MT 系列電動(dòng)輪自卸卡車制動(dòng)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉 洋

（中國(guó)神華能源股份有限公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010300）

目前，國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)哈爾烏素露天煤礦有MT4400 與MT5500 系列共計(jì)55 臺(tái)電動(dòng)輪自卸卡車，主要承擔(dān)哈爾烏素露天煤礦黃土巖石剝離和采煤運(yùn)輸任務(wù)，設(shè)備已持續(xù)運(yùn)行12 年。因坑下路況顛簸，設(shè)備部件出現(xiàn)嚴(yán)重疲勞損耗，電動(dòng)輪制動(dòng)系統(tǒng)故障頻繁，最嚴(yán)重的就是制動(dòng)失效導(dǎo)致電動(dòng)輪著火。近期電動(dòng)輪自卸卡車制動(dòng)裝置發(fā)生火災(zāi)事故的次數(shù)頻繁增加，自卸卡車主機(jī)廠家針對(duì)該類事故的處理方式，主要靠駕駛員的主觀安全注意和定期檢查與維護(hù)來(lái)保障，沒(méi)有配置相關(guān)制動(dòng)裝置防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為預(yù)防并杜絕此類事故再次發(fā)生，維修中心依據(jù)事故發(fā)生原因研發(fā)出卡車防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)盤出現(xiàn)異常高溫、制動(dòng)裝置發(fā)生火災(zāi)的早期能進(jìn)行預(yù)警提示，可有效避免電動(dòng)輪制動(dòng)裝置發(fā)生火災(zāi)事故，將火災(zāi)造成的損失降到最小。

1 MT 系列電動(dòng)輪自卸卡車電動(dòng)輪制動(dòng)系統(tǒng)

1.1 MT 系列電動(dòng)輪自卸卡車電動(dòng)輪工作原理

MT 系列卡車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)1臺(tái)直列式交流發(fā)電機(jī)[1]。交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電，此電流在主控制柜內(nèi)被整流為直流電。經(jīng)整流的直流電源又被1 組稱為“逆變器”的裝置轉(zhuǎn)換回交流電，也在主控制柜內(nèi)完成。各逆變器均包括處于門驅(qū)動(dòng)器電源轉(zhuǎn)換器（GDPC）控制之下的6 個(gè)相位模塊。2個(gè)GDPC 控制各相模塊的操作。各相模塊均包括成對(duì)的正、負(fù)極半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，被稱作絕緣門雙極性晶體管（IGBT）。IGBT 根據(jù)變化的頻率在ON 和OFF 之間切換，產(chǎn)生一個(gè)來(lái)自DC 供電的AC 電源信號(hào)。由各逆變器產(chǎn)生的AC 電源信號(hào)為一個(gè)可變電壓、可變頻率（VVVF）信號(hào)。頻率和電壓可作出改變，以適應(yīng)作業(yè)狀況。用于控制/電源組和車輪馬達(dá)以及交流發(fā)電機(jī)自身的冷卻空氣，由安裝在交流發(fā)電機(jī)軸上的雙風(fēng)扇提供交流發(fā)電機(jī)輸出將電能供至安裝于后橋殼體的2 個(gè)車輪馬達(dá)。電動(dòng)輪采用帶有全波AC電源的三相AC 感應(yīng)馬達(dá)。2 個(gè)車輪馬達(dá)通過(guò)內(nèi)置于車輪馬達(dá)總成的齒輪系[2]，將電能轉(zhuǎn)換回機(jī)械能。車輪馬達(dá)的方向由一個(gè)位于中央控制臺(tái)的前進(jìn)或后退手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)控制動(dòng)力減速裝置用來(lái)減緩卡車的速度或在下坡行駛時(shí)控制速度。直流電氣系統(tǒng)的動(dòng)力減速能力是通過(guò)操作人員踩踏位于操作人員駕駛室內(nèi)的減速踏板（或通過(guò)操作轉(zhuǎn)向柱上的一個(gè)手柄）設(shè)置減速控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制的。若卡車的速度高于預(yù)設(shè)的最大速度，動(dòng)力減速裝置將會(huì)被自動(dòng)激活。

