起重机械电气系统失效模式及原因分析

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摘要：起重设备的广泛应用使得其控制精度和安全性能有了很高的要求。尤其进行操控的电气设备，其结构复杂易于发生故障。本文从短路和接触不良分析了起重机械的电气连接失效，从电气系统的结构和材料失效论述了绝缘体失效模式，并分析了击穿和老化现象对绝缘失效的影响。以典型零部件断路器分析了其触电失效、脱扣器失效和操纵机构失效的机理，为起重机电气系统的日常维护提供理论基础和指导。

关键词：起重机械；电气；失效模式

起重机械的电气系统通常由控制、拖动、保护及安监等系统构成，控制起重机的动力输出及起重调用。电气系统如果发生故障，不但会影响实际生产效率，还会造成机械设备损坏的经济损失，甚至引发人身安全事故。因此，结合电气系统的失效机理，研究其失效模式，可避免和预防起重机械电气系统故障和意外事故的产生。通常来说，起重机械电气系统的失效大概可以分为电气连接失效、绝缘失效和电器元件（装置）失效，以下就其起因和防止措施进行论述。

1起重机械的电气连接失效

起重机械电气系统的连接需要电气来完成，如果发生连接失效，电气系统就会瘫痪，影响正常的起重工作，其失效模式分为断路和接触不良两种模式。

1.1电气系统的断路分析

电气断路的起因分为自然外界因素和人为操作不当。起重机的工作环境往往比较恶劣，日常的沙尘、泥水、日晒等都会造成电气线路的老化、断裂，使得电气系统发生断路。人为的操作失误也是致使断路发生的原因。例如，电气线路在铺设时的不规范、电路的穿管口没有安装橡胶圈、小车移动电缆没有按照规定进行正确的悬挂等错误的施工，都会导致线路断路。断路会使得电气系统发生崩溃，使得起重机械无法正常运作。例如，电机在单相回路断开的情况下长时间运转，会使得电机被烧坏。尤其是在接地线被断开时，极易引发相关工作人员的触电，发生人身安全事故。

1.2电气系统的接触不良分析

电气线路在连接时，各个连接对接处有接触电阻，其阻值与载流面积、压力及材料的腐蚀程度有关，这些因素会使得对接处发生接触不良，导致接触电阻变大，产生大量的热，使得接触面深度氧化，破坏材料属性，造成机械强度变小，如果出现短路等情况，大电流引发的急剧热可能会烧断对接处，电路会产生电弧或电火花，从而引发明火燃烧易燃物，造成火灾。

2起重机械的绝缘失效以原因分析

2.1起重机械的绝缘失效模式

绝缘失效会使绝缘电阻的阻值降低，影响起重机械设备的安全性能。因此，绝缘措施是起重机械电气系统工作的重要保证，也是避免接触电击的重要保障。其失效形式可以分为绝缘结构失效和绝缘材料失效。（1）起重机械电气系统的绝缘结构失效。电气系统的绝缘结构失效会使缩短爬电距离，减小电气间隙。如果使用场合超过其负荷范围，可能会引发发热、漏电、电晕和击穿等放电现象，破坏电气设备和线路，影响起重机械的正常运作。起重机械电气系统的绝缘材料属于复合材料，由多种绝缘材料根据电气设备的工作需求而混合定制而成，可以与导体零部件设计成整体，用作支撑、隔绝有电位差的导电部分，然而，实际过程中，由于日晒、动植物等都会对线路造成损伤，引发漏电事故。（2）起重机械电气系统的绝缘材料失效。起重机械电气系统的绝缘材料电阻率大，可以视为绝缘体，但是，并不是绝对绝缘。在实际工程中，绝缘材料的电阻率通常都大于1×107Ω•m。绝缘材料的失效会发生漏电，使得金属的机械结构带电引发电机事故，严重时，会导致电路短路发生火灾。结缘材料的失效模式大体有三种可能，首先，是绝缘击穿，在电场强度超过电介质的临界时，剧增的电路电流会破坏绝缘材料的结构，使其无法起到绝缘的效果。其次，为绝缘的老化现象，因为绝缘材料为无机复合材料，会受到光照、热、氧化、微生物等外界因素的影响发生理化性质的改变，从而削弱了绝缘材料的绝缘性能。还有一种绝缘方式为绝缘损坏，主要是因为工作环境潮湿引起的绝缘电阻下降，也有可能是施工前的选材不合适，或者没有正确的对线路进行铺设和安装，都会使绝缘材料的电气性能或机械性能无法得到有效的发挥。

