斗輪堆取料機取料控制性能提升改造

劉兆陽 解慶功 張永寬 韓秀忠

日照港股份有限公司

1 引言

斗輪堆取料機(以下簡稱斗輪機)是現(xiàn)代化工業(yè)大宗散狀物料連續(xù)裝卸的高效設(shè)備，目前廣泛應(yīng)用于散料(礦石、煤、焦碳、砂石)存儲料場的堆取作業(yè)。斗輪的傳動方式一般有液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動或電機減速機驅(qū)動兩種。

某碼頭礦石系統(tǒng)現(xiàn)有8臺斗輪取料機，采用液壓驅(qū)動方式，擔負著堆場卸船堆料和裝車取料的任務(wù)。這8臺斗輪取料機由3個不同廠家設(shè)計生產(chǎn)，斗輪機構(gòu)均采用赫格隆的液壓驅(qū)動裝置，主要由電機、液壓泵、液壓馬達、閥類元件、油管、油箱、Spider控制器及輔助元件組成。由于投入使用時間跨度大，控制系統(tǒng)配置不統(tǒng)一，在實際取料作業(yè)過程中存在影響生產(chǎn)作業(yè)效率及損傷斗輪機構(gòu)關(guān)鍵部位的問題。

2 運行問題分析

(1)不同品牌斗輪機司機室操作臺斗輪啟停控制操作開關(guān)不統(tǒng)一，作業(yè)狀態(tài)下與系統(tǒng)流程的連鎖控制也不相同，操作司機在輪換設(shè)備時需要較長的時間來調(diào)整適應(yīng)，易出現(xiàn)操作失誤，從而影響生產(chǎn)。

(2)斗輪啟?？刂祈樞驔]有遵循赫格隆液壓驅(qū)動系統(tǒng)的啟?？刂埔蟆２徽_的啟停過程會對液壓系統(tǒng)內(nèi)部重要元件產(chǎn)生沖擊，引發(fā)管路爆裂等突發(fā)故障，降低關(guān)鍵部件的使用壽命。系統(tǒng)啟動時未充分沖洗主電機，即沖洗電機未能至少提前沖洗5 min。主油泵啟動時大流量輸出會將因重力下落的馬達柱塞快速頂出，導(dǎo)致馬達殼體壓力過高，造成馬達油封滲漏，甚至殼體碎裂，還會導(dǎo)致滾子與定子環(huán)碰撞損傷，降低馬達的使用壽命。系統(tǒng)停止時沖洗電機、主電機、液壓馬達同時停止，不符合赫格隆公司液壓馬達、主電機、沖洗電機依次停止的順序。

(3)系統(tǒng)連鎖不符合啟?？刂埔蟆Ａ鞒唐н\行信號同時連鎖控制沖洗電機、主電機、液壓馬達，懸臂皮帶、流程皮帶啟動后才能啟動斗輪機構(gòu)，操作司機在作業(yè)前只能在單動狀態(tài)下先啟動斗輪試車，待系統(tǒng)流程啟動后再轉(zhuǎn)換到連鎖狀態(tài)下二次啟動斗輪機構(gòu)，增加流程設(shè)備空轉(zhuǎn)時間，造成較大電能浪費；作業(yè)過程中流程皮帶一旦停止，將連鎖主電機、液壓馬達同時停止，液壓泵斜盤未回到零位，液壓泵停止和再次啟動時受液壓沖擊大，易造成油泵損壞。液壓馬達在斗輪轉(zhuǎn)動慣性作用下被倒拖，馬達出油口封閉，導(dǎo)致系統(tǒng)回油管路受高力沖擊，易發(fā)生管路爆裂故障。特別是重載急停時，系統(tǒng)壓力高達30 MPa，壓力沖擊造成馬達滾子與定子環(huán)發(fā)生碰撞損傷，降低潤滑效果，油溫升高，極大地降低了馬達的使用壽命。

(4)斗輪機在待機狀態(tài)時，斗輪油箱不能自動加熱保溫，尤其冬季氣溫低，赫格隆控制要求油溫一旦低于10℃，系統(tǒng)將保護鎖定不能啟動運轉(zhuǎn)，因油箱容量較大(600 L)、加熱升溫時間較長(加熱器功率為1 kW，油溫升高1℃需加熱43 min)，斗輪機不能及時投入作業(yè)，影響生產(chǎn)作業(yè)計劃的落實。