1．2 電動(dòng)輪制動(dòng)工作原理

電動(dòng)輪自卸卡車液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要包括“壓力油供給系統(tǒng)”和“動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)”，2 部分協(xié)同控制制動(dòng)卡鉗總成來(lái)實(shí)現(xiàn)卡車的制動(dòng)?！皦毫τ凸┙o系統(tǒng)”主要包括：轉(zhuǎn)向泵、過(guò)濾器、轉(zhuǎn)向集成閥、制動(dòng)儲(chǔ)能器等部分，“壓力油供給系統(tǒng)”供給的恒定狀態(tài)的壓力油24 MPa[3]經(jīng)制動(dòng)儲(chǔ)能器向前制動(dòng)器及后制動(dòng)器供油；卡車進(jìn)行制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，操作人員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)控制先導(dǎo)閥開(kāi)始動(dòng)作，制動(dòng)控制先導(dǎo)閥壓力的變化與踏板下行行程成比例，利用制動(dòng)先導(dǎo)閥的壓力變化來(lái)控制制動(dòng)組合閥實(shí)現(xiàn)前制動(dòng)輪及后制動(dòng)輪的制動(dòng)動(dòng)作。

1.3 制動(dòng)系統(tǒng)易引發(fā)著火原因

制動(dòng)系統(tǒng)易引發(fā)著火原因?yàn)椋孩僦苿?dòng)器故障或駕駛員操作不當(dāng)，致使制動(dòng)器摩擦片長(zhǎng)時(shí)間摩擦，使制動(dòng)盤出現(xiàn)異常高溫；②電機(jī)轉(zhuǎn)子故障出現(xiàn)“環(huán)火”現(xiàn)象[4]；③電機(jī)軸承損壞、轉(zhuǎn)子槽簽及銅條松動(dòng)或脫落、定子線圈松動(dòng)等引起電機(jī)“掃膛”，產(chǎn)生高溫或短路起火；④當(dāng)制動(dòng)器密封破損、油管老化或損壞等原因致使液壓油泄露，當(dāng)泄露的液壓油遇到上述原因出現(xiàn)的異常高溫或明火時(shí)，會(huì)引發(fā)較大的火災(zāi)事故。

2 電動(dòng)輪制動(dòng)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電動(dòng)輪防火監(jiān)測(cè)方案包含制動(dòng)故障造成制動(dòng)盤高溫導(dǎo)致起火的防范、電動(dòng)輪出現(xiàn)起火現(xiàn)象后的早期報(bào)警、電動(dòng)輪制動(dòng)部分起火后的及時(shí)滅火、引起電動(dòng)輪起火的機(jī)械故障的監(jiān)測(cè)與早期報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等5 個(gè)功能部分，這樣設(shè)置的方案能有效防止電動(dòng)輪制動(dòng)裝置部分及其他機(jī)械故障引起的起火事故的發(fā)生，以及萬(wàn)一發(fā)生火災(zāi)后及早發(fā)現(xiàn)報(bào)警并及時(shí)滅火。具體為：①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤溫度，在監(jiān)控終端實(shí)時(shí)顯示，出現(xiàn)高溫發(fā)出報(bào)警；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)輪制動(dòng)裝置空間內(nèi)CO 濃度，在監(jiān)控終端實(shí)時(shí)顯示，在火災(zāi)發(fā)生早期發(fā)出報(bào)警；③如果可能，安裝自動(dòng)滅火系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)輪制動(dòng)裝置發(fā)生的火災(zāi)進(jìn)行滅火；④實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牽引電機(jī)的軸承及其他機(jī)械運(yùn)行情況，監(jiān)測(cè)軸承磨損、線圈松動(dòng)等機(jī)械故障發(fā)生趨勢(shì)，預(yù)估軸承使用壽命，在監(jiān)控終端用曲線、圖表實(shí)時(shí)顯示，在軸承碎裂等機(jī)械故障發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警；⑤對(duì)電動(dòng)輪運(yùn)行情況采用4 G 遠(yuǎn)程監(jiān)控，支持電話或短信通知。

