礦用重型卡車電動輪和主發(fā)電機測試平臺改造分析

張 彪

（國家能源集團準能集團有限責任公司 設備維修中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

國家能源集團準能集團有限責任公司設備維修中心以前所承修的露天煤礦所有礦用卡車的電動輪均為直流電動輪，為柴油發(fā)動機-交流發(fā)電機-整流-直流電動輪驅動，電動輪和主發(fā)電機功率小，采用當初專門制作的測試平臺基本能滿足日常測試需求。后來由于露天煤礦的擴能，從特雷克斯購買了TEREXMT4400（236 t）、TEREX MT5500（320 t）型 的礦用重型卡車，新購買的礦用重型卡車不但驅動功率大幅增加，而且驅動方式，變成了柴油發(fā)動機-交流發(fā)電機-變頻器-交流電動輪驅動[1]。因此，需對原有電動輪和主發(fā)電機測試平臺進行了升級改造。

1 在用測試平臺需要改造的原因

1）原測試平臺設計的變壓器輸出功率偏小，以前的測試平臺輸出功率僅僅在500 kW，后來引進的新的電動卡車電動輪的功率達到1 500 kW，主發(fā)電機的功率達到3 000 kW[2]。

2）原測試平臺為直流調速系統(tǒng)，沒有設計交流測試系統(tǒng)，后來由于交流調速技術的進步，在電動輪變成交流電動輪后則無法進行測試。

3）測試平臺已經連續(xù)運行近20 年，各種電子電器元件已嚴重老化，無法輸出連續(xù)、平穩(wěn)的電壓電流，導致電動輪在運行時振動和噪音很大，在進行故障判斷是容易出現錯誤的判斷。

4）在進行測試時，要同時對轉速轉矩、振動、溫度、噪音等進行測試；原測試平臺只能輸出電樞和勵磁電壓電流，其他相關數據都采用輔助工具進行判斷，例如測試溫度需專門的測試儀，測試振動也是另外的振動測試儀等。

5）需要增加測試人員，原測試平臺測試時需要的測試人員不少于3 名（1 人操作，1 人進行監(jiān)管并記錄數據，1 人進行電機的轉速、溫度、振動等的手動檢測），并且在整個過程中，這幾個測試人員要不停的記錄，不停地測試調整各類參數。

2 測試平臺

2.1 平臺要求測試項目

1）空載測試。采用變頻電源供電，將電動輪內電機轉速調至40 r/min，運轉1 min 檢查機械裝配質量，無異音后調至100、200、400 r/min，各運轉1 min；無異常噪音及振動后調節(jié)至600～925 r/min 長時運轉。測試過程中測取電壓、電流和其他相關參數[3]。

2）負載測試。變頻器供電，測試數據計算機采集，電機在額定工況下加載運行，檢測電機運行時電參數、轉速、轉矩及振動、噪聲、溫升等參數，分析電機負載特性。

3）轉速轉矩測試。在電機空載、負載運行觀察中同步完成電機的轉速轉矩測試，利用平臺自帶的轉速轉矩傳感器檢查轉速信號，并由計算機采集[4]。

4）振動測試。利用振動傳感器檢測振動信號，并由計算機采集，在電機空載、負載及超速測試過程中同步完成傳動端與非傳動端軸承各方向振動測試，并進行譜分析，用于電機診斷。

5）溫度測量。在電機運行時，實時測量軸承溫升、機殼和繞組溫升。利用測試平臺的溫度傳感器及電動輪和主發(fā)電機自帶溫度傳感器，由計算機采集。

6）噪音測試。電機在空載穩(wěn)定運行狀態(tài)下，采用測試儀進行噪音測試，用于電機診斷，利用噪音傳感器檢測噪音信號，并由計算機采集。

2.2 測試平臺設計具體內容

電動輪和主發(fā)電機測試平臺采用2 套四象限矢量變頻系統(tǒng)形成能量閉環(huán)進行負載測試，同時由變頻系統(tǒng)提供空載可調電源，要求2 套四象限變頻系統(tǒng)可互換，不同被試品進行不同測試項目時測試電路可自動切換。測試過程中，由計算機自動采集被試電機各項運行數據，同時記錄、計算并分析數據，自動形成測試報表。外部電網經隔離變壓器變壓后為測試系統(tǒng)提供測試電源，測試時被試電機和陪試電機通過轉矩轉速傳感器連接，電動輪測試時變頻測試電源做電動運行拖動電動輪運行。發(fā)電機測試時，變頻測試電源和陪試電動機一起做電動運行，拖動發(fā)電機運轉，發(fā)電機測試時由勵磁電源提供勵磁[5]。

