鑿巖臺(tái)車電氣系統(tǒng)技術(shù)改造

沈桂麗，吳朝來，梁永飛

（1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南洛陽 471009；2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

鑿巖臺(tái)車電氣系統(tǒng)技術(shù)改造

沈桂麗1，吳朝來1，梁永飛2

（1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南洛陽 471009；2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

目前鑿巖臺(tái)車被廣泛地應(yīng)用于隧道施工中，如何使鑿巖臺(tái)車更好地適用于隧道施工是機(jī)械管理人員研究的重點(diǎn)。為提高鑿巖臺(tái)車的設(shè)備利用率，降低施工成本，對(duì)鑿巖臺(tái)車進(jìn)行了改造與系統(tǒng)集成技術(shù)的研究。著重介紹了鑿巖臺(tái)車改造過程中電氣方面的技術(shù)改造，對(duì)鑿巖臺(tái)車泵站起動(dòng)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改造后的鑿巖臺(tái)車通過了工業(yè)性試驗(yàn)，并成功地應(yīng)用于青島煙臺(tái)LPG項(xiàng)目。實(shí)踐證明：改造后的鑿巖臺(tái)車性能得到了大幅度提升，故障率低，故障顯示的可讀性高，滿足施工使用要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

隧道；鑿巖臺(tái)車；起動(dòng)方式；PLC可編程技術(shù)；電氣系統(tǒng)改造

0 引言

伴隨著鉆爆法施工優(yōu)點(diǎn)的日漸凸顯，液壓鑿巖臺(tái)車以其具有高效、低故障率等優(yōu)點(diǎn)成為隧道施工的主要機(jī)械設(shè)備。為將廢舊的臺(tái)門架鑿巖臺(tái)車重新利用起來，不至于浪費(fèi)國(guó)有資源，通過再制造將其改造成利用率較高的液壓鑿巖臺(tái)車。目前國(guó)外已經(jīng)開始了全自動(dòng)化鑿巖機(jī)的研制工作，國(guó)內(nèi)雖有多家企業(yè)生產(chǎn)研制鑿巖臺(tái)車，但其技術(shù)落后于部分國(guó)家。文獻(xiàn)［1］重點(diǎn)介紹了阿特拉斯二臂鑿巖臺(tái)車由于原進(jìn)口電氣系統(tǒng)價(jià)格昂貴，配件采購(gòu)周期長(zhǎng)，且與改造的液壓系統(tǒng)部分不匹配，對(duì)其進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造；文獻(xiàn)［2］對(duì)DD310型鑿巖臺(tái)車的鑿巖定位系統(tǒng)進(jìn)行了改造，通過對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了鑿巖效率，使電機(jī)功率得到了有效利用，同時(shí)也降低了電力消耗。以上研究?jī)H對(duì)臺(tái)車進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造和液壓系統(tǒng)的優(yōu)化，便于配件采購(gòu)，降低配件成本，提高效率，而如何使鑿巖動(dòng)力消耗少，能量利用率高，鑿巖效率高，使設(shè)備更好地與工程結(jié)合起來是目前存在的主要問題。

本文主要討論了鑿巖臺(tái)車電氣方面的技術(shù)改造和性能提升，通過對(duì)鑿巖臺(tái)車泵站電機(jī)起動(dòng)方式［3－4］、PLC可編程技術(shù)和液晶觸摸屏顯示技術(shù)的研究，提高了臺(tái)車在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力，優(yōu)化了起動(dòng)的控制方式，提高了故障顯示的可讀性，增強(qiáng)了可操作性。

1 鑿巖臺(tái)車泵站起動(dòng)系統(tǒng)改造

1.1 原鑿巖臺(tái)車泵站電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式

原鑿巖臺(tái)車上3個(gè)泵站的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)功率PN＝45 kW，輸入電壓UN＝380 V，功率因數(shù)cos φ＝0.83，額定電流IN＝83.9 A，轉(zhuǎn)速r＝1 475 r/min，采用直接起動(dòng)方式。直接起動(dòng)又稱為全壓起動(dòng)，起動(dòng)電流是正常工作電流的4～7倍，易使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱并對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，影響其他負(fù)載的正常工作。另外，隨著隧道不斷地深入開挖，洞內(nèi)輸電線路壓降逐漸增大，直接起動(dòng)容易出現(xiàn)起動(dòng)困難、頻繁跳閘等故障［5－6］，故需對(duì)其進(jìn)行改造。

1.2 起動(dòng)方式改造的方案設(shè)計(jì)

本次改造采用星－三角降壓起動(dòng)［7－8］代替了直接起動(dòng)，該種起動(dòng)方式電流小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，不需要添置起動(dòng)設(shè)備，有起動(dòng)開關(guān)或交流接觸器及控制設(shè)備就容易實(shí)現(xiàn)，接線簡(jiǎn)單，不易出故障。

1.2.1 泵站起動(dòng)星－三角降壓電氣元器件參數(shù)選擇

1.2.1.1 選擇交流接觸器的參數(shù)