電動(dòng)輪防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案按結(jié)構(gòu)可分為輪邊傳感、駕駛室防火監(jiān)測(cè)控制、滅火系統(tǒng)等3 個(gè)單元，按使用功能可分為電動(dòng)輪制動(dòng)裝置溫度監(jiān)測(cè)及高溫報(bào)警、電動(dòng)輪起火報(bào)警、電動(dòng)輪制動(dòng)部分滅火系統(tǒng)、電動(dòng)輪電機(jī)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)及報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等5個(gè)功能部分。

1）電動(dòng)輪制動(dòng)裝置溫度監(jiān)測(cè)及高溫報(bào)警。電動(dòng)輪制動(dòng)裝置溫度測(cè)量有非接觸和接觸測(cè)量2 種方式：非接觸式測(cè)溫傳感器是采用的輻射測(cè)量原理，測(cè)量精度受灰塵等環(huán)境影響較大。接觸式測(cè)量傳感器是測(cè)溫原件直接與被測(cè)量物體精密接觸，基本不受環(huán)境影響。考慮到制動(dòng)裝置附近灰塵和油污影響嚴(yán)重，采用接觸式無(wú)源溫度傳感器。將傳感器裝在制動(dòng)盤上不與制動(dòng)鉗干涉的地方，若考慮對(duì)制動(dòng)盤動(dòng)平衡影響[5]，可在制動(dòng)盤對(duì)稱位置各安裝1 個(gè)。因測(cè)溫傳感器裝在制動(dòng)盤上，傳感器采用無(wú)源供電，不需要外接電源或電池供電，因此不用新增電源連接線及更換電池，檢測(cè)到的溫度信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)送至司機(jī)室內(nèi)的防火監(jiān)測(cè)控制單元，對(duì)制動(dòng)盤的溫度進(jìn)行適時(shí)記錄、分析與顯示，當(dāng)檢測(cè)到制動(dòng)盤的溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示駕駛員制動(dòng)盤超溫。對(duì)于有電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)傳感器[6]的車輛，可將傳感器溫度信息接入駕駛室內(nèi)的防火監(jiān)測(cè)控制單元，進(jìn)行適時(shí)記錄、分析與顯示。

2）電動(dòng)輪起火報(bào)警?；馂?zāi)報(bào)警傳感器有多種形式，考慮到在有外罩的電動(dòng)輪制動(dòng)裝置的陰暗多灰塵的空間環(huán)境使用，象光電感煙探測(cè)、紅外光束感煙探測(cè)等方式均不適合該環(huán)境中使用，因此此次方案采用CO 傳感器[7]檢測(cè)方式?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，燃燒產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物主要為CO、CO2、H2O，CO 產(chǎn)生比燃燒煙要早得多，而且不同于火災(zāi)煙氣中的煙霧顆粒，氣體需要更少的熱量驅(qū)動(dòng)就可以快速上升，這樣便于探測(cè)。由于一般情況下，CO 在空氣中的含量極低，即使在CO 含量較高的廚房等環(huán)境里，CO 的含量也均在20×10-6以下。但是，在火災(zāi)過(guò)程中，幾乎每種物質(zhì)均要產(chǎn)生不充分燃燒的CO，特別是陰燃階段的火災(zāi)更是如此，由火災(zāi)孕育到劇烈燃燒，CO 經(jīng)歷從無(wú)到有，由小到大，然后逐漸減小的規(guī)律性變化過(guò)程。因此CO 是極早期火災(zāi)的特有標(biāo)志，適合于火災(zāi)早期探測(cè)。針對(duì)一氧化碳火災(zāi)報(bào)警器目前國(guó)家有相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，GB l5631—200 特種火災(zāi)探測(cè)器，其中的4.5 條款(點(diǎn)型一氧化碳探測(cè)器)中，對(duì)其技術(shù)要求已有明確規(guī)定。該傳感器方式使用也比較成熟。在電動(dòng)輪輪邊制動(dòng)裝置空間內(nèi)安裝CO 傳感器。檢測(cè)到的CO 濃度信號(hào)發(fā)送至駕駛室內(nèi)的防火監(jiān)測(cè)控制單元，對(duì)輪邊制動(dòng)裝置空間內(nèi)的CO 濃度進(jìn)行適時(shí)記錄、分析與顯示，當(dāng)檢測(cè)到空間內(nèi)CO 濃度超過(guò)起火設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示駕駛員電動(dòng)輪有火情。

