電鏟電氣設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善與檢修分析

楊銳

（國(guó)家能源集團(tuán)神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

無(wú)論露天煤礦開(kāi)采作業(yè)推進(jìn)到哪一個(gè)階段，安全都被擺在所有工作的首要位置。只有不斷完善電鏟的安全性監(jiān)管，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，才能在最大程度上防止安全問(wèn)題的出現(xiàn)和事故的發(fā)生。電鏟作為一種主要露天采掘設(shè)備，其具有工況惡劣、操作環(huán)境復(fù)雜、控制環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)繁復(fù)等特性，電鏟的運(yùn)行控制環(huán)節(jié)和生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)流程中包含許多安全風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際作業(yè)中也發(fā)生過(guò)各種險(xiǎn)情和突發(fā)事故，因此電鏟的電氣安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善問(wèn)題就受到了社會(huì)和企業(yè)的高度關(guān)注。那么根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)于一些無(wú)法從技術(shù)上根本消除的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題，可以用合理改進(jìn)電氣控制系統(tǒng)以達(dá)到對(duì)已知風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題進(jìn)行防范和預(yù)警，在風(fēng)險(xiǎn)與事故發(fā)生前將問(wèn)題解決。

一、電鏟電氣設(shè)備系統(tǒng)基本情況介紹

電鏟是一種電驅(qū)動(dòng)正采式挖掘機(jī)，主流電鏟電氣系統(tǒng)采用了交流變頻技術(shù)。目前的矢量變頻器采用了電機(jī)直接控制理論。中央控制單元已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，功率元件也由GTO發(fā)展至IGBT，以西門子公司產(chǎn)品為例，這類變頻器自推廣以來(lái)已有十年時(shí)間，這么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，對(duì)于變頻器來(lái)講已相當(dāng)成熟。同時(shí)礦山電鏟也反映出新一代變頻器是非?？煽康摹Ｒ虼?，新一代矢量型變頻器是完全可以用到挖掘機(jī)上的。挖掘機(jī)的變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)為“上位人機(jī)界面+PLC現(xiàn)場(chǎng)總線+AFE變頻傳動(dòng)”組成的三級(jí)控制系統(tǒng)。上位人機(jī)界面監(jiān)控整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)模擬現(xiàn)實(shí)與故障自診斷；PLC通過(guò)PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線與AFE整流回饋單元、各機(jī)構(gòu)逆變器、司機(jī)室控制等連接，實(shí)現(xiàn)分布式控制；AFE整流回饋單元通過(guò)公用直流母線與各機(jī)構(gòu)逆變器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)構(gòu)變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的精準(zhǔn)控制。

二、目前電鏟安全監(jiān)測(cè)方面存在的問(wèn)題與解決方案

（一）電鏟發(fā)生電氣故障時(shí)鏟斗掉落和回轉(zhuǎn)角度過(guò)大引申出來(lái)的問(wèn)題

在以往的電鏟運(yùn)行使用過(guò)程中，一旦電鏟電氣系統(tǒng)或者供電系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，引起電鏟電氣控制系統(tǒng)故障，導(dǎo)致變頻驅(qū)動(dòng)部分跳機(jī)，這時(shí)候正在處于裝載狀態(tài)的電鏟鏟斗，由于鏟斗自身加上其裝載的物料所包含的巨大重量，使鏟斗具備很大的慣性，在電鏟做出提升、下放或回轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生鏟斗掉落或者回轉(zhuǎn)角度過(guò)大的問(wèn)題。如果不能在短距離內(nèi)停止動(dòng)作則會(huì)對(duì)處于作業(yè)半徑內(nèi)的卡車造成損壞，甚至對(duì)卡車司機(jī)造成人身傷害。在實(shí)際作業(yè)中確實(shí)出現(xiàn)過(guò)鏟斗將卡車箱斗砸壞，鏟斗斗齒將卡車輪胎劃爆，更為嚴(yán)重的是鏟斗直接與卡車駕駛室相撞。這類事故每次都造成卡車損壞甚至人身傷害，面對(duì)這些安全問(wèn)題我們應(yīng)該從技術(shù)角度出發(fā)找出其原因，或者通過(guò)完善電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以做出提前預(yù)警，從而避免事故發(fā)生。