額定電壓

額定電流

式中：三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率PN＝45 kW；額定電壓UN＝380 V；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K＝1～1.4。

計(jì)算得出：流過Δ接觸器主觸點(diǎn)的電流IC＝84.59～118.42 A，電流為95 A，Y接觸器電流選主觸點(diǎn)為60 A。

本設(shè)計(jì)選用了FX2N－48MR作為星－三角降壓起動(dòng)PLC的控制模塊，電氣元件參數(shù)如表1所示。

表1 星－三角降壓起動(dòng)的控制模塊電氣元件參數(shù)表Table 1 Parameters of electrical element of Y-△de-voltage starting control module

1.2.1.2 星－三角降壓起動(dòng)控制程序

星－三角起動(dòng)控制的接線圖和梯形圖如圖1和圖2所示。由圖1可知，電動(dòng)機(jī)由接觸器KM1，KM2和KM3控制。其中，KM3將電動(dòng)機(jī)繞組聯(lián)成星形，KM2將電動(dòng)機(jī)繞組聯(lián)成三角形，熱繼電器FR保護(hù)，停止按鈕SB1，起動(dòng)按鈕SB2。按下起動(dòng)按鈕SB2，KM3將電動(dòng)機(jī)繞組聯(lián)接成星形并自鎖，KM1在KM3線圈吸合后通電自鎖，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行星形起動(dòng)，5 s后定時(shí)器使KM3線圈斷電，使KM2得電，電機(jī)進(jìn)入三角形起動(dòng)。I/O點(diǎn)的分配表如表2所示。

圖1 星－三角起動(dòng)控制的I/O接線圖Fig.1 I/O line connection of Y-△starting control

圖2 星－三角起動(dòng)控制的梯形圖Fig.2 Ladder chart of Y-△starting control

表2 I/O點(diǎn)的分配表Table 2 Allocation of I/O points

2 鑿巖臺(tái)車顯示系統(tǒng)的改造

2.1 原鑿巖臺(tái)車顯示系統(tǒng)

鑿巖臺(tái)車工作、故障指示燈及儀表均集中在側(cè)面配電柜表面，若電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，須查看配電柜儀表或指示燈工作狀態(tài)，才能初步判斷故障所在［9－11］。該鑿巖臺(tái)車配電柜上僅有6個(gè)指示燈，分別為工作電源指示燈、相序錯(cuò)誤指示燈、鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)過載指示燈、液壓油箱油位過低指示燈、液壓油箱油溫過高指示燈和回油濾芯堵塞指示燈。其中，電動(dòng)機(jī)過載指示燈為3臺(tái)泵站電動(dòng)機(jī)、1臺(tái)空壓機(jī)和1臺(tái)增壓水電動(dòng)機(jī)所共用，由于這5個(gè)過載輸出線路為并聯(lián)，所以當(dāng)其故障變紅發(fā)亮?xí)r，將無法判斷是哪一臺(tái)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了過載故障。另外，鑿巖臺(tái)車配電柜上的6個(gè)指示燈位于鑿巖臺(tái)車右后側(cè)，既無聲音報(bào)警，也不容易被操作人員直接觀察，給故障排查帶來較大難度，影響維修效率。

2.2 顯示系統(tǒng)改造的方案設(shè)計(jì)

在保持原鑿巖臺(tái)車電氣工作系統(tǒng)基本不變的前提下，利用PLC可編程技術(shù)，對(duì)鑿巖臺(tái)車電氣工作、故障顯示系統(tǒng)進(jìn)行集中數(shù)顯控制。將原電氣系統(tǒng)傳感器輸出信號(hào)作為PLC的信號(hào)輸入端［7］，通過數(shù)字觸摸液晶顯示屏對(duì)鑿巖臺(tái)車各種工作及故障進(jìn)行集中顯示，并配以故障排除方法，見表3。

根據(jù)顯示系統(tǒng)要求選取合適的PLC可編程模塊。本鑿巖臺(tái)車選用了DVP－20EX00R2模塊和擴(kuò)展模塊DVP－16XM11N2，由原鑿巖臺(tái)車配電柜中變壓器提供電源信號(hào)。原故障指示繼電器使用的是AC 24 V電源，而PLC編程模塊和擴(kuò)展模塊的I/O信號(hào)、液晶顯示屏、蜂鳴器均使用的是DC 24 V電源。電氣元件參數(shù)見表4。

DVP－20EX00R2及其拓展模塊主要用于讀取外來信號(hào)，I/O接線圖及梯形圖較簡(jiǎn)單，不再繪制。

表3 液晶顯示屏顯示項(xiàng)目及故障排除方法Table 3 Display items and malfunction dealing methods

表4 顯示系統(tǒng)電氣元件參數(shù)Table 4 Parameter of electrical element of display system