2.2起重机械绝缘失效的原因

（1）击穿现象。由前文分析可知，击穿现象是电路中有比较大的电场强度产生的，而导致电场强度变大的因素有电、热及电化学，尤其针对固体电介质的击穿明显。电击穿是因为存在外电场，使得电场强度不断累积超过临界值所发生的击穿现象，其特征是发生速度快，产生的电压高。热击穿同样与击穿电压有关，但是，随着温度的增加，击穿电压会变小。电化学击穿是因为电介质发生化学变化而造成不可逆转的介质损失，使得绝缘性能变差发生的击穿现象。同样，击穿现象不仅发生在固体电介质，液体和气体电介质也会发生击穿现象。实际工况中，液体或气体电介质中都会含有杂质，降低了电气强度，容易发生放电现象造成击穿。（2）老化现象。老化现象是最普遍的绝缘失效原因。温度会改变材料属性，温度越高，材料的剪切强度会变小，如果受到挤压力会导致其产生塑性变形，甚至材料的表面破坏。若温度大于绝缘体的最大临界值时，将会发生塑性变形和炭化，降低绝缘材料的使用寿命。若温度小于绝缘体的最小临界值，导线或电缆因为热胀冷缩的原理发生弯曲或收缩变形，导致线路开裂。而通常发生的线圈短路、烧坏以及绝缘下降等故障，大多是由热老化造成的。温度升高还会加速开关的化学作用，降低对接处的绝缘阻值，因此，高温会加剧局部腐蚀，需要得到有效的控制。其次，为电气老化，由于起重机械的使用工况环境不佳，外加因素会腐蚀电路，而且环境中含有的杂质离子会产生离子电流和发生离子碰撞，发生局部放电，降低了材料的绝缘性能。因此，通常的防护工作都是采用加防护套或涂防护漆，避免绝缘体受到侵蚀。起重机械在工作过程中需要进行频繁的启动和停车，因此，承受的交变载荷和交变冲击会使衔铁发生变形，受到冲击不能保持稳定。而且高频振动导致零部件发生疲劳现象，也会导致接触不良，使得电气机械不能正常工作。

3起重机械的电器元件失效

起重机械的电路元件种类繁多，电器元件的失效可能会导致起重机发生停机或无法正常启动等故障。尤其是涉及安全装置或信号装置的电气元件的失效潜在危险是非常大的，不仅关乎机械设备，还关系着工作人员的安全保障。断路器通常适用于低压配电电路中不频繁的通断控制，当电路发生故障时，能够及时自动分断故障电路，是电路中典型的控制和保护电气元件，因此，以断路器为例分析电器元件的失效机理。

3.1断路器的触点失效

触点失效模式可分为触点熔焊和触点磨损。触点熔焊是因为通过电流高于触点的临界值或者因为老化使得电阻值变大导致触点的温度升高至熔合黏连，另外，触点闭合产生的机械振动也会引发触点熔焊和烧损现象。触点磨损是因为触点会发生电弧损伤，长时间工作后，会发生机械、化学和电磨损导等。

3.2断路器的脱扣器失效

脱扣器是断路器完成电路保护的基础，其失效模式可以分为拒动作和误动作。其中，热脱扣器的失效是因为密封失效损失热量或者双金属片位置没有进行合理的布局。而电磁脱扣器的失效是因为电磁吸力变化过大或无电磁力。

3.3断路器的操纵机构失效

操纵机构控制断路器的运行，其可靠性影响其使用寿命。操纵结构中的弹簧具有储能的作用，其失效构成为弹簧力衰减。连杆机构用于传递动力，其失效受连杆变形和转轴位置变化影响。连杆变形主要与连杆的材料属性相关，材料强度不够或者设计结构刚度不足，都会使得连杆发生形变。而转轴位置变化大多由转轴脱槽、生锈或加工精度不足引起。手柄主要用来输出操纵指令，其主要失效模式为断裂或脱钩，其原因同样与选材和结构设计有关。

4结语

综上所述，起重机械电气系统失效的研究还需要继续深入，尤其是起重设备正面向大型化和轻量化的趋势发展，使得对其电气系统的保护和失效控制的要求也逐步提高。如果电气系统发生意外故障，不仅会对机械设备造成损伤，还会对工作人员的安全造成威胁。因此，合理研究及分析电气系统失效模式及原因，能够提高起重机械的安全性和可靠性，减少意外事故的发生率，促进起重机械行业的发展。

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作者：赵秀霞 单位：山东丰汇设备技术有限公司