机械电气系统设计和常见故障解决措施

2022-08-30张建峰

科技创新导报 2022年9期

张建峰

（方鼎科技有限公司山东日照 276800）

在科学技术不断进步的背景下，机械设备大量应用于工农业生产及人们日常生活中，不仅可以降低人工作业强度，而且可以提高作业效率。电气系统是机械设备依据预定程序运作的关键，具有高精度、复杂性的特点，在运行过程中出现故障的概率较高。因此，基于机械电气系统设计方法，分析机械电气系统常见故障的解决措施，具有非常重要的意义。

1 机械电气系统的设计原则

1.1 可靠性

机械电气系统是负责控制全部与机械生产相关零件的系统，一旦系统出现故障，势必会导致与之相关联的设备瘫痪。因此，在机械电气系统设计时，应贯彻可靠性原则，规避因机械电气系统自身性能不稳定而引发的工业生产进程延滞问题。

1.2 完整性

机械电气系统是一个高度复杂的系统，任意一个环节失误，均会影响整个系统运行。因此，在机械电气系统设计时，设计人员应贯彻完整性原则，确保系统充分满足工业生产领域的要求。

1.3 经济性

机械电气系统是机械工业控制系统，与机械工业经济效益紧密相关。在机械电气系统设计过程中，需要贯彻经济性原则，简化系统操作流程，控制系统成本，确保机械工业总体效益。

1.4 发展性

因工业机械生产领域发展速度较快，多数工业生产机械、生产工艺均处于动态更新状态。因此，在机械电气系统设计过程中，设计人员应考虑系统后期扩展能力，特别是系统通信能力、输入输出接口。

2 机械电气系统的设计方案

2.1 方案论证

在机械电气系统设计时，设计人员应根据机械电气系统控制对象，剖析系统运行主要程序以及运行动作、动作转换时间等运动参数，为后续系统硬件的合理选取提供依据。例如，在基于PLC的机械电气系统设计时，设计人员可以根据基于PLC控制所需的各种条件，系统探查机械电气控制参数，以便充分利用PLC高度稳定、配套齐全、维护便捷、适应能力强的优势，同步实现开关控制、顺序控制。根据机械设备动作要求，可以借助限位开关装置控制电气系统内位置检测信号，实现对机械动作的精准定位，进而在机械运动时，预先设置运动参数，在参数达到设定值时，准备下一步动作。同时，将压力继电器设置到油缸下属液压回路内，检测回路通道的同时，实现基于扭断按钮的机械启动/停止，或者基于电磁阀部件的上限位，上升/左右向移位［1］。

2.2 硬件设计

在机械电气控制系统设计时，势必需要配置较多硬件。因基于PLC的机械电气系统指令源为可编程序逻辑控制器输出离散型指令，指令的发出离不开可编程序存储器的运作。除可编程序存储器外，还可应用继电器组、可编程序控制器、连接电路。其中，继电器主要负责执行，由数字指令控制线圈，完成电源电路开合控制。例如，为控制机械电动机方向，可以利用3个继电器组分别与PLC输出端相连，配合变频器限制，促使机械正转启动或反转闭合。

在基础模块设计的前提下，设计者需要依据PLC外部硬件运行路线，完成I/O（输入/输出）分配，具体如表1所示。

表1 基于PLC的机械电气系统I/O分配

2.3 运行流程设计

软件运行流程设计主要是在硬件装置基础上，以上电状态为前提，完成程序初始化。为了确保机械电气控制系统实现自动化操作，在主电机初始化程序中，首先需要点击电动机完成正转电动运行，先后启动主电机主触点、星形，1.0s后，主电机主触点开始运行且点动指示灯亮起［2］。其次，按下正转连续启动，促使机械主电机正转连续运行，而在点击点动反转后，则可以进行后退操作。最后，点击正转停止或反转停止，结束整体机械操作。

