電動(dòng)缸在P&H2800XPB電鏟登機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

孟 平，劉世雄

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

P&H2800XPB 電鏟是安家?guī)X露天礦剝離巖石和坑下煤炭開采的主力軍[1]。電鏟作業(yè)前必須將登機(jī)梯升起來，否則電鏟設(shè)備無法正常工作，登機(jī)梯是否正常運(yùn)行直接決定著電鏟能否順利啟動(dòng)，開展工作。而安家?guī)X礦內(nèi)服役的P&H2800XPB 電鏟登機(jī)梯都是依靠空氣系統(tǒng)來控制的。步入冬季后，設(shè)備登機(jī)梯系統(tǒng)開始經(jīng)常性地因?yàn)闅饴饭苈返乃纬煞e水，再遇冷冰凍堵塞管路，造成登機(jī)梯無法正常工作；氣動(dòng)控制系統(tǒng)由于惡劣環(huán)境等因素的影響，高壓氣體流動(dòng)極不穩(wěn)定，高壓氣體流動(dòng)急促時(shí)，常出現(xiàn)梯子撞擊電鏟平臺(tái)和梯子電磁限位閥的現(xiàn)象。高壓氣體流動(dòng)不暢，氣流較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)登機(jī)梯不歸位，懸浮半空。而電動(dòng)缸能精準(zhǔn)控制速度和提供有效載荷馬力，因此提出電動(dòng)缸代替氣缸給登機(jī)梯系統(tǒng)提供動(dòng)力，如果電動(dòng)缸替代氣缸給登機(jī)梯提供動(dòng)力源的方案可行，則這些故障就不存在了[2]。

1 登機(jī)梯空氣控制系統(tǒng)和氣缸系統(tǒng)

登機(jī)梯空氣控制系統(tǒng)包括空氣系統(tǒng)部件和氣缸，該系統(tǒng)通過氣動(dòng)方式升起和降下登機(jī)梯。壓縮空氣從空壓機(jī)出來，可以到達(dá)氣動(dòng)控制閥，操作人員可分別從電鏟和地面上，操作手柄和拉繩控制登機(jī)梯。該系統(tǒng)由氣壓調(diào)節(jié)器、過濾器、氣壓流量控制閥、空氣導(dǎo)向閥、拉繩、手動(dòng)觸動(dòng)器、氣管等組件構(gòu)成。

氣缸系統(tǒng)是通過流經(jīng)電磁閥或氣動(dòng)控制閥的氣流來控制氣缸作伸縮動(dòng)作，由于高壓空氣的不穩(wěn)定性，氣缸難以精密控制。而且需要流量閥控制梯子快慢，整套組裝下來結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。氣動(dòng)缸的氣動(dòng)密封是關(guān)鍵的部分，密封圈極容易老化磨損，使用壽命因環(huán)境和頻率決定，而電鏟現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，氣動(dòng)缸的壽命也在大大降低，維修工作量自然增加，維修成本增大。氣動(dòng)缸系統(tǒng)控制的登機(jī)梯，進(jìn)入冬季經(jīng)常性地因?yàn)闅饴饭苈防锏乃奂纬煞e水，再遇冷冰凍堵塞管路，致使登機(jī)梯無法正常工作，造成設(shè)備故障；冬季因天氣嚴(yán)寒，這種故障頻繁發(fā)生而且依靠現(xiàn)有條件無法根治，設(shè)備會(huì)反復(fù)發(fā)生類似故障，車間維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度因此大大增加[3]。

2 電動(dòng)缸工作原理及特點(diǎn)

2.1 電動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

電動(dòng)缸控制比較方便，工業(yè)設(shè)備上應(yīng)用很多，比如開門，升降，推拉，推力從102～106N 都可以做到。內(nèi)部結(jié)構(gòu)為行星滾柱絲杠，滾柱絲杠，梯形絲杠，防反轉(zhuǎn)裝置[4]。

電動(dòng)缸是伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)-精確轉(zhuǎn)速控制，精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成-精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制[5]。電動(dòng)缸的安裝方式有法蘭式，銷孔式（單耳雙耳），螺紋端，可以與電機(jī)平行，垂直，直線，安裝方式非常靈活，并可以連接各式附件，結(jié)構(gòu)緊湊，且很方便與PLC 等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精度控制。

2.2 電動(dòng)缸的特性和優(yōu)點(diǎn)

1）可精密控制推力，控制精度可達(dá)到1%（控制精度指反饋控制系統(tǒng)中最終的控制參數(shù)值與額定值的符合程度，即余差）。

2）很容易與PLC 等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制。

3）噪音低，節(jié)能，干凈，高剛性，抗沖擊力強(qiáng)，超長壽命，操作維護(hù)簡單。

4）電動(dòng)缸工作環(huán)境溫度較廣為-40～120 ℃，適于北方高寒、高冷地區(qū)作業(yè)使用。電動(dòng)缸可在惡劣環(huán)境下作業(yè)無故障，防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP66。