3 改造效果及分析

3.1 起動(dòng)方式改造效果

通過對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式進(jìn)行比較分析，并根據(jù)生產(chǎn)施工實(shí)際需要，合理選擇電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式。PLC模塊星－三角降壓起動(dòng)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)繼電器在電動(dòng)機(jī)控制方面相比具有顯著優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)具有線路簡(jiǎn)單、可靠性高、安全、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 觸摸屏改造效果

采用高清數(shù)字觸摸屏。當(dāng)PLC模塊得電時(shí)，液晶觸摸屏通電進(jìn)入歡迎頁面，上部顯示的是液壓鑿巖臺(tái)車，中間紅色部分為進(jìn)入按鈕，進(jìn)入按鈕下部以年/月/日的形式顯示當(dāng)前時(shí)間，時(shí)間下方為液壓鑿巖臺(tái)車的設(shè)計(jì)制造方。點(diǎn)擊紅色按鈕進(jìn)入操作界面，屏幕中間3個(gè)指示燈分別對(duì)應(yīng)3個(gè)泵站的運(yùn)行監(jiān)視狀態(tài)，此時(shí)指示燈不工作。指示燈中間下部為液壓油箱油溫監(jiān)控欄，以數(shù)字的形式顯示當(dāng)前液壓油箱內(nèi)部的油溫。左下角的參數(shù)設(shè)定按鈕可設(shè)定實(shí)際油溫的調(diào)整參數(shù)，右下角為退出按鈕。

當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，蜂鳴器以1 s的時(shí)間間隔發(fā)出清晰明亮的“滴”聲，點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入液晶觸摸屏操作界面，可看到黃色窗口在觸摸屏上彈出，且顯示故障原因。

3.3 改造效果

通過對(duì)鑿巖臺(tái)車的泵站起動(dòng)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使臺(tái)車性能得到了大幅度提升，完全滿足了施工使用要求。改造完成后，該鑿巖臺(tái)車在煙臺(tái)LPG項(xiàng)目進(jìn)行了63 d的工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，該臺(tái)車在高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間、硬巖石、高濕度等惡劣條件下進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，共完成近萬方的開挖量，完成鉆孔13 280 m，設(shè)備運(yùn)行31 680 min。試驗(yàn)成功后，使用單位一致認(rèn)為該臺(tái)車性能穩(wěn)定，非常適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的操作習(xí)慣，故障率低，故障顯示的可讀性高，與同類設(shè)備相比性能有了大幅度提升。

4 討論

鑿巖臺(tái)車電氣系統(tǒng)的技術(shù)改造應(yīng)切合實(shí)際，應(yīng)符合設(shè)備使用工況，本文就針對(duì)隧道施工存在潮濕、多塵、高溫等特點(diǎn)，選擇星－三角降壓起動(dòng)系統(tǒng)作為泵站電動(dòng)機(jī)的控制方式。該起動(dòng)方式看似簡(jiǎn)單、普通，且一些人認(rèn)為變頻起動(dòng)或軟啟動(dòng)器更加先進(jìn)、有效，就很有可能進(jìn)入誤區(qū)。國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)發(fā)展起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，且電子元器件壽命有限，受外界干擾因素較多，造成變頻器及軟啟動(dòng)故障率較高，而無故障或低故障才是工程施工設(shè)備所追求的終極目標(biāo)，星－三角降壓起動(dòng)系統(tǒng)則完全滿足故障率低的要求。本次技術(shù)改造采用高清屏系統(tǒng)狀態(tài)顯示，易于實(shí)時(shí)監(jiān)控，故障信號(hào)可讀，給維修帶來極大方便，值得推廣應(yīng)用。

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Technical Reform of Electrical System of Rock Drilling Jumbo

SHEN Guili1，WU Chaolai1，LIANG Yongfei2
（1.Tunneling-dedicated Equipment Center of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China；2.China Railway Tunnel Stock Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，Henan，China）

Rock drilling jumbos are widely used in the tunnel construction.In the paper，the reform technologies and system integration technologies of rock drilling jumbos are studied，so as to improve the availability of the rock drilling jumbos and to reduce the construction cost.The reform of the electrical system of rock drilling jumbos is described with emphasis.The main reform of the electrical system of the rock drilling jumbo is focused on the starting system of the pump station and the display system of the rock drilling jumbo.The drilling jumbo reformed has been successfully used in the construction of Yantai LPG storage cavern project in Qingdao.It is demonstrated that the performance of the rock drilling jumbo has been greatly improved，the malfunction rate has been reduced，the readability of the malfunction display has been enhanced，the construction requirement has been satisfied and good economical and social efficiency has been achieved.

tunnel；rock drilling jumbo；starting mode；PLC programmable technology；electrical system；reform

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.017

U 455.3＋2

B

1672－741X（2014）04－0392－04

2013－10－17；

2014－03－26

沈桂麗（1984—），女，江蘇徐州人，2008年畢業(yè)于重慶交通大學(xué)，電氣與自動(dòng)化專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事設(shè)備維修與管理工作。