3 机械电气系统常见故障

3.1 转子阻抗异常

转子是机械电气系统的基础组成元件，在机械长时间运转过程中，转子超负荷现象较为常见。一旦超负荷运转，转子内阻抗将发生不正常变化，阻碍机械电气系统整体运行。具体表现为电压、电流畸变且电流与功率同步增大，与机械挡位调整、开关状态改变等操作均会引发转子周边温度上升及转子匝间短路、电感设备损坏有关［3］。

3.2 报警灯异常

充电报警灯是机械电气系统重要安防部件，可以确保机械电气系统充电安全。充电报警灯异常在机械电气系统运行过程中较为常见，与发电机无法正常发电、导线线束断路、连接件松动、调节器故障、电路接触不良具有较大关系，该故障的存在直接导致了工作者工作量的增加。

3.3 控制器接触不良

控制器是机械电气系统的中枢，负责机械操纵指令的下达、传输。但在机械电气系统运行过程中，控制器触点损坏问题较为常见，可致使控制器触点接触不良，影响电气系统操控机械运行状态，最终干扰整体机械正常发挥作用。

3.4 油压灯闪亮

油压灯即机油压力灯，是监测机械电气系统机油压力的有效工具。在机械电气系统运行过程中，控制开关故障、保险丝熔断、导线线束连接错误、电器线与外围线束断开均会导致油压灯闪亮，影响机械正常运行。

4 机械电气系统常见故障的解决措施

4.1 转子阻抗异常故障的解决措施

为确定转子阻抗元件损坏的原因，维修者可以从转子不同运行状态着手，开展交流阻抗试验。首先，重复多次交流阻抗试验，在交流阻抗数据无较大差异且电流、功率同时出现幅值一致增大的情况时，去除调压器，加入220V交流电源电压，再次进行交流阻抗试验。在电流、功率显著增大现象仍未消除后，按下关停按钮致使转子进入静止状态。进而将转子部分碳刷拆除，将交流阻抗试验用夹子直接夹持在转子滑环上，施加电压，重复上述交流阻抗试验操作。在试验中，电流、功率显著增大表现仍未消除后，开启机械电气系统，调整转子运转速度为3000r/min，再次重复上述交流阻抗试验操作［4］。在结果无不正常表现后，调低转子运转速度并增设固定电压，得出在转子运转速度达到20r/min时电流、功率同时向高水平发展情况再次出现，且电流、电压波形存在畸形变化。由于电感设备、电阻设备并不会导致电流、电压畸形变化，由此可推断，故障原因是转子回路内其他设备元件加入，且相关元件为非线性元件，如位于转子过电压保护回路内的碳化硅灭磁电阻，该电阻元件的加入会直接与转子并联，致使转子匝间短路，诱发电流、电压畸变。

针对上述故障，维修者可以在后续转子运行过程中推出热工保护及励磁系统直流侧保护、测量回路，并拉开保险。同时，每间隔一定时期测量励磁系统非线性电阻伏安特性，保证相关问题的及时发现、处理，降低转子阻抗异常故障发生概率。若上述问题仍未解决，则维修者可以拆开转子，重新连接回路，或者直接进行转子及周边电路的更换，彻底解决故障。

4.2 报警灯异常故障的解决措施

为顺利解决机械电气系统充电报警灯异常故障，维修者可以对故障原因进行分析。首先，维修者可以观察不同机械电气系统运行状态下充电警告灯情况。例如，充电报警灯在待机挡位正常，机械启动后充电报警灯报警，表明故障原因为蓄电池不充电，测量对应状态下端子电压并读取机械数据流，在端子电压小于12V且机械数据流喷油脉宽提高到4.0ms时，可以推测发电机无法正常充电是充电报警灯异常的直接原因，与发电机自身部件损坏、主要连接件松动、调节器故障、电路接触不良或断开具有较大关系［5］。其中，发电机自身部件损坏主要包括电压调节器故障、电刷与集电环接触不良、整流二极管故障等；调节器故障主要为调节器稳压器短路、调节器与发电机搭铁不配套等。