2.2.1 邏輯控制系統(tǒng)

1）變頻器的控制。變頻器通過Profibus 總線與PLC 進行通訊，PLC 對變頻器的啟動、測試運行參數設置、2 套變頻器的運行配合、停止等進行遠程控制與狀態(tài)監(jiān)控。

2）測試線路開關控制。測試線路控制包括各個智能斷路器及接觸器等開關的控制，根據不同的測試項目，閉合測試線路中的不同的開關，組成符合測試要求的電路。

3）保護功能。測試系統(tǒng)短路、過載、過壓以及缺相等硬件保護功能，和開關切換電路形成連鎖保護功能，可自動完成因測試電機缺陷而引起的過流、短路等故障保護。

4）現場警示控制。本測試系統(tǒng)在運轉時可能產生危險，為保障測試人員的安全，在測試設備區(qū)和測試區(qū)設置聲光報警器，測試開始后，自動報警，提示操作人員注意安全。

2.2.2 數據檢測系統(tǒng)

被試電機運行數據檢測系統(tǒng)由定制數采計算機＋智能儀器＋傳感器組成，采集數據為被試電機的電壓、電流、溫度、轉矩、轉速、振動、噪聲等參數[6]。所有數據均由數采計算機采集、記錄、運算及分析，形成結果數據后傳至主控計算機顯示并生成測試報表。數采計算機采集參數端口包括被試電動輪/主發(fā)電機的電壓傳感器和電流傳感器，陪試電機的電壓傳感器和電流傳感器，被試電動輪/主發(fā)電機轉速傳感器、振動傳感器溫度傳感器，噪聲傳感器[7]。

1）檢測傳感器。電量檢測由電壓傳感器、電流傳感器及數據采集卡配合實現，電量檢測包括被試電機電壓、電流、功率檢測，所有電量均由數據采集卡采集計算，上傳至計算機。

2）轉矩轉速檢測。選用旋轉式轉矩轉速傳感器，信號檢測采用數字化處理技術，不需調整零點，轉速轉矩信號進入數據采集卡進行分析計算，數據上傳至計算機。

3）振動檢測。選用定制振動加速度測量系統(tǒng)，振動傳感器尾部帶磁吸座，吸附在被試電機傳動端及非傳動端上，信號調理單元通過硬件直接將振動加速度信號積分為速度有效值信號，并輸出為標準電壓信號，進入高速采集模塊模擬量輸入通道，由軟件自動計算分析。

4）溫度測試。采用的溫度檢測傳感器是多通道智能型溫度傳感器，對所測試的溫度信號進行處理轉換后，以數據通訊的方式將溫度數據傳送到計算機進行數據的顯示和數據的存儲，并且同時可以根據溫度數據繪制溫度-時間曲線等。

5）噪音測試。選用噪聲傳感器+調理模塊檢測被試電機噪聲，采用測量范圍為28～135 dB，頻率范圍為20～20 kHz 的噪音傳感器；采用8 通道ICP 輸入的調理模塊，每通道模擬放大器，×1、×10、×100 檔通過IEEE 1394 a 連接線與計算機相連接。

3 改造后測試情況及經濟性分析

3.1 改造前后測試情況對比

在對露天煤礦重型礦用卡車電動輪和主發(fā)電機的測試要求進行理論分析和整體軟硬件搭建后，整個測試平臺在進行試車后所有功能均能滿足設計要求，能對所有大型電動輪和主發(fā)電機進行正常測試。在試運行一段時間后，發(fā)現測試平臺運行效果良好，能滿足目前露天煤礦所有礦用卡車電動輪和主發(fā)電機的空載測試、負載測試等測試要求[8]。測試平臺在改造前后結構方面和用途方面的不同主要體現在：

1）變壓器輸出功率。改造前輸出功率為500 kW；改造后輸出功率為3 000 kW。

2）輸出電源情況。改造前只有直流電源，包括勵磁電源和電樞電源，能滿足SF3102，630E，730E 卡車測試；改造后包括直流電源（勵磁電源和電樞電源），滿足SF3102，630E，730E 卡車測試；變頻調速交流電源滿足MT4400，MT5500 等卡車測試。

3）測試內容。改造前僅能進行電動輪的一般性測試和空載測試；主發(fā)電機的一般性測試；改造后進行所有電機包括直流電動輪、交流電動輪和主發(fā)電機的一般性測試、空載測試、負載測試。

4）其他測試方面。改造前進行轉速轉矩測試、溫度測試、振動測試、噪音測試等時必須采用人工另外增加測試設備設施進行；改造后進行轉矩轉速測試、溫度測試、振動測試、噪音測試等與負載測試同時進行，無需增加測試人員的工作量。

