395BI 電鏟開(kāi)斗電氣系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化替代改造

項(xiàng) 偉

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦，核定生產(chǎn)能力為34 Mt/a，為我國(guó)單坑產(chǎn)量最大的露天煤礦之一[1]。395BI 電鏟作為黑岱溝露天煤礦巖石剝離設(shè)備，服役已近30 年，電氣變頻控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了一輪升級(jí)改造，所采用的開(kāi)斗電氣系統(tǒng)為直流控制系統(tǒng)，目前開(kāi)斗機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)口配件已經(jīng)停產(chǎn)，如果損壞則需單獨(dú)定制，而且價(jià)格昂貴，供貨期長(zhǎng)，對(duì)剝離生產(chǎn)影響很大。對(duì)395BI 電鏟電氣系統(tǒng)原理及開(kāi)斗機(jī)構(gòu)工作原理進(jìn)行分析，對(duì)開(kāi)斗電氣系統(tǒng)進(jìn)行整體改造，采用國(guó)產(chǎn)配件替代進(jìn)口產(chǎn)品，使電氣老化和配件不足的影響降低，滿足生產(chǎn)需要。

1 黑岱溝露天煤礦采掘設(shè)備

黑岱溝露天煤礦煤巖采掘剝離所選用的大型設(shè)備屬于當(dāng)今露天采礦業(yè)中最先進(jìn)的采礦設(shè)備，主要采掘設(shè)備有美國(guó)BE 公司生產(chǎn)的8750-60 型吊斗鏟1 臺(tái)、395BI 型電鏟6 臺(tái)、美國(guó)P&H 公司生產(chǎn)的2800XPB 電鏟1 臺(tái)、太原重工生產(chǎn)的WK-20 電鏟1臺(tái)、WK-35 電鏟3 臺(tái)、WK-55 型電鏟5 臺(tái)。

2 395BI 電鏟電氣原理

1）電鏟結(jié)構(gòu)。395BI 電鏟是我國(guó)20 世紀(jì)90 年代引進(jìn)的，由美國(guó)BE 公司設(shè)計(jì)制造的32 m3級(jí)電鏟，電鏟電氣部分由高壓柜、主變壓器、輔助變壓器、不間斷電源電機(jī)、提升電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、推壓電機(jī)、行走電機(jī)、開(kāi)斗電機(jī)、各部電機(jī)通風(fēng)機(jī)、各部變頻控制器以及潤(rùn)滑系統(tǒng)組成。

2）變頻系統(tǒng)構(gòu)成。395BI 電鏟的變頻部分采用西門(mén)子的SIMADYN-D[2]系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用PLC 系統(tǒng)，整流器功率元件采用晶閘管；工作時(shí)由外部提供6 000 V 交流電，經(jīng)高壓柜和變壓器轉(zhuǎn)為660 V 交流電，調(diào)速系統(tǒng)采用可控硅整流回饋單元、公共直流母線，逆變部分功率元件均采用GTO。由于GTO 采購(gòu)困難，購(gòu)買(mǎi)價(jià)格高昂，2007 年美國(guó)比塞洛斯公司對(duì)395BI 電鏟的逆變器部分進(jìn)行了改造升級(jí)，將功率元件由GTO 模塊升級(jí)為IGBT[3]模塊，加裝了光電轉(zhuǎn)換板，以及配套電源和光纜，調(diào)整了部分控制參數(shù)。該系統(tǒng)進(jìn)線電源經(jīng)三相橋式全控整流電路轉(zhuǎn)變成直流電，經(jīng)電容濾波后送入公共直流母線[4]，然后經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電驅(qū)動(dòng)提升、推壓、回轉(zhuǎn)和行走各部交流電動(dòng)機(jī)完成挖掘巖石、裝車(chē)及行走等電鏟的各項(xiàng)功能。調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)控制器輸出信號(hào)控制逆變器不斷地改變輸出頻率來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過(guò)大量的直流母線電容來(lái)調(diào)節(jié)母線電壓。當(dāng)某工作機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)工作時(shí)，逆變器將再生制動(dòng)能量反饋到公共直流母線上，可供其他工作機(jī)構(gòu)使用，使能量得到充分利用，使用不完的能量通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉。

