起重機械電氣系統(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構(gòu)失效的機理，為起重機電氣系統(tǒng)的日常維護提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：起重機械；電氣；失效模式
起重機械的電氣系統(tǒng)通常由控制、拖動、保護及安監(jiān)等系統(tǒng)構(gòu)成，控制起重機的動力輸出及起重調(diào)用。電氣系統(tǒng)如果發(fā)生故障，不但會影響實際生產(chǎn)效率，還會造成機械設(shè)備損壞的經(jīng)濟損失，甚至引發(fā)人身安全事故。因此，結(jié)合電氣系統(tǒng)的失效機理，研究其失效模式，可避免和預(yù)防起重機械電氣系統(tǒng)故障和意外事故的產(chǎn)生。通常來說，起重機械電氣系統(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行論述。
1起重機械的電氣連接失效
起重機械電氣系統(tǒng)的連接需要電氣來完成，如果發(fā)生連接失效，電氣系統(tǒng)就會癱瘓，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)。起重機的工作環(huán)境往往比較惡劣，日常的沙塵、泥水、日曬等都會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)時的不規(guī)范、電路的穿管口沒有安裝橡膠圈、小車移動電纜沒有按照規(guī)定進行正確的懸掛等錯誤的施工，都會導(dǎo)致線路斷路。斷路會使得電氣系統(tǒng)發(fā)生崩潰，使得起重機械無法正常運作。例如，電機在單相回路斷開的情況下長時間運轉(zhuǎn)，會使得電機被燒壞。尤其是在接地線被斷開時，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，各個連接對接處有接觸電阻，其阻值與載流面積、壓力及材料的腐蝕程度有關(guān)，這些因素會使得對接處發(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，造成機械強度變小，如果出現(xiàn)短路等情況，大電流引發(fā)的急劇熱可能會燒斷對接處，電路會產(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起重機械的絕緣失效以原因分析
2.1起重機械的絕緣失效模式
絕緣失效會使絕緣電阻的阻值降低，影響起重機械設(shè)備的安全性能。因此，絕緣措施是起重機械電氣系統(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)失效會使縮短爬電距離，減小電氣間隙。如果使用場合超過其負荷范圍，可能會引發(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，影響起重機械的正常運作。起重機械電氣系統(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)計成整體，用作支撐、隔絕有電位差的導(dǎo)電部分，然而，實際過程中，由于日曬、動植物等都會對線路造成損傷，引發(fā)漏電事故。（2）起重機械電氣系統(tǒng)的絕緣材料失效。起重機械電氣系統(tǒng)的絕緣材料電阻率大，可以視為絕緣體，但是，并不是絕對絕緣。在實際工程中，絕緣材料的電阻率通常都大于1×107Ω•m。絕緣材料的失效會發(fā)生漏電，使得金屬的機械結(jié)構(gòu)帶電引發(fā)電機事故，嚴(yán)重時，會導(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，在電場強度超過電介質(zhì)的臨界時，劇增的電路電流會破壞絕緣材料的結(jié)構(gòu)，使其無法起到絕緣的效果。其次，為絕緣的老化現(xiàn)象，因為絕緣材料為無機復(fù)合材料，會受到光照、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，主要是因為工作環(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，或者沒有正確的對線路進行鋪設(shè)和安裝，都會使絕緣材料的電氣性能或機械性能無法得到有效的發(fā)揮。
2.2起重機械絕緣失效的原因
（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強度產(chǎn)生的，而導(dǎo)致電場強度變大的因素有電、熱及電化學(xué)，尤其針對固體電介質(zhì)的擊穿明顯。電擊穿是因為存在外電場，使得電場強度不斷累積超過臨界值所發(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，擊穿電壓會變小。電化學(xué)擊穿是因為電介質(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)也會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。實際工況中，液體或氣體電介質(zhì)中都會含有雜質(zhì)，降低了電氣強度，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。溫度會改變材料屬性，溫度越高，材料的剪切強度會變小，如果受到擠壓力會導(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，將會發(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)線或電纜因為熱脹冷縮的原理發(fā)生彎曲或收縮變形，導(dǎo)致線路開裂。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。溫度升高還會加速開關(guān)的化學(xué)作用，降低對接處的絕緣阻值，因此，高溫會加劇局部腐蝕，需要得到有效的控制。其次，為電氣老化，由于起重機械的使用工況環(huán)境不佳，外加因素會腐蝕電路，而且環(huán)境中含有的雜質(zhì)離子會產(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，通常的防護工作都是采用加防護套或涂防護漆，避免絕緣體受到侵蝕。起重機械在工作過程中需要進行頻繁的啟動和停車，因此，承受的交變載荷和交變沖擊會使銜鐵發(fā)生變形，受到?jīng)_擊不能保持穩(wěn)定。而且高頻振動導(dǎo)致零部件發(fā)生疲勞現(xiàn)象，也會導(dǎo)致接觸不良，使得電氣機械不能正常工作。
3起重機械的電器元件失效
起重機械的電路元件種類繁多，電器元件的失效可能會導(dǎo)致起重機發(fā)生停機或無法正常啟動等故障。尤其是涉及安全裝置或信號裝置的電氣元件的失效潛在危險是非常大的，不僅關(guān)乎機械設(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，能夠及時自動分?jǐn)喙收想娐?，是電路中典型的控制和保護電氣元件，因此，以斷路器為例分析電器元件的失效機理。
3.1斷路器的觸點失效
觸點失效模式可分為觸點熔焊和觸點磨損。觸點熔焊是因為通過電流高于觸點的臨界值或者因為老化使得電阻值變大導(dǎo)致觸點的溫度升高至熔合黏連，另外，觸點閉合產(chǎn)生的機械振動也會引發(fā)觸點熔焊和燒損現(xiàn)象。觸點磨損是因為觸點會發(fā)生電弧損傷，長時間工作后，會發(fā)生機械、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的基礎(chǔ)，其失效模式可以分為拒動作和誤動作。其中，熱脫扣器的失效是因為密封失效損失熱量或者雙金屬片位置沒有進行合理的布局。而電磁脫扣器的失效是因為電磁吸力變化過大或無電磁力。
3.3斷路器的操縱機構(gòu)失效
操縱機構(gòu)控制斷路器的運行，其可靠性影響其使用壽命。操縱結(jié)構(gòu)中的彈簧具有儲能的作用，其失效構(gòu)成為彈簧力衰減。連桿機構(gòu)用于傳遞動力，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)，材料強度不夠或者設(shè)計結(jié)構(gòu)剛度不足，都會使得連桿發(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)計有關(guān)。
4結(jié)語
綜上所述，起重機械電氣系統(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發(fā)展，使得對其電氣系統(tǒng)的保護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，不僅會對機械設(shè)備造成損傷，還會對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，能夠提高起重機械的安全性和可靠性，減少意外事故的發(fā)生率，促進起重機械行業(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