RH170B 回转系统泄漏后失控的分析及应对措施

陈凤伟

（内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

液压挖掘机是大型露天矿采剥作业和实施大型施工工程的主要设备，与传统的纯机械式电铲相比，具有整机质量轻、机动性能好、操作灵活和运营维修成本低等优点[1]。但RH170B 液压正铲在使用过程中，曾出现回转“失控”的故障，存在极大的安全隐患，为避免该故障再次发生、酿成事故，特对该设备回转系统进行了分析。

1 矿山设备和故障现象

内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司核准建设规模3 000 万t/a，项目远期规划产能6 000 万t/a，其中剥离选用了单斗-卡车＋半移动破碎站-带式输送机半连续-排土机半连续开采工艺，由于目前半连续系统未投用，暂时采用单斗-卡车工艺。其中2台RH170B 液压正铲是进行剥离作业的主采设备之一，与100 t 级自卸卡车配合作业。RH170B 液压正铲是由原比塞洛斯公司研发生产的斗容20 m3级的挖掘机，有正铲和反铲2 种结构，提供柴油机动力和电力驱动2 种动力形式，内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司选用的2 台RH170B 是电动液压正铲。比塞洛斯公司被卡特彼勒公司收购后，设备型号改为6040。

2018 年6 月，RH170B 液压挖掘机在进行装车作业时，出现回转失控现象，上盘向右急速回转，反向操作手柄无法停止，司机立即按下“紧急停机”按钮，但是设备仍然未能立即停止回转，回转系统出现“失控”现象，上盘持续动作，最终导致挖掘机齿尖刮到正在配合装车的卡车的倒车镜和驾驶室门，事后检查发现故障原因为回转主回路油管崩裂漏油。此次故障虽未造成大的损失，但出现的回转“失控”现象有着极大的安全隐患，甚至存在卡车司机人员伤亡的风险，为避免再次出现同类故障酿成恶性事故，对该设备回转系统的原理和故障原因进行了分析。

2 回转系统构成及工作原理

2.1 回转系统构成

该设备由1 台6 kV、1 400 kW 的电机提供动力，再由分动箱带动油泵组，通过伺服系统控制，为各个机构提供液压油，各个机构的动作均是由液压驱动。其中回转系统是双向控制的闭式液压回路，包括主回路、补油回路、伺服控制回路、溢流保护回路以及制动系统等[2]。回转系统是利用伺服控制回路来改变回转油泵的输出方向和流量，从而来改变回转系统的方向和转速。

该设备回转系统有3 台回转油泵和3 台回转马达，由回转油泵直接供油给回转马达。回转油泵和液压马达均是并联连接，主回路中无其他控制阀组，回转机构不具备自锁功能，正常操作时，若回转制动打开，操作手柄处于零位时，上盘将一直处于浮动状态，若要在回转过程停车，只能通过改变油泵供油方向，向回转马达反向供油，给回转机构反向回转力矩来实现。

在回路中，回转油泵的输出流量直接供给回转马达，回转马达的回油接到油泵的吸油侧，系统通过补油泵对回转系统进行补油，补油泵0 4 是内置到主泵后边的齿轮泵，向吸油侧进行升压补油，用于补充更换回转系统内回转泵和回转马达内部泄漏造成的油损失[3]。在系统中布置有冲洗阀，每个回转动作中冲洗阀都从低压侧回路中排出一定油量，用于回转系统内的油液交换和冷却。

回转机构锁死靠回转制动器来实现，属于制动器制动回路，该设备的回转制动被设计为驻车制动，在停止挖掘或长时间行走时使用，在司机室有单独的操作开关[4]。回转制动器是液压盘式制动器，直接对回转减速机构进行制动，制动回路的压力油由先导油泵提供。回转制动器的操作开关控制对应的电磁阀动作，当电磁阀通电时，制动回路导通，回路内的先导压力油（5 000 kPa）打开制动器；电磁阀断电后，制动回路关闭，制动器供油被切断，制动器内的液压油释放回流至油箱，制动器通过内部弹簧进行关闭。

2.2 回转系统工作原理

主回路中的回转油泵是带扭矩控制系统的可变容量泵，通过回转平衡阀的动作，来改变泵的变量机构动作，实现回转机构的变速和换向。

回转平衡阀兼有方向控制和流量比例控制功能的液控比例方向阀，可以实现液压系统的换向及速度的比例控制。回转平衡阀的先导控制压力与主回路压力的比例是1∶16，先导控制压力是由电液比例压力阀提供，当需要回转动作时，操作手柄动作，向电液比例压力阀提供0～650 mA 的信号，比例阀打开，使对应的0～3 100 kPa 的先导液压压力油流向回转平衡阀控制阀的相应控制口。回转平衡阀为3 位4通阀，可实现回转油泵斜盘双向动作，通过对回转油泵的斜盘进行调节，斜盘动作后，调整泵的出口方向和流量，从而调整回转方向和速度[5]。回转系统使用回转平衡阀进行方向和流速控制，省去了其他调速原件，能迅速准确地实现工作循环[6]。

2.3 系统特点

该设备回转系统的闭式回路整体结构紧凑，传动平稳，不但能够缩短循环时间，提高能源效率，同时还能减少热量的产生，在回转动作期间，通过反作用控制进行制动，在减速期间节省能源，反馈的动能可以回馈给系统，提供更强大的动力来驱动主泵和辅助泵，可以加快动臂提升速度，提高整体生产率。在反向制动时，回转马达变为“液压泵”工况，带动回转油泵工作，使回转油泵处于“马达”工况，制动动能可以直接被利用，一部分制动动能经分动箱辅助电机驱动其他泵运行，进行转换利用，能量使用效率高[7]，回收利用的制动动能最高时可达50%。