3）PLC 控制系統(tǒng)。395BI 電鏟的主控制部分采用PLC 控制技術(shù)。PLC 控制系統(tǒng)由1 個(gè)西門(mén)子S7-400做主站，14 個(gè)ET-200 做從站，采用Profibus-DP 通訊。如潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、限位開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)，主令控制器的給定信號(hào)由各分站通過(guò)Profibus-DP 傳輸給PLC，PLC 通過(guò)模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數(shù)字量輸入模塊DI、數(shù)字量輸出模塊DO 以及CPU 模塊、通訊模塊共同計(jì)算、傳輸、給定控制電鏟各部的動(dòng)作，如啟停、制動(dòng)器開(kāi)閉、操作信號(hào)給定、潤(rùn)滑周期設(shè)定、提升推壓位置信號(hào)檢測(cè)和鏟斗開(kāi)門(mén)控制等。

4）國(guó)產(chǎn)化替代原因。由于395BI 電鏟已服役25年，且實(shí)行24 h 工作制，設(shè)備長(zhǎng)期處于粉塵、高溫、震動(dòng)的惡劣環(huán)境下，目前老化嚴(yán)重。2016 年、2018 年對(duì)2 臺(tái)395BI 電鏟進(jìn)行了電氣系統(tǒng)整機(jī)國(guó)產(chǎn)化改造，除各部電動(dòng)機(jī)及開(kāi)斗系統(tǒng)外，其余動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)全部進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造，項(xiàng)目完成后，電氣控制系統(tǒng)故障明顯降低，開(kāi)斗電氣故障成了影響設(shè)備正常生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，但由于395BI 電鏟是進(jìn)口設(shè)備，原機(jī)配置的開(kāi)斗電氣系統(tǒng)配件大部分已經(jīng)停產(chǎn)，采購(gòu)時(shí)需要和國(guó)外廠家定制生產(chǎn)，不僅采購(gòu)周期長(zhǎng)達(dá)2 年，而且價(jià)格比停產(chǎn)前翻了10 余倍，造成設(shè)備經(jīng)常停機(jī)待件，且維修成本大量增加，為了解決這種情況，分析395BI 電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)機(jī)械工作原理，制定了以交流控制系統(tǒng)+交流電動(dòng)機(jī)執(zhí)行的國(guó)產(chǎn)化替代方案，對(duì)2臺(tái)395BI 電鏟開(kāi)斗電氣系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造。

3 395BI 電鏟采掘運(yùn)行及開(kāi)斗方式

1）電鏟采掘機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式。395BI 電鏟的采掘方式采用的是正向采掘，采掘動(dòng)作由提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)和開(kāi)斗系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)完成。電鏟工作時(shí)氣路系統(tǒng)打開(kāi)制動(dòng)器，通過(guò)主令控制器先把提升鋼絲繩下放，同時(shí)推壓機(jī)構(gòu)把鏟桿推向工作面，固定在鏟桿上的鏟斗在提升機(jī)構(gòu)上提和推壓機(jī)構(gòu)推出產(chǎn)生的推力作用下切入巖層，裝滿物料后，提升機(jī)構(gòu)上提，然后通過(guò)回拉推壓鏟桿離開(kāi)采掘工作面，鏟斗在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用下轉(zhuǎn)至礦用卡車(chē)上方進(jìn)行卸貨，卸貨完畢后重復(fù)上述動(dòng)作進(jìn)行第2 輪挖掘。