5）維護(hù)簡單方便，電動(dòng)缸在復(fù)雜的環(huán)境下工作只需要定期的注脂潤滑，并無易損件需要維護(hù)更換。

電動(dòng)缸跟液壓缸和氣缸相比，不需要液壓源和氣源，只要給普通的交流電，控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)就能控制電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)了?？蓪?shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能、干凈的優(yōu)點(diǎn)，所以電動(dòng)缸作為液壓缸和氣缸的替代產(chǎn)品，在電鏟登機(jī)梯系統(tǒng)中極具應(yīng)用推廣價(jià)值。

2.3 電動(dòng)缸的選型計(jì)算

電動(dòng)缸主要來承受沿推桿方向的軸向負(fù)載，可產(chǎn)生軸向的拉力和推力、對于徑向負(fù)載（即垂直于推桿方向的負(fù)載），承載較小，并且隨著推桿的伸出而降低。推桿全都伸出時(shí)，側(cè)向承載最小[6]。

式中：Fa為推桿最大推力，N；T 為輸入電機(jī)矩，N·m；L 為絲杠導(dǎo)程，m；A 為減速比；η 為傳動(dòng)效率，0.90～0.95。

登機(jī)梯通過電動(dòng)缸的推桿，軸向作用于登機(jī)梯一端的配重塊。通常設(shè)備平臺(tái)高處的電動(dòng)缸推桿推出最長時(shí)，推桿作用于配重塊的推力使登機(jī)梯保持在與電動(dòng)缸同一水平高度，此時(shí)登機(jī)梯電磁閥閉合，反饋到設(shè)備控制系統(tǒng)，設(shè)備可正常工作。相反，當(dāng)有工作人員等需要上下電鏟設(shè)備時(shí)，手動(dòng)操作電動(dòng)缸控制按鈕或拉線，電動(dòng)缸推桿收縮，作用于登機(jī)梯配重塊的力減小，登機(jī)梯依靠自重，梯子另一端緩慢下降，直至另一端降到地面，人員便可爬梯上下設(shè)備。此時(shí)登機(jī)梯電磁閥常開，電鏟設(shè)備不能進(jìn)行挖掘等作業(yè)。登機(jī)梯受力分析圖如圖1。

圖1 登機(jī)梯受力分析圖

圖1 中LAB為登機(jī)梯整體的力矩長度，m；A 為登機(jī)梯可升降一端，BC 端為登機(jī)梯配重端，電動(dòng)缸推桿推力F 作用于登機(jī)梯配重端BC，G 為登機(jī)梯自重[7]，N；O 為登機(jī)梯升降過程中移動(dòng)的重心，L1、L2為垂直地面方向的力臂長，m。

根據(jù)杠桿原理知：

設(shè)備登機(jī)梯質(zhì)量約為1.5 t，登機(jī)梯降到地面時(shí)，F(xiàn) 最大力為自重的1.5 倍，則杠桿推力F＞31 183.4 N 的電動(dòng)缸即可滿足要求。

3 氣缸系統(tǒng)和電動(dòng)缸系統(tǒng)對比

3.1 氣缸的工作原理

空氣系統(tǒng)控制氣缸圖如圖2，空壓機(jī)壓縮空氣，氣體經(jīng)過幾道過濾裝置，然后流到登機(jī)梯氣動(dòng)控制閥，通過拉繩閥或者手動(dòng)控制閥對登機(jī)梯氣動(dòng)閥作用，進(jìn)而控制登機(jī)梯的升降；梯子完全升起，梯子端的接觸鐵片與電子閥接觸，電磁閥吸合，反饋到控制系統(tǒng)，再經(jīng)過控制系統(tǒng)，梯子定位信號(hào)傳輸至駕駛室PC 端，駕駛室人員可以通過PC 端，直接獲取登機(jī)梯的停留狀態(tài)。電磁閥未吸合不工作，即為梯子未起到位或者梯子處于落地狀態(tài)。

圖2 空氣系統(tǒng)控制氣缸圖

3.2 電動(dòng)缸的工作原理

交流電源控制電動(dòng)缸圖如圖3，電鏟電路分流出來的220 V 電源連接到電機(jī)控制器，電機(jī)控制器直接控制電動(dòng)缸的伸縮動(dòng)作（電機(jī)控制器通過連接線路將開關(guān)接到拉繩和手動(dòng)控制閥），進(jìn)來控制登機(jī)梯的升降。梯子完全升起，梯子端的接觸鐵片與電子閥接觸，電磁閥吸合，反饋到控制系統(tǒng)，再經(jīng)過控制系統(tǒng)，梯子定位信號(hào)傳輸至駕駛室PC 端，駕駛室人員可以通過PC 端，直接獲取登機(jī)梯的停留狀態(tài)。電磁閥未吸合不工作，即為梯子未起到位或者梯子處于落地狀態(tài)。

3.3 氣缸和電動(dòng)缸的對比

1）電動(dòng)缸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理簡單。電動(dòng)缸工作時(shí)性能更加穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高精度定位，梯子不歸位現(xiàn)象將極大地降低。