這類事故發(fā)生時(shí)電鏟工作過(guò)程如下：當(dāng)變頻驅(qū)動(dòng)部分跳機(jī)時(shí)，電鏟電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)電流，電機(jī)抱閘空氣壓力由快排閥釋放，電機(jī)抱閘抱死。那么鏟斗的行程就和它的初速度、重量大小成正比，與抱閘摩擦力大小成反比。假設(shè)電鏟在額定速度，鏟斗在滿載的極限狀態(tài)下，這時(shí)抱閘的滑動(dòng)摩擦力在縮短鏟斗行程距離時(shí)就起到了決定性作用，滑動(dòng)摩擦力的大小計(jì)算公式為f =μN(yùn) ，式中的μ叫動(dòng)摩擦因數(shù)，也叫滑動(dòng)摩擦系數(shù)，它只跟材料、接觸面粗糙程度有關(guān)，注意跟接觸面積無(wú)關(guān)；N為正壓力，抱閘產(chǎn)生的摩擦力和抱閘盤的正壓力成正比例，所以影響鏟斗行程距離的主要因素在摩擦盤的正壓力上。通常情況下新更換的抱閘摩擦盤是不會(huì)發(fā)生行程過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，因?yàn)楸чl盤可以提供足夠的正壓力，但是使用一段時(shí)間后抱閘盤存在一定的磨損，就不能提供可靠的正壓力了，因此就造成了電鏟鏟斗行程過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。抱閘盤具體磨損到什么程度，能否正常工作，通過(guò)肉眼會(huì)很難鑒定，當(dāng)磨損過(guò)限時(shí)就會(huì)發(fā)生上面提到的掉鏟斗，撞大車等嚴(yán)重事故。這時(shí)抱閘磨損檢測(cè)系統(tǒng)就起到了關(guān)鍵的預(yù)警作用，抱閘磨損檢測(cè)系統(tǒng)主要工作原理為在電鏟的各部抱閘摩擦盤上安裝行程開(kāi)關(guān)，將行程開(kāi)關(guān)常閉點(diǎn)開(kāi)關(guān)量編輯進(jìn)入PLC程序，再通過(guò)運(yùn)算將報(bào)警信號(hào)顯示在司機(jī)室操作屏上。抱閘摩擦盤在正常磨損范圍內(nèi)時(shí)摩擦片與行程開(kāi)關(guān)正常接觸，保證開(kāi)關(guān)常閉點(diǎn)不斷開(kāi)；當(dāng)抱閘摩擦盤超過(guò)磨損上限時(shí)摩擦片變薄則無(wú)法接觸到行程開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)內(nèi)常閉點(diǎn)斷開(kāi)，PLC程序就會(huì)讀取信號(hào)，這時(shí)司機(jī)就會(huì)在操作屏上看到相關(guān)報(bào)警提示，從而提醒更換摩擦盤，這樣就避免了相應(yīng)事故的發(fā)生。

（二）電鏟工作中俯仰角度過(guò)大引發(fā)的問(wèn)題

電鏟是一種大噸位采掘設(shè)備，重達(dá)1100多噸，其回轉(zhuǎn)平臺(tái)和底架梁靠中心軸連接，輔助回轉(zhuǎn)托輥完成轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐動(dòng)作，電鏟百分之八十的重量全靠它們承載，因此電鏟設(shè)計(jì)上規(guī)定電鏟工作的俯仰角度不能超過(guò)5°，這種要求是對(duì)中心軸和回轉(zhuǎn)托輥的一種保護(hù)，同時(shí)也是對(duì)電氣系統(tǒng)的一種保護(hù)。如果電鏟處于大角度作業(yè)環(huán)境，在進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)會(huì)對(duì)中心軸造成很大的磨損，對(duì)行走減速機(jī)構(gòu)造成巨大的沖擊，可能損壞行走減速機(jī)構(gòu)的部件，引發(fā)大型機(jī)械故障；電鏟在這種大角度挖掘過(guò)程中，由于工作環(huán)境角度過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)電鏟在額定速度進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)造成回轉(zhuǎn)過(guò)載，導(dǎo)致故障停機(jī)從而產(chǎn)生問(wèn)題1中所述的回轉(zhuǎn)角度過(guò)得大問(wèn)題，造成采掘或運(yùn)輸設(shè)備的損壞，甚至造成人身傷害。

由于電鏟沒(méi)有可以測(cè)量?jī)A斜角度的設(shè)備，所以實(shí)際工作中全靠司機(jī)的感覺(jué)，這就造成了有時(shí)起坡作業(yè)后發(fā)現(xiàn)角度過(guò)大，導(dǎo)致電氣故障頻發(fā)，在實(shí)際作業(yè)時(shí)也因此發(fā)生過(guò)安全事故。

由于回轉(zhuǎn)平臺(tái)是整個(gè)電鏟的中心位置，因此在回轉(zhuǎn)平臺(tái)中安裝水平和俯仰兩個(gè)方向的平衡監(jiān)測(cè)裝置。

將兩個(gè)平衡儀的參數(shù)傳到距離中心最近的PLC機(jī)站，再通過(guò)程序運(yùn)算將畫面顯示在司機(jī)室顯示屏，司機(jī)起坡作業(yè)時(shí)可以隨時(shí)查看電鏟的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電鏟作業(yè)環(huán)境的角度，從而保證電鏟起坡作業(yè)時(shí)的安全性。

三、電鏟安全裝置的檢修

電鏟安全監(jiān)測(cè)裝置的可靠運(yùn)行是保證電鏟完好和相關(guān)人員安全的有力保障。因此必須制定合理的檢修措施，用以保障安全監(jiān)測(cè)裝置的完好性和可靠性。下面介紹電鏟安全監(jiān)測(cè)裝置三級(jí)檢修的相關(guān)管理辦法：