5）數據存儲與修改。改造前未與電腦等連接，無法進行數據存儲和打??；改造后可進行數據存儲，設置了數據修改權限，具有數據保密功能，并能對測試數據進行直接打印測試報告。

6）數據采集方式。改造前采用人工看儀器儀表進行；改造后采用高速數據采集器進行數據采集。

7）測試調速方面。改造前只能進行手動調速，需測試人員手動調速，精確度無法保證；改造后直接在電腦上進行精確設置，也可進行手動調速。

8）數據分析與計算。改造前人工進行分析計算；改造后能直接觀察測試過程中的各類波形，進行數據分析和數據計算。

9）測試人員人數。改造前測試時不少于4 人同時工作；改造后測試時只需要2 人同時工作。

3.2 測試平臺的經濟性分析

測試的內容包括在空載和負載情況下電壓、電流、噪音、抖動、轉速、轉矩等的變化來綜合確定其是否處于完好狀態(tài)[9]。在此過程中，能充分的發(fā)現電動機和主發(fā)電機由于裝配過程中出現的各類不合適或不到位的地方，也能在發(fā)現由于配件質量或者其他原因導致的運行狀態(tài)不佳的狀況，降低了電動輪和主發(fā)電機裝配到卡車上次出現故障的幾率。由于重型礦用卡車電動輪故障具有不確定性，因此無法針對某一臺或某幾臺電動輪進行對比，但是可以對某一型號所有的電動輪和主發(fā)電機在某一時段故障進行統(tǒng)計。將統(tǒng)計時間點分別放在2017 年和2019 年，因為2017 年和2019 年2 種測試平臺都進行過部分測試，而2017 年全年所有的MT 系列卡車電動輪和主發(fā)電機均為原測試平臺進行簡單檢測后直接上車測試。2019 年全年所有MT 系列卡車故障電動輪和主發(fā)電機均采用新的測試平臺進行測試。2017 年全年MT 系列卡車電動輪和主發(fā)電機情況見表1，2019年全年MT 系列卡車電動輪和主發(fā)電機情況見表2。

表1 2017 年全年MT 系列卡車電動輪和主發(fā)電機情況

表2 2019 年全年MT 系列卡車電動輪和主發(fā)電機情況

從表1 和表2 可以看出，2017 年電動輪和主發(fā)電機的故障分別為45 臺次和18 臺次，平均運行時間為9 800 h 和12 300 h；而2019 年維修的46 臺電動輪和主發(fā)電機故障分別為46 臺次和22 臺次，平均運行時間為11 200 h 和135 000 h。在平均上車運行時間上分別增加了1 400 h 和1 200 h。其次2017年電動輪和主發(fā)電機在上車24 h 內出現故障的臺數分別為4 臺和2 臺，但2019 年所維修的電動輪和主發(fā)電機沒有1 臺在24 h 內出現故障。上述情況說明：①經過空載測試和負載測試的MT 系列電動輪和主發(fā)電機運行小時數明顯增強，大概平均增加1/5 的運行時間；②24 h 以內出現故障的現象已經完全消除，使得運輸設備的運輸效益得到明顯提升。保證了所有經過維修出廠的電動輪和主發(fā)電機屬于合格產品。

經濟效益如下：

1）在卡車停機方面，按照卡車每年運行6 000 h，46 臺電動輪和20 臺主發(fā)電機每次維修后少運行1 200 h 左右，相當于每臺卡車電動輪和主發(fā)電機增加20%的維修工作量。每臺電動輪維修停機時間約為2 d 估算，相當于46 臺卡車，每臺卡車每兩年就要增加2 次維修停機時間，也就因為電動輪的原因，每年每臺卡車需增加2 d 的停機時間。

2）按照統(tǒng)計表格，員工的勞動量增加20%，配件成本消耗則主要是軸承等的消耗，每臺次維修成本按照5 萬元計算，電動輪和主發(fā)電機每年平均共計維修65 臺次，將直接增加成本材料配件成本325 萬元。

4 結語

首先抓住重型礦用卡車的電動輪及主發(fā)電機測試平臺需要測試的項目、測試要求等主題，提出了測試平臺的改造方案。其次該測試平臺利用了目前較先進的變頻控制系統(tǒng)，在各類電氣設備、配件、傳感器的選擇上進行分析，通過計算機控制整個測試過程，具有較高的自動化和智能化特性。最后對測試平臺改造前后測試效果分析，該平臺的改造是成功的，為重型礦用卡車電動輪和主發(fā)電機的測試提供依據。