(5)司機在作業(yè)前單動狀態(tài)下長時間試車或作業(yè)結(jié)束后未及時停止斗輪電機，常出現(xiàn)斗輪主電機(250 kW)、沖洗電機(5.5 kW)長時間空轉(zhuǎn)浪費電能的現(xiàn)象。

(6)司機在取料過程中常由于回轉(zhuǎn)、行走動作加速過快造成取料的進給量過大，出現(xiàn)取料超載現(xiàn)象。超載的危害極大，壓力、電流的急劇上升會對液壓管路、電路、機械傳動產(chǎn)生較大沖擊，常伴隨發(fā)生斗輪油管、密封圈爆裂等突發(fā)停機故障，超載的頻繁發(fā)生會造成設(shè)備斗輪本體、回轉(zhuǎn)大齒圈、懸臂主梁鋼結(jié)構(gòu)等部位損傷。

3 優(yōu)化改造方案

3.1 優(yōu)化改造設(shè)計思路

針對8臺斗輪機存在的問題，嚴格按照赫格隆公司液壓驅(qū)動系統(tǒng)的控制過程要求進行研究，設(shè)計優(yōu)化方案如下：

(1)對液壓系統(tǒng)實現(xiàn)最佳保護，對斗輪控制與設(shè)備流程進行優(yōu)化，統(tǒng)一斗輪液壓系統(tǒng)操作按鈕開關(guān)和啟停操作順序。

(2)實現(xiàn)斗輪機在維修或待機斷電情況下，斗輪油箱加熱器能夠自動檢測加熱保溫，確保斗輪油箱溫度始終保持在正常運轉(zhuǎn)溫度。

(3)對斗輪電機長時間空轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行監(jiān)測，實現(xiàn)自動停止節(jié)能控制。

(4)設(shè)計開發(fā)一套超載在線檢測自動限制保護系統(tǒng)，在保證正常作業(yè)流量的前提下，從限制取料進給量源頭控制超載，對取料超載現(xiàn)象進行主動限制保護。

3.2 斗輪液壓驅(qū)動機構(gòu)電控優(yōu)化改造

3.2.1 操作臺按鈕開關(guān)統(tǒng)一

統(tǒng)一司機室操作臺操作按鈕，將原斗輪液壓馬達啟動、停止按鈕改為斗輪沖洗電機啟動、停止按鈕。

3.2.2 斗輪啟?？刂平y(tǒng)一

在斗輪啟動流程中，將沖洗電機與主電機分開單獨控制。系統(tǒng)啟動時，首先按下沖洗電機啟動按鈕，沖洗運轉(zhuǎn)5 min后才能連鎖主電機啟動，確保管路馬達油與油箱充分置換及將因重力下落的馬達柱塞緩慢頂出；再按下主電機啟動按鈕，待主電機啟動延時15 s，地面流程皮帶、懸臂皮帶啟動運轉(zhuǎn)后，液壓馬達才能啟動運轉(zhuǎn)。控制流程見圖1。

圖1 斗輪啟動流程優(yōu)化

在斗輪停止控制中，作業(yè)結(jié)束后皮帶連鎖停止斗輪馬達，或按下主電機停止按鈕，液壓馬達停止運轉(zhuǎn)；延時15 s后停止主電機，主電機停止延時20 s后才可以按下沖洗電機停止按鈕。同時在液壓馬達停止5 min后，將自動連鎖主電機停止運行，主電機停止20 min后自動連鎖沖洗電機停止?？刂屏鞒桃妶D2。

圖2 斗輪停止流程優(yōu)化

3.2.3 斗輪控制PLC程序優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化后的斗輪啟停最佳控制方案，對沖洗電機、主電機、液壓馬達啟動PLC控制程序進行優(yōu)化編寫[1-2](見圖3)。

圖3 斗輪控制PLC程序優(yōu)化

3.3 自動加熱和自動節(jié)能改造

自動加熱改造實現(xiàn)斗輪機維修或待機斷電情況下，斗輪油箱加熱器能自動檢測加熱保溫。將斗輪電加熱器供電電源統(tǒng)一由原主變壓器供電改為由副變壓器供電，實現(xiàn)主動力電斷電后電加熱器供電不間斷。將斗輪油箱加熱器PLC控制程序進行改造，使其不受斗輪零位、使能條件限制，并添加相應(yīng)斷路器檢索保護，實現(xiàn)控制電斷電后不影響自動加熱功能，確保油箱始終保持在正常運轉(zhuǎn)溫度(見圖4)。