为确定报警灯异常故障的原因，维修者可以对发电机附件进行检查。确定附件与质量标准相符且松紧度恰当后，利用万用表进行附件至蓄电池电阻值测量。确定负极搭铁电阻正常后，对发电机内部进行检查，在发电机内部电控电路无明显不正常现象后，更换全部充电电路，规避电路老化对故障原因推断结果影响。更换电路后，发现蓄电路值无较大变化，表明电路接触不良或断开、主要连接件松动均非故障原因。随后，更换发电机定子、转子，故障未消除，表明发电机自身部件损坏非故障原因。此时，测量线路励磁信号与信号数据流，得出曲线波不规则，与正常机械电气运行正弦波差距较大。表明调节器内高压阻尼线受干扰是故障主要原因。也因此，可以更换1组新的高压线组件，排除故障。

4.3 控制器接触不良故障的解决措施

对线路材质保护不到位、连接线磨损、接插件松动是机械电气系统控制器线路接触不良的主要原因，具体表现为机械电气系统控制器外部接线、接线口连接接触不良。在出现上述故障后，维修者可以将控制器从机械电气系统内拆除，目视控制器连接线，观察连接线外侧绝缘皮是否完整。若连接线外侧绝缘皮破损，则维修者可以重新购买可承受高温的连接线进行连接。而在确定连接线外侧绝缘皮完整后，维修者可以用手掰动系统控制器接线口，判断系统控制器接线口是否存在松动。若系统控制器接线口无松动现象，维修者可以根据电气系统控制器接线说明图，观察接线是否正确，若不正确，则对电气系统控制器进行重新接线；若正确，则表明控制器内部元件出现故障，需进行控制器的更换。

若重新接线后故障仍然没有消除，则维修者可以利用万用表对电源管理电路各点输出电压是否正确，若存在问题，则更换损坏元器件，反之，则继续查找。在电源管理电路各点电压无异常时，维修者可以主控芯片为重点，寻找输入脚，利用万用表测量输入脚位置电压值，观察相应电压值是否存在由小到大变化，若不存在，则表明输入脚存在问题，反之，则继续检查主芯片［6］，即面向线路板寻找脉冲宽度调制输出位置，利用万用表测量相应位置电压值是否存在变化，若不存在变化，则表明脉冲宽度调制输出位置损坏，需要更换芯片，反之，则检查功率管驱动电路。借助万用表测量电路栅极电压值是否存在从低水平到高水平变化，若无变化，则表明驱动回路存在故障，需要寻找损坏元器件并更换，反之，则需要重新连接功率管。

4.4 油压灯闪亮故障的解决措施

机油压力灯闪亮故障原因之一是机油压力始终处于低位。为判定是否为这一原因，维修者可以抽出油尺，对机油量进行检查。在确定机油充足后，拆除机油压力传感器，短时间内启动机械，对机械喷油情况进行检查。在机油压力传感器安装座孔无法顺利喷油时，逐一拆除并检查机油滤清器、限压阀、旁通阀、泵、机滤器，反之，则对机油压力传感器运行情况进行检查。根据检查结果，采取针对性维修措施，比如，更换机油滤清器、旁通阀等部件等［7］。

机油压力灯闪亮故障的又一原因是机油压力始终处于高位。维修者可以对机油压力表进行检查，确定机油压力表无误之后，对机油压力传感器进行检查，包括传感器后油道、限压阀、轴承间隙等，根据检查结果采取针对性解决措施。例如，在传感器后油道堵塞时，拆下油管进行疏通或更换油管；对于限压阀损坏情况，更换限压阀；对于轴承间隙过大情况，则重新焊修间隙。

若上述操作仍然无法排除故障，则维修者可以对机油压力灯特定保险丝进行检查。在确定保险丝无熔断情况时，对控制开关电器件进行检查。在开关无异常后，对电器件阻值进行测量，若阻值为0，则表明电器件内部短路，需重新连接电路。