3 回转系统“失控”原因

经过对回转系统工作原理的分析，系统是通过反向供油来实现回转减速或停止的，油泵与马达的进出油口直接相连，在该设备的回转系统油管崩裂后，反向操控时油泵和马达内的油液直接泄漏，系统形不成回路和压力，因此回转马达无法反向运转，回转机构在惯性作用下持续动作，导致回转操作手柄失效，上盘的回转处于“失控”状态。

根据设备操作手册要求和操作惯例，当出现紧急情况时，需要按下“紧急停机”按钮来实现设备停机，在出现故障后，司机也按要求操作了“紧急停机”按钮，但主电机断电后，回转系统未能立即停止，仍持续回转，存在“紧急停机”“失效”的现象。

通过查阅电气技术手册和现场查验，设置了3处“紧急停机”按钮，司机室的停机按钮，400 V 控制柜的停机按钮和尾端拉线开关。操作手册要求在紧急情况下启动紧急开关之一，但根据线路图显示，所有的“紧急停车”按钮只是对应控制“PLC 主电机控制”模块对主电机进行断电，不对其他系统模块和回路进行控制，系统中的24 V 电源也持续保持供电[8]。

结合“紧急停机”控制原理，在回转系统出现故障后，按下“紧急停机”后，设备主电机断电，电机转速持续下降直至停止，电机未停止运转时，先导油泵仍然处于工作状态，先导油路内仍保持有压力。同时，按下“紧急停机”后，回转制动器的电磁阀并未断电，制动回路处于通路，仍保持有压力，制动装置处于打开位置，回转系统处于浮动状态，上盘在惯性作用下持续回转，直至电机转速降低到一定程度，先导油泵形成的压力不足以使制动器保持打开状态，制动器动作，上盘停止回转。

由于故障是在回转过程中出现，回转“失控”时上盘的回转惯性较大，回转速度较快，在回转制动回路内的管路压力降低至动作压力以前，制动器一直是打开状态，因此在操作手柄“失效”后，上盘的回转处于“失控”状态。

该设备回转制动器是驻车制动，在正常作业过程中不允许使用该制动进行强制停车，司机也未形成利用驻车制动来紧急停车的意识，因此在回转失控情况下，司机只是按下“紧急制动”按钮开关，并未操作回转制动，导致上盘处于浮动状态。

4 系统测试

在更换油管后，系统恢复正常，随后对回转机构的分析情况进行了验证，验证时将该设备停放在空旷的具有一定坡度的地面上，具体验证项目及结果如下：

1）上盘浮动测试。在回转作业情况下，将铲斗与坡面垂直，把回转操作手柄处于0 位时，上盘进入浮动状态，铲斗由于重力向坡底方向自动旋转，若要保持悬停位置，需要给予回转手柄动作，方能找到平衡位置。

2）“紧急制动”后回转“失控”测试。在回转作业情况下，上盘回转过程中将回转操作手柄回到0 位，模拟回转“失控”状态，按下“紧急停机”按钮，电机断电逐渐减速直至停止运转，上盘进入浮动状态，铲斗由于重力向坡底方向自动旋转，到达最低位之后往复摆动。经观察，摆动持续约15 s 后回转制动器动作，上盘停止回转。若“失控”时回转转速过快，在“紧急制动”生效以前，上盘在惯性的作用下将会回转较大的角度，存在安全隐患，此次的故障就是在此状态下发生。

3）回转制动器制动。在回转作业情况下，上盘回转过程中将回转操作手柄回到0 位模拟回转“失控”状态，操作回转制动开关，制动器动作，约1 s 后上盘停止回转。

4）钥匙操作实现回转制动。在回转作业情况下，上盘回转过程中将回转操作手柄回到0 位，模拟回转“失控”状态，操作钥匙开关至停机位置，回转制动器动作，约1 s 后上盘停止回转。

经测试，“紧急停车”按钮15 s 后才能使回转制动器关闭，不能立即使回转动作停止，回转制动开关和钥匙开关能使回转动作快速停止，测试结果与系统原理分析情况相符。由于上盘的回转惯性很大，为了避免出现意外事故和损伤回转制动器，测试时回转速度较慢。

5 应对措施

根据RH170B 液压正铲的回转系统特性以及现场测试结果，针对该故障制定了应对措施并修订了该设备的操作规程。

1）要求定期检查油管，并按照保养手册要求更换油管，避免出现因油管老化或破损造成油管泄漏。

2）在司机岗前培训时，对系统特性进行培训，在发生回转系统操作“失控”的紧急情况下，应利用停车制动进行紧急停机，而非单独操作“紧急停机”按钮，正确的应急操作如下：①手动操作停车制动开关，强制断开停车制动阀组，使回转锁死；②操作钥匙开关，断开设备的全部控制回路的电源，使停车制动阀组断开，回转锁死。

由于回转制动器为驻车制动，非紧急操作开关，原始安装位置与其他开关位置距离较近，不易辨识，而钥匙开关的安装位置距离座椅较远，不便操作，在紧急情况下都容易出现操作失误的情况。因此，将回转制动器的开关位置改接至位置较为独立的备用开关位置，以便在出现紧急情况下时快速操作。

6 结语

通过对RH170B 的工作原理和系统特性的分析及现场的验证，确定了回转“失控”故障是由于在回转主回路泄漏后，回转操作手柄失效时，“紧急制动”与“回转制动器制动”生效的时间差造成，在此空档期内，回转系统不能得到控制，在惯性作用下回转速度过快，对配合作业的车辆和驾驶员带来了较大的安全风险。根据对回转系统工作原理的分析结果，制定了维护要求、培训要求和具体的应对措施，能有效避免安全事故发生，可为各个矿区同类设备的安全操作提供参考。