2）開(kāi)斗系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式。當(dāng)395BI 電鏟處于啟機(jī)狀態(tài)時(shí)，斗門(mén)利用重力將斗栓插入斗下體銷(xiāo)孔內(nèi)，使鏟斗底部封閉，開(kāi)斗系統(tǒng)中的開(kāi)斗電機(jī)輸出一個(gè)較小的轉(zhuǎn)矩反卷開(kāi)斗鋼絲繩，使開(kāi)斗鋼絲繩處于拉緊而不至于拽動(dòng)開(kāi)斗橫梁的狀態(tài)。需要卸料時(shí)，通過(guò)主令控制器給出開(kāi)斗指令，開(kāi)斗電機(jī)工作，卷拉鋼絲繩，鋼絲繩經(jīng)過(guò)開(kāi)斗定滑輪，開(kāi)斗動(dòng)滑輪，拽拉開(kāi)斗橫梁，通過(guò)杠桿原理，提起斗栓，把物料傾瀉至卡車(chē)箱斗，在工作中，開(kāi)斗系統(tǒng)時(shí)刻處于工作狀態(tài)，提供適當(dāng)?shù)睦o力矩和開(kāi)斗力矩。

4 395BI 電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)

4.1 開(kāi)斗系統(tǒng)組件

1）電氣系統(tǒng)構(gòu)成。MCC 供電電源、開(kāi)斗變壓器、開(kāi)斗整流器、開(kāi)斗電阻、開(kāi)斗接觸器、開(kāi)斗直流電機(jī)、主令控制器和PLC 組件等構(gòu)成。

2）機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成[5]。開(kāi)斗減速箱，開(kāi)斗定滑輪，開(kāi)斗動(dòng)滑輪，開(kāi)斗鋼絲繩、C 型鐵、開(kāi)斗橫梁、斗栓、斗栓插孔。

3）電源部分。395BI 電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)的供電電源由輔助變壓器提供，將交流400 V 外部電源供電接入MCC 柜，供給輔助電源總斷路器，斷路器下端接入開(kāi)斗斷路器DTB 和交流接觸器DXC，DXC 輸出段引入開(kāi)斗變壓器DTT，開(kāi)斗變壓器將交流400 V 變?yōu)榻涣?90 V，190 V 交流輸入全波整流電路，全波整流電路輸出直流240 V，供給開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)使用。

4）開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)。395BI 電鏟開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)采用直流積復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組由串勵(lì)繞組和并勵(lì)繞組構(gòu)成，兩者產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同向增強(qiáng)的，在額定運(yùn)行時(shí)，并勵(lì)磁場(chǎng)占30%，串勵(lì)磁場(chǎng)占70%，負(fù)載輕時(shí)電樞電流較小，磁場(chǎng)主要由并勵(lì)繞組產(chǎn)生，磁場(chǎng)較弱，因此同樣的電樞電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速比較高，輸出轉(zhuǎn)矩較小；而在重載情況下，電樞電流較大，串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)加強(qiáng)，并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)不變，輸出轉(zhuǎn)矩加大，因此，積復(fù)勵(lì)電機(jī)融合了串勵(lì)電機(jī)低速時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，輕載時(shí)高速運(yùn)行的特點(diǎn)，又避免了輕載高速飛車(chē)的可能，以上特性符合自卷鋼絲繩和開(kāi)斗卸貨的需求。

5）開(kāi)斗電阻。395BI 開(kāi)斗電阻由3 組6 個(gè)電阻構(gòu)成，第1 組由RE10-1 和RE10-2 構(gòu)成，R1為14.625 Ω；第2 組由RE10-2、RE10-3、RE10-4、RE10-5 構(gòu)成，R2為37.688 Ω；第3 組由RE10-5、RE10-6 組成，R3為0.688 Ω。395BI 電鏟啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)斗系統(tǒng)串入電阻，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)自卷，拉緊開(kāi)斗鋼絲繩，司機(jī)操作主令控制器給定開(kāi)斗信號(hào)時(shí)，切除部分開(kāi)斗電阻，電流增加，磁場(chǎng)增強(qiáng)，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)大扭矩拉動(dòng)開(kāi)斗鋼絲繩，完成開(kāi)斗動(dòng)作。