（一）第一級(jí)為安全監(jiān)管人員或部門

安全監(jiān)管人員或部門負(fù)責(zé)定期對(duì)安全監(jiān)測(cè)裝置的功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)動(dòng)檢測(cè)，將存在問(wèn)題和隱患的裝置進(jìn)行通報(bào)。這中間涉及到什么時(shí)間進(jìn)行實(shí)動(dòng)檢測(cè)和測(cè)試結(jié)果達(dá)到什么狀態(tài)則為合格的定時(shí)和定性的問(wèn)題。

首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，把時(shí)間界定在安全裝置具備保障能力的臨界值之前，同時(shí)根據(jù)安全保障裝置設(shè)計(jì)使用壽命做出合理制定，引入安全監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試時(shí)間計(jì)算公式：C=（T-DT/N）×90%；式中的T是設(shè)計(jì)使用時(shí)間，式中的N是理論動(dòng)作次數(shù)，式中的D是電氣故障裝置實(shí)際發(fā)生次數(shù)，這里保證臨界值提前余量為10%。定性即安全裝置是否在可以保障電鏟安全作業(yè)的范圍。需要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和工作狀態(tài)對(duì)配件壽命和電鏟反應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行定時(shí)間、定長(zhǎng)度、定頻率等等的實(shí)動(dòng)測(cè)試，從而有效的反映出安全裝置所處的狀態(tài)。例如：電鏟發(fā)生電氣故障時(shí)鏟斗掉落和回轉(zhuǎn)角度過(guò)大這個(gè)問(wèn)題中，根據(jù)設(shè)備綜合情況制定鏟斗空載額定速度下放狀態(tài)下鏟斗掉落0.5米就是有效長(zhǎng)度極值；回轉(zhuǎn)角度大于60°就是極限角度。實(shí)動(dòng)測(cè)試如果達(dá)到或者超出則需對(duì)電機(jī)抱閘摩擦盤進(jìn)行調(diào)整或者更換。第二將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果傳達(dá)到相關(guān)部門并進(jìn)行跟蹤。第三根據(jù)檢修結(jié)果進(jìn)行記錄并制定開(kāi)展下一輪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)動(dòng)檢測(cè)工作。

（二）第二級(jí)為技術(shù)人員或部門

根據(jù)安全裝置所需組件，以及其消耗頻率，制定配件采購(gòu)方案，并提供所購(gòu)買組件的基礎(chǔ)試驗(yàn)參數(shù)，以及整定值、額定值等技術(shù)參數(shù)；

依據(jù)設(shè)備參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)使用情況，總結(jié)規(guī)律制定合理的保養(yǎng)周期；

根據(jù)安全部門實(shí)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果，以及現(xiàn)有組件庫(kù)存情況，檢修人員配置情況制定計(jì)劃性檢修方案。

（三）第三級(jí)為檢修技術(shù)人員或部門

需要按保養(yǎng)周期完成安全監(jiān)測(cè)裝置的保養(yǎng)工作，按計(jì)劃?rùn)z修方案完成計(jì)劃性檢修工作。還要完成安全監(jiān)測(cè)裝置日常故障的檢修工作。

四、關(guān)于電鏟安全監(jiān)測(cè)裝置檢修的信息化展望

目前檢修信息化程度低，只有配件采購(gòu)等局部實(shí)現(xiàn)信息互通，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等操作方法，面對(duì)日新月異的科技信息技術(shù)，我們目前所使用的系統(tǒng)軟件較單一、陳舊，不具備整體性和系統(tǒng)性。電鏟是高度自動(dòng)化的設(shè)備，每一代電鏟都代表著當(dāng)時(shí)世界科技的前沿，而相對(duì)比和它配套的檢修系統(tǒng)之間可以說(shuō)存在著不小的差距。我們所展望得檢修系統(tǒng)應(yīng)該是大整體、全環(huán)節(jié)、多系統(tǒng)的綜合體，它的功能不應(yīng)該只有記錄信息，還需要具有智能性、預(yù)測(cè)性和多樣性。例如： 推算正壓力N，為這一期的摩擦盤制作磨損曲線，根據(jù)配件情況、檢修人員配置情況、曲線的走勢(shì)等相關(guān)因素做出前瞻性預(yù)測(cè)，并制定計(jì)劃?rùn)z修方案。例如：電鏟水平采掘作業(yè)時(shí)根據(jù)前后傾斜角度水平檢測(cè)儀數(shù)據(jù)變化檢測(cè)中心軸的磨損情況，對(duì)重要核心部件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等等。實(shí)現(xiàn)電鏟、配件、人員之間信息互通和智能化檢修，合理調(diào)配人力資源和物力資源，使檢修工作更合理、配件使用更合理。

五、結(jié)束語(yǔ)

總之，露天煤礦開(kāi)采中電鏟設(shè)備的推廣與使用，不僅提高了礦山開(kāi)采的安全性，也釋放了人力，提高了開(kāi)采效率。但電鏟所處的環(huán)境十分惡劣，電鏟的開(kāi)發(fā)以及生產(chǎn)工序也極其復(fù)雜，因此礦山電鏟設(shè)備需要一套完善的安全監(jiān)控系統(tǒng)并有對(duì)應(yīng)的先進(jìn)檢修工藝，這也成為了露天煤礦各企業(yè)今后研究的主要內(nèi)容和方向。