圖3 交流電源控制電動(dòng)缸圖

2）電動(dòng)缸故障率低。氣缸系統(tǒng)冬季氣路堵塞的情況頻繁發(fā)生，設(shè)備故障率較大；而電動(dòng)缸系統(tǒng)可在較復(fù)雜、較惡劣的環(huán)境下作業(yè)，避免前者的情況，大幅度減輕和減少了冬季工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，降低了工作的重復(fù)性，提高了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。

3）電動(dòng)缸控制性能好。氣缸系統(tǒng)中氣缸活塞運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，在行程的末端將會(huì)猛烈撞擊氣缸的前后端蓋，氣缸內(nèi)有橡膠墊兒會(huì)起到一定緩沖作用，但是運(yùn)動(dòng)中的梯子沒有緩沖裝置，往往會(huì)猛烈撞向電鏟平臺(tái)，梯子限位電磁閥經(jīng)常被撞壞；而電動(dòng)缸通過微處理器實(shí)時(shí)檢測位置，精確控制其速度的大小。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到端部位置時(shí)迅速降低其運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)緩沖控制，避免撞擊現(xiàn)象發(fā)生。

4）電動(dòng)缸作業(yè)的安全性好。電動(dòng)缸后期維護(hù)簡單且成本較低，只需注脂潤滑；而空氣系統(tǒng)控制裝置得查看梯子氣動(dòng)閥的正常與否，及時(shí)排除氣動(dòng)閥內(nèi)的積水，查看整套裝置是否漏氣，工作量大，安全注意事項(xiàng)多，操作起來較為繁雜。相對的電動(dòng)缸系統(tǒng)能有效地改善現(xiàn)場電鏟設(shè)備維護(hù)作業(yè)的安全條件。

4 改造前后故障分析

安家?guī)X礦7 臺(tái)PH2800XPB 電鏟，進(jìn)入冬季，因登機(jī)梯氣缸裝置故障停機(jī)時(shí)間增多。登機(jī)梯系統(tǒng)改造前，登機(jī)梯氣缸裝置故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，將氣缸密封零部件老化漏氣，造成設(shè)備低氣壓、登機(jī)梯氣動(dòng)控制閥出來到氣缸的管路出現(xiàn)結(jié)冰，氣管堵塞有關(guān)的故障都統(tǒng)計(jì)為登機(jī)梯氣缸裝置故障。

登機(jī)梯控制系統(tǒng)為氣缸時(shí)故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表見表1，登機(jī)梯系統(tǒng)改造前登機(jī)梯控制系統(tǒng)為氣缸，故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)周期以2018 年11 月—2019 年4月，共計(jì)6 個(gè)月，每個(gè)月單獨(dú)跟蹤的平均每臺(tái)鏟登機(jī)梯氣缸裝置故障停機(jī)時(shí)間，每月以30 d 計(jì)算，然后通過跟蹤的平均每臺(tái)鏟登機(jī)梯氣缸裝置故障停機(jī)時(shí)間總和，得出月平均和天平均每臺(tái)鏟故障時(shí)間。

表1 登機(jī)梯控制系統(tǒng)為氣缸時(shí)故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

登機(jī)梯控制系統(tǒng)為電動(dòng)缸時(shí)故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表見表2，登機(jī)梯系統(tǒng)改造后登機(jī)梯控制系統(tǒng)為電動(dòng)缸，故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)周期以2019 年11 月—2020 年4 月，共計(jì)6 個(gè)月，每個(gè)月單獨(dú)跟蹤的平均每臺(tái)鏟登機(jī)梯氣缸裝置故障停機(jī)時(shí)間以30 d 計(jì)算，然后通過跟蹤的平均每臺(tái)鏟登機(jī)梯氣缸裝置故障停機(jī)時(shí)間總和，得出月平均和天平均每臺(tái)故障時(shí)間[8]。

表2 登機(jī)梯控制系統(tǒng)為電動(dòng)缸時(shí)故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

由表1 可以得出，按照每月30 d 計(jì)算，每臺(tái)鏟每天停機(jī)時(shí)間為3.5 h；由表2 可以得出，每臺(tái)鏟每天停機(jī)時(shí)間為0.5 h（30 min），可見改造后因登機(jī)梯動(dòng)力裝置停機(jī)時(shí)間縮短到原來的0.142，粗略估計(jì)每臺(tái)鏟創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益為4 萬元/d，每個(gè)月至少可多創(chuàng)造17.5 萬元，節(jié)省了維修成本的同時(shí)極大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

1）P&H2800XPB 電鏟登機(jī)梯控制系統(tǒng)改為電動(dòng)缸系統(tǒng)后，電鏟設(shè)備因登機(jī)梯系統(tǒng)引發(fā)的故障時(shí)間平均每天縮短3 h，可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及工作量。

2）通過改造電鏟登機(jī)梯控制系統(tǒng)，冬季因登機(jī)梯系統(tǒng)故障減少，隨之而來的生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，每月每臺(tái)電鏟可以多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益17.5 萬元，為企業(yè)的持續(xù)高效發(fā)展提供了有力保障。