6）PLC 邏輯控制。395BI 電鏟啟動(dòng)時(shí)，PLC 給出指令，使DXC 接觸器吸合，DXC 主回路供電給開(kāi)斗變壓器DTT，開(kāi)斗變壓器DTT 變壓后輸出交流190 V，供給全波整流電路，全波整流電路輸出直流240 V供給開(kāi)斗電機(jī)，開(kāi)斗電機(jī)自卷，張緊開(kāi)斗鋼絲繩，卸貨裝車(chē)時(shí)由司機(jī)操作主令控制器，主令控制器給出信號(hào)傳送至PLC 輸入模塊，輸出模塊輸出信號(hào)到開(kāi)斗接觸器，接觸器吸合，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)開(kāi)斗鋼絲繩拖動(dòng)開(kāi)斗橫梁，撬動(dòng)斗栓使斗門(mén)打開(kāi)。

4.2 開(kāi)斗電氣系統(tǒng)故障

開(kāi)斗電氣故障主要表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)不工作、開(kāi)斗不自卷、自卷但給主令無(wú)動(dòng)作。故障原因包括碳刷異常磨損、刷架變形、刷辮短路、斷路、接地；換向器整流子磨損、不同軸；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子升高片開(kāi)焊；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接地、匝間短路；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接地、匝間短路；開(kāi)斗電阻因長(zhǎng)期大電流，導(dǎo)致電阻片熔斷[6]；開(kāi)斗接觸器損壞；主令控制器損壞；開(kāi)斗斷路器損壞；全波整流電路故障等。

5 395BI 電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)改造方案

5.1 電動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化替代

電鏟開(kāi)斗系統(tǒng)，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)小力矩自卷拉動(dòng)開(kāi)斗鋼絲繩，使開(kāi)斗鋼絲繩繃緊；開(kāi)斗時(shí)開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)大力矩拉動(dòng)開(kāi)斗鋼絲繩，使開(kāi)斗鋼絲繩帶動(dòng)開(kāi)斗橫梁、開(kāi)斗方銷(xiāo)打開(kāi)電鏟斗門(mén)。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的工作原理就是改變轉(zhuǎn)子繞組的電阻，以改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩[7]。定子直接接在三相交流電源上，而轉(zhuǎn)子繞組一般串聯(lián)上一定阻值的可變電阻上。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可變電阻的阻值為最大值，啟動(dòng)電流小，力矩??；在啟動(dòng)完成后，通過(guò)調(diào)節(jié)該阻值，可變電阻的阻值為最小值，啟動(dòng)電流大，力矩大。繞線型異步電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)性能好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，啟動(dòng)電流小的優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)繞線式異步電動(dòng)機(jī)的特性選用：永濟(jì)電氣有限公司生產(chǎn)的KDDJ-4-15 型，11 kW 三相380 V 交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)斗動(dòng)作。開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)的安裝位置與原來(lái)395BI 開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)安裝位置一致。

5.2 開(kāi)斗電阻國(guó)產(chǎn)化替代

繞線式異步電動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)子串電阻使用，配套電機(jī)功率選用永濟(jì)電氣有限公司生產(chǎn)的KZZ01 型開(kāi)斗電阻箱[8]：?jiǎn)?dòng)自卷時(shí)轉(zhuǎn)子串入大電阻，使用小力矩9 N·m，繃?yán)K力矩過(guò)小可以調(diào)整為10 N·m 或者12 N·m；電機(jī)開(kāi)斗時(shí)轉(zhuǎn)子串入小電阻，使用大力矩230 N·m，斗門(mén)不容易打開(kāi)時(shí)，可以調(diào)整為251、273、295 N·m。由于395BI 電鏟機(jī)械室空間限制，開(kāi)斗電阻箱安裝于395BI 電鏟機(jī)棚頂，靠近左前照明探照燈處。

5.3 主電路改造

為了配合繞線式電動(dòng)機(jī)的工作，需要對(duì)主回路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、配置：在開(kāi)斗斷路器DTB 下端接入接觸器DXC、接觸器DTC 上端。DXC 自卷接觸器下端布入1 根3×10 mm2的電纜，接入KZZ01 開(kāi)斗電阻箱，接入電阻箱7、8、9 端子，繃?yán)K轉(zhuǎn)矩為9 N·m；輸出端布入1 根3×10 mm2的電纜串入開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路。DTC 開(kāi)斗接觸器下端布入1 根3×10 mm2的電纜，接入KZZ01 開(kāi)斗電阻箱，接入電阻箱19、20、21 端子，開(kāi)斗轉(zhuǎn)矩為230 N·m，開(kāi)斗電阻為3.3 Ω，輸出端布入1 根3×10 mm2的電纜接入開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)。

