郑玉瑞 曹仲丽 邵莹
景津环保股份有限公司 山东省德州市 253034
摘要：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。
关键词：起重机械；电气系统；失效模式；失效原因；措施
1起重机械的电气连接失效
1.1电气系统的断路分析
电路断路的原因分为自然外部因素和人为操作不当。起重机的工作环境往往很恶劣。每天的灰尘、泥土和阳光会导致电路老化和断裂，使电气系统开路。人为错误也是导致断路的原因。如电气线路敷设不当，线路管口安装橡胶圈，小车移动电缆按规定悬挂不正确等，都会导致断路。断路会使电气系统崩溃，使起重机不能正常工作。例如，当单相电路长时间断开时，电机就会烧毁。特别是接地线断开时，极易造成相关人员触电和人身安全事故。
1.2电气系统接触不良分析
电路连接时，每个连接处都有接触电阻，电阻值与材料的载流面积、压力和腐蚀程度有关。这些因素会导致对接接头接触不良，使接触电阻增大，产生大量热量，使接触表面深度氧化，破坏材料性能，降低机械强度。短路时会产生大电流，尖锐的热量会烧坏对接接头，在电路中会产生电弧或火花，引起明火燃烧可燃物，引起火灾。
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
绝缘失效会降低绝缘电阻的阻值，影响起重机械的安全性能。因此，绝缘措施是起重机械电气系统的重要保证，也是避免触电的重要保证。其失效模式可分为绝缘结构失效和绝缘材料失效。（1）起重机械电气系统绝缘结构失效。电气系统绝缘结构的失效会缩短爬电距离，减小电气间隙。如果使用情况超出其负载范围，可能会产生发热、漏电、电晕、击穿等放电现象，损坏电气设备和线路，影响起重机械的正常运行。起重机械电气系统绝缘材料属于复合材料，是根据电气设备的工作要求，将各种绝缘材料混合而成。它可以与导体部件一起设计，以支撑和隔离具有电位差的导电部件。但在实际过程中，由于受到阳光、动植物等因素的影响，会对线路造成损坏，引发泄漏事故。（2）起重机械电气系统绝缘材料失效。起重机械电气系统具有高电阻率的绝缘材料，可作为绝缘体，但并非绝对绝缘。在实际工程中，绝缘材料的电阻率通常大于1×107Ω·M，绝缘材料失效会导致泄漏，使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和火灾。粘结材料的破坏形式有三种。首先，绝缘击穿。当电场强度超过介质的临界值时，电路电流的急剧增加会破坏绝缘材料的结构，使其无法达到绝缘效果。其次是绝缘老化现象。由于绝缘材料是无机复合材料，会受到光、热、氧化、微生物等外界因素的影响，改变绝缘材料的生理特性，从而削弱绝缘材料的绝缘性能。另一种绝缘方式是绝缘损坏，这主要是由于工作环境潮湿导致绝缘电阻降低。也可能是施工前选材不当，或线路敷设安装不正确，使绝缘材料的电气或机械性能无法有效发挥。
2.2起重机械绝缘失效的原因
（1）击穿现象。从前面的分析可以看出，击穿现象是由电路中较大的电场强度引起的，导致电场强度增加的因素有电、热和电化学，尤其是固体介质击穿。电击穿是指由于外加电场的存在，电场强度持续超过临界值时发生的一种击穿现象。它具有发生快、电压高的特点。
热击穿也与击穿电压有关，但随着温度的升高，击穿电压降低。介质击穿是由不可逆的介质击穿引起的。同样，击穿不仅发生在固体电介质中，也发生在液体和气体介质中。在实际工作条件下，液体或气体介质中会含有杂质，降低电强度，容易因放电而击穿。
（2）老化现象。老化是绝缘失效最常见的原因。温度越高，材料的抗剪强度越小。如果受到挤压，会产生塑性变形，甚至损坏材料表面。如果温度高于绝缘子的最大临界值，则会发生塑性变形和碳化，从而降低绝缘材料的使用寿命。如果温度低于绝缘子的最小临界值，电线或电缆会因热膨胀和冷缩的原理而弯曲或收缩，从而导致线路开裂。它通常是由热老化和绝缘退化引起的。温度升高还会加速开关的化学作用，降低对接处的绝缘电阻。因此，高温会加剧局部腐蚀，需要对其进行有效控制。其次是电老化。由于起重机械工作环境恶劣，外界因素会腐蚀电路，环境中的杂质离子会产生离子电流和离子碰撞，导致局部放电，降低材料的绝缘性能。因此，通常的保护工作是加保护罩或油漆，以防止绝缘子被腐蚀。起重机械在工作过程中需要频繁启停。因此，电枢在交变载荷和交变冲击作用下会发生变形，在冲击下不能保持稳定。此外，高频振动导致零件疲劳，接触不良，使电机无法正常工作。
3起重机械的电器元件失效
起重机械中的电路元件种类繁多。电气元件故障可能导致起重机停止或不能正常启动。特别是涉及安全装置或信号装置的电气元件发生故障的潜在风险非常大，不仅关系到机械设备，也关系到工作人员的安全。断路器通常适用于低压配电线路中不频繁的开关量控制。当电路发生故障时，能及时自动断开故障电路。它是电路中典型的控制和保护电气元件。因此，以断路器为例，分析了电气元件的失效机理。
3.1断路器触点故障
接触失效模式可分为接触熔焊和接触磨损。接触熔焊的原因是电流高于触头的临界值或因老化导致电阻值增大，导致触头温度上升到熔焊。另外，触头闭合引起的机械振动也会引起触头熔焊和烧损现象。触点磨损是由于接触电弧的损伤，长期工作后会发生机械、化学和电气磨损。
3.3断路器故障
脱扣器是断路器完成线路保护的基础，其故障模式可分为故障动作和误操作。其中，热释放失效是由于密封失效造成的热量损失或双金属片的位置不合理所致。电磁脱扣器失效是由于电磁力变化过大或没有电磁力引起的。
3.3断路器控制机构故障
操动机构控制断路器的动作，其可靠性影响断路器的使用寿命。控制结构中的弹簧具有储能功能，其失效是由于弹簧力的衰减引起的。连杆机构是传递动力的机构，其失效受连杆变形和轴位变化的影响。连杆的变形主要与连杆的材料性能有关。如果材料强度不够或设计结构刚度不足，连杆就会变形。然而，轴的位置变化主要是由于轴槽、锈蚀或加工精度不够引起的。手柄主要用于输出操作命令，其主要失效模式为断开或解耦。原因还与材料选择和结构设计有关。
结论
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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