觸點(diǎn)熔焊是因?yàn)橥ㄟ^(guò)電流高于觸點(diǎn)的臨界值或者因?yàn)槔匣沟秒娮柚底兇髮?dǎo)致觸點(diǎn)的溫度升高至熔合黏連，另外，觸點(diǎn)閉合產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)也會(huì)引發(fā)觸點(diǎn)熔焊和燒損現(xiàn)象。觸點(diǎn)磨損是因?yàn)橛|點(diǎn)會(huì)發(fā)生電弧損傷，長(zhǎng)時(shí)間工作后，會(huì)發(fā)生機(jī)械、化學(xué)和電磨損導(dǎo)等。

3.2斷路器的脫扣器失效

脫扣器是斷路器完成電路保護(hù)的基礎(chǔ)，其失效模式可以分為拒動(dòng)作和誤動(dòng)作。其中，熱脫扣器的失效是因?yàn)槊芊馐p失熱量或者雙金屬片位置沒(méi)有進(jìn)行合理的布局。而電磁脫扣器的失效是因?yàn)殡姶盼ψ兓^(guò)大或無(wú)電磁力。

3.3斷路器的操縱機(jī)構(gòu)失效

操縱機(jī)構(gòu)控制斷路器的運(yùn)行，其可靠性影響其使用壽命。操縱結(jié)構(gòu)中的彈簧具有儲(chǔ)能的作用，其失效構(gòu)成為彈簧力衰減。連桿機(jī)構(gòu)用于傳遞動(dòng)力，其失效受連桿變形和轉(zhuǎn)軸位置變化影響。連桿變形主要與連桿的材料屬性相關(guān)，材料強(qiáng)度不夠或者設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)剛度不足，都會(huì)使得連桿發(fā)生形變。而轉(zhuǎn)軸位置變化大多由轉(zhuǎn)軸脫槽、生銹或加工精度不足引起。手柄主要用來(lái)輸出操縱指令，其主要失效模式為斷裂或脫鉤，其原因同樣與選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，起重機(jī)械電氣系統(tǒng)失效的研究還需要繼續(xù)深入，尤其是起重設(shè)備正面向大型化和輕量化的趨勢(shì)發(fā)展，使得對(duì)其電氣系統(tǒng)的保護(hù)和失效控制的要求也逐步提高。如果電氣系統(tǒng)發(fā)生意外故障，不僅會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備造成損傷，還會(huì)對(duì)工作人員的安全造成威脅。因此，合理研究及分析電氣系統(tǒng)失效模式及原因，能夠提高起重機(jī)械的安全性和可靠性，減少意外事故的發(fā)生率，促進(jìn)起重機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。

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作者：趙秀霞 單位：山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司