我公司石灰石矿新破碎系统HDX型钢绳芯胶带输送机(下简称下山皮带)带宽1m,机长676m,高度差100m,倾角12°～15°,速度2m/s,输送量600t/h,是该矿唯一的一条石灰石下山输送线,是全厂生产工艺的咽喉。在它投产使用两年之后,突然接连三次发生飞车事故,损坏380V、215kW绕线式电动机2台,造成了很大损失。通过对事故分析发现,飞车是由于控制系统设计选型疏忽造成的。
1 事故表现
根据现场调查了解,有以下几点事故现象可作为事故分析的依据和出发点。
(1)下山皮带使用的前两年没有飞车现象,但第一次出现飞车事故之后,又接连二次发生飞车事故。
(2)三次飞车事故规律基本相同,都是在重载开车的过程中发生的;
(3)事故后拆开电机检查,转子绕组被严重甩散并将定子绕组擦伤和拉断,但却没有通常所见的被电流短路烧焦的痕迹,这说明飞车时电机处在断电状态;
(4)为维持生产,现场改用380V、215kW鼠笼型电机,同时将系统原设计的超速保护延时由2s缩为0.1s之后,飞车情况得以抑制。
2 事故分析
2.1 原电控系统简介
2.1.1 硬件配置
为确保运行可靠性，系统硬件配置比较先进。如：采用三菱FX2系列PLC，有利于减少继电器系统的故障率；采用两套各自独立的无触点脉冲计数测速装置并用，并以软件进行测控，可避免测速环节引发电气故障；主机采用真空接触器供电，有利于提高接触器的使用寿命等等。但是，从调查中发现，硬件设计有欠妥的地方，例如PLC输出Y120与600A真空接触器的采用直流24V HH52P型小型灵敏继电器，其触点容量明显不够（见图1），现场将触点接成并联使用，触点仍然烧伤严重。
图1 PLC输出控制原理
2.1.2 软件设计
为提高运行平稳性,系统设计了两套刹车装置,其中气控盘式制动器为主,电液闸瓦制动器为后备,通过程序控制制动器输出力矩,使下山皮带在启动和制动过程均有适量的制动力矩的调节,有利于升速降速的平稳。另外,对于异常运行,包括超速均有相应的保护程序。但是,软件设计也存在严重疏忽,例如工作在再生制动状态下会因电机失电而引发飞车事故,仅以超速保护作为防范,显然不够,而且将超速保护加2s的延时,也是没有根据的。
2.2 事故诊断
2.2.1 引起飞车的直接原因
下山皮带开车程序部分梯形图如图2所示。其工作步骤是:发出开车指令后在各种就绪信号、联锁信号都正常的前提下,首先松开刹车、接着测速,若电机速度n=0,即皮带无滑动,由M73作轻载启动,电机先电动状态再转入再生制动状态;若n≠0,即皮带有滑动,为重载启动,此时,先不给电机上电,而是等到滑行达到电机等于或大于同步转速时,再由M78、M79使电机上电,直接进入再生制动状态。若一切正常,则电机制动力矩与负载下滑力矩相平衡,皮带按设计的2m/s匀速运转。但是,若Y120上电指令发出后,真空接触器CKJ5不能如期合闸,则电机不能得电,也不会建立制动力矩,于是负载就会在重力加速度的作用下产生飞车。引起真空接触器不能及时合闸的直接原因就是由于HH52P小型灵敏继电器触点被烧坏所致,特别是处在接触器合闸期间电流较大更易引起接触不良,所以出现飞车是必然的。由于HH52P的触点是经过较长时间使用之后逐渐烧坏的,这就证明了为什么投产的前两年未发生飞车事故。
图2 开车程序部分梯形图
2.2.2 超速保护的虚设
本来超速保护可以对飞车加以抑制,但不适当的增加超速保护延时,又使其如同虚设。假设Y120发出上电指令后接触器接不通而产生超速,从超速响应到刹车动作约需2.5s的时间,其中2s为软件设计确定的保护延时,0.5s为测速采样周期,2.5s之后下山皮带速度为:
V=V0+gt=2+9.8sin(12°～15°)×2.5=7.09～8.35(m/s)
即可达到正常运行速度的3.6～4.2倍,同样负载的瞬时功率也随之增到额定功率的3.6～4.2倍。已知制动装置的最大制动力矩为5400N·m,为电机额定转矩的2.6倍,大大低于超速的倍数,所以此时制动装置的作用已无法实现。
3 改进措施
3.1 下山皮带主电机选型改为高压鼠笼电机
选用绕线式电机主要是为了提高启动转矩和降低启动电流,多用于启动相当困难的场合,例如起重、上山皮带等,而下山皮带没有这些矛盾,完全可以选用鼠笼电机。实践证明,鼠笼电机抗甩能力强,更适合于有飞车危险的场合。采用高压电机,则可使控制系统更为简化,不仅可以解决启动问题,而且还可降低山上变压器容量,提高运行的经济性和可靠性。应用JS128-6、380V、215kW鼠笼电机后,一直使用很好。
3.2 系统增加飞车预防程序
下山皮带仅设超速保护是不够的,因为它只不过是事故发生后的一种补救措施,如若超速动作值整定不当,电机仍有可能被甩坏,事故还是要发生。应采取措施将事故杜绝在萌芽之中。因飞车是由于接触器未及时合闸引起的,我们设计防飞车程序插入主程序中(如图3)。
图3 防飞车程序梯形图
图3中X107为真空接触器辅助触点,当Y120上电指令发出后,若真空接触器不动作即启动T54延时0.5s转入停车操作,制动装置立即启动,电机来不及升速就被刹住。其中0.5s是按测速采样周期选定,若接触器动作时间大于0.5s,则应稍大一点。
3.3 换大容量中间继电器
原系统HH52P型继电器触点容量太小,是飞车事故的隐患,更换为D251-22、24V中间继电器。
3.4 取消原系统超速保护延时
原系统超速保护设置延时没有必要,应予取消。除外,原系统就绪信号反常所设置的保护,如热继电器动作、空气开关跳闸等的延时也取消。
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