電鏟啟動(dòng)后，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)接觸器DXC 吸合，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接入電阻60 Ω（R053，S053，T053）拉緊開(kāi)斗鋼絲繩，電機(jī)產(chǎn)生較小的力矩使開(kāi)斗鋼絲繩繃緊又不至于拉動(dòng)開(kāi)斗橫梁。司機(jī)操作主令控制器給定開(kāi)斗信號(hào)時(shí)，DTC 接觸器吸合，將部分電阻短接，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接入3.3 Ω 電阻（R054-4、S054-4、T054-4），大力矩拉動(dòng)開(kāi)斗鋼絲繩，拉動(dòng)開(kāi)斗橫梁，提起斗栓使斗門(mén)打開(kāi)。司機(jī)釋放主令控制器給定信號(hào)，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)DTC 接觸器斷開(kāi)，開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子重新接入60 Ω（R053，S053，T053）電阻，使開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)開(kāi)斗鋼絲繩重新自卷。

395BI 電鏟原控制系統(tǒng)只有斷路器DTB 可以使用，因MCC 柜空間限制，在MCC 柜側(cè)方機(jī)棚壁板上重新固定安裝1 個(gè)小的配電箱，新選裝的DXC 接觸器、DTC 接觸器、熱過(guò)載繼電器安裝在內(nèi)。

5.4 395BI 開(kāi)斗機(jī)構(gòu)控制電路改造

395BI 開(kāi)斗電氣控制系統(tǒng)中主令控制器和PLC組件、PLC 程序邏輯與太重WK 系列電鏟開(kāi)斗電氣控制系統(tǒng)原理一樣，所以主令控制器與PLC 組件、PLC 程序不需要改動(dòng)。因?yàn)镻LC 的輸出是交流110 V 電源，現(xiàn)有接觸器線圈是交流220 V 無(wú)法直接使用，應(yīng)用中間繼電器的特性，用PLC 控制中間繼電器，中間繼電器的常開(kāi)常閉觸點(diǎn)外接入220 V 交流電壓控制開(kāi)斗控制系統(tǒng)接觸器的吸合斷開(kāi)。395BI開(kāi)斗系統(tǒng)機(jī)械方面只需要更換與開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)配套的開(kāi)斗卷筒，通過(guò)聯(lián)軸器與開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)硬連接。

6 經(jīng)濟(jì)效益

2020 年初對(duì)黑岱溝露天煤礦5#395BI、6#395B 電鏟直流開(kāi)斗系統(tǒng)進(jìn)行了改造，施工工期5 d，改造完成后至2020 年11 月，電鏟未發(fā)生開(kāi)斗系統(tǒng)電氣故障，出動(dòng)率大為提高，開(kāi)斗鋼絲繩使用壽命由原來(lái)的10 d/根延長(zhǎng)到20 d/根，年節(jié)約成本6 萬(wàn)元，開(kāi)斗電機(jī)后期更換成本由原來(lái)的21 萬(wàn)元降至6 萬(wàn)元，使用壽命從1 臺(tái)/年延長(zhǎng)為1 臺(tái)/5 年，而且國(guó)產(chǎn)配件采購(gòu)周期僅為3 個(gè)月，僅此1 項(xiàng)2 臺(tái)電鏟每年節(jié)約成本約40 萬(wàn)元。

7 結(jié)語(yǔ)

395BI 型電鏟作為黑岱溝露天煤礦剝離主采設(shè)備之一，雖然服役年限較長(zhǎng)，但通過(guò)不斷的技術(shù)改造、升級(jí)優(yōu)化，仍然可以發(fā)揮較高的效能。通過(guò)本次2 臺(tái)電鏟開(kāi)斗電氣驅(qū)動(dòng)部分由直流改為交流，極大地減少了電氣故障的發(fā)生率，同時(shí)消除了進(jìn)口配件的制約，對(duì)老舊進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化替代改造意義重大。