3）電動(dòng)輪制動(dòng)部分滅火系統(tǒng)。改造的自卸車車型電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)中能穿過(guò)滅火器的滅火管道，新增電動(dòng)輪制動(dòng)部分自動(dòng)滅火系統(tǒng)。自動(dòng)滅火系統(tǒng)的滅火器裝置安裝在右?jiàn)A板上，控制組件安裝在駕駛室，噴頭組件安裝在電動(dòng)輪制動(dòng)部分空間內(nèi)。當(dāng)司機(jī)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)輪火災(zāi)報(bào)警，即壓下駕駛室的控制手柄，自動(dòng)滅火系統(tǒng)即開(kāi)始自動(dòng)滅火。

4）電動(dòng)輪電機(jī)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)及報(bào)警。為預(yù)防牽引電機(jī)的軸承碎裂等機(jī)械故障引發(fā)的電動(dòng)輪起火情況發(fā)生，需要對(duì)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，對(duì)電機(jī)軸承的磨損、疲勞引起的變形等情況進(jìn)行跟蹤和早期預(yù)報(bào)，對(duì)軸承碎裂、槽簽或銅條甩出以及線圈松動(dòng)等故障及時(shí)報(bào)警。目前對(duì)滾動(dòng)軸承故障的監(jiān)測(cè)與診斷，有基于振動(dòng)信號(hào)、聲音、溫度、油膜電阻、光纖等的診斷方法，其中基于振動(dòng)信號(hào)的診斷方法具有實(shí)用性強(qiáng)、效果好、測(cè)試和信號(hào)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛采用，本方案即采用基于振動(dòng)信號(hào)分析的特征頻率故障診斷方式。在牽引電機(jī)軸端安裝三維振動(dòng)、轉(zhuǎn)速和溫度傳感器各1 個(gè)，對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速及電機(jī)軸端溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果利用原車的轉(zhuǎn)速信號(hào)，可不用再裝轉(zhuǎn)速傳感器。傳感器檢測(cè)到的振動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)速和軸端溫度信號(hào)，傳送至駕駛室內(nèi)的防火監(jiān)測(cè)控制單元，控制單元對(duì)電機(jī)的振動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)速和軸端溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析處理，將各故障特征頻率的分析結(jié)果，以圖表等方式顯示出軸承的磨損、線圈松動(dòng)等機(jī)械故障的發(fā)生趨勢(shì)以及軸承預(yù)計(jì)的使用壽命，對(duì)電機(jī)軸承損壞、轉(zhuǎn)子槽簽及銅條松動(dòng)脫落、定子線圈松動(dòng)等引起電機(jī)異常振動(dòng)的故障進(jìn)行報(bào)警。

5）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。為確保對(duì)起火故障的監(jiān)測(cè)及報(bào)警及時(shí)有效，故障第一時(shí)間得到處理，還規(guī)劃了4G遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[8]。駕駛室中的防火監(jiān)測(cè)控制單元，將牽引電機(jī)及制動(dòng)盤的溫度、振動(dòng)等監(jiān)測(cè)和分析的信息通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送至云端服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)控程序可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)防火監(jiān)測(cè)控制單元檢測(cè)到故障信息時(shí)，云端服務(wù)器將自動(dòng)通過(guò)電話或短信方式實(shí)時(shí)通知駕駛員和遠(yuǎn)程監(jiān)控人員，及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理。

3 結(jié) 語(yǔ)

分析了MT 系列卡車電動(dòng)輪制動(dòng)故障引發(fā)著火原因及原理，詳細(xì)闡述了礦用電動(dòng)輪自卸卡車電動(dòng)輪制動(dòng)防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)本設(shè)計(jì)可有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤溫度、監(jiān)測(cè)軸承磨損、線圈松動(dòng)等機(jī)械故障發(fā)生趨勢(shì)，超前預(yù)警著火，及時(shí)采取滅火等措施，保障電動(dòng)輪故障及時(shí)消除，避免火災(zāi)事故的發(fā)生，提升設(shè)備出動(dòng)率，減少檢修成本支出。實(shí)施之后預(yù)計(jì)可每年節(jié)約成本200 萬(wàn)元。