圖4 斗輪油加熱器運行命令

自動節(jié)能改造將對斗輪電機長時間空轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行監(jiān)測，實現(xiàn)自動停止節(jié)能控制。針對作業(yè)前斗輪長時間試車和作業(yè)結(jié)束后主電機、沖洗電機不及時停止的問題，通過PLC控制程序的編寫，實現(xiàn)液壓馬達停止5 min后，將自動連鎖主電機停止運行；主電機停止后沖洗電機未及時斷電20 min后將自動連鎖停止，從而避免斗輪無操作指令主電機、沖洗電機長時間空轉(zhuǎn)浪費電能現(xiàn)象(見圖5)。

圖5 斗輪長時間無動作自動節(jié)能停止命令

3.4 斗輪取料超載檢測自動限制保護系統(tǒng)開發(fā)

設(shè)計開發(fā)的斗輪取料超載檢測自動限制保護系統(tǒng)由輕度超載檢測報警、中度超載檢測限制和嚴重超載檢測保護3部分組成。

3.4.1 輕度超載檢測報警

取料過程中當檢測到斗輪主電機電流值大于輕度超載設(shè)定值時，控制系統(tǒng)發(fā)出報警提示指令，司機室操作臺蜂鳴器將報警，提醒操作司機適當降低取料進給量，避免取料負荷繼續(xù)增加(見圖6)。

圖6 斗輪輕度超載檢測報警方案

3.4.2 中度超載檢測限制

當斗輪主電機電流值、皮帶秤流量值大于超載限制設(shè)定值時，控制系統(tǒng)會發(fā)出限制指令，對斗輪取料增加進給量的回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走機構(gòu)進行聯(lián)鎖限制，使斗輪在限制設(shè)定時間內(nèi)不能增加進給量以降低取料負荷；超過設(shè)定時間5 s后若檢測值小于限制設(shè)定值，系統(tǒng)將自動解除各機構(gòu)的限制指令，斗輪機恢復(fù)正常取料狀態(tài)。其中，中度超載檢測限制控制程序見圖7，回轉(zhuǎn)及行走機構(gòu)控制程序見圖8，超載限制延時控制程序見圖9。

圖9 斗輪取料超載限制延時命令

3.4.3 嚴重超載檢測保護

當司機在取料過程中遇到塌垛或相關(guān)進給量動作增加迅猛，導(dǎo)致斗輪主電機電流值急速上升，電流值大于重度超載設(shè)定值時，系統(tǒng)將發(fā)出保護指令，停止斗輪主電機運轉(zhuǎn)，提前避免斗輪憋斗(見圖10)。司機需要先后退大車，再按下操作臺斗輪啟動按鈕重新啟動斗輪。

圖10 嚴重超載斗輪保護命令

3.4.4 監(jiān)控記錄功能

為規(guī)范取料操作行為，加強對取料超載現(xiàn)象的監(jiān)管，在系統(tǒng)內(nèi)添加了取料超載檢測限制保護的計數(shù)功能，對超載現(xiàn)象進行記錄；對司機室觸摸屏程序進行升級完善，對檢測的超載現(xiàn)象在觸摸屏上實現(xiàn)記錄、提示和存儲。

4 結(jié)語

斗輪啟停順序優(yōu)化后，可避免因不正確的啟停順序而產(chǎn)生的故障及危害，從而降低對液壓馬達、液壓泵、液壓管路等元件的沖擊，延長其使用壽命。斗輪機構(gòu)控制與系統(tǒng)流程連鎖優(yōu)化后更符合實際作業(yè)工況，可使斗輪機與裝車流程啟動銜接更加緊密，從而減少裝車流程設(shè)備空轉(zhuǎn)時間，提高系統(tǒng)流程作業(yè)效率。斗輪油箱加熱器供電線路及控制程序改造，可實現(xiàn)斗輪油箱全天候不間斷自動加熱保溫，從而確保油箱油溫和馬達泄露油溫一直保持在15℃，隨時滿足斗輪啟動要求。新增的斗輪節(jié)能控制，可限制操作司機在單動狀態(tài)下長時間空載試車，或作業(yè)結(jié)束后斗輪驅(qū)動電機長時間空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而實現(xiàn)降低設(shè)備電耗的目標。斗輪取料超載自動限制保護系統(tǒng)的開發(fā)，充分利用了設(shè)備原有PLC控制系統(tǒng)功能，可解決斗輪機超載憋斗的問題，規(guī)范司機的取料操作行為，降低因嚴重超載對斗輪本體、回轉(zhuǎn)大齒圈、懸臂主梁等鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力破壞，使裝車作業(yè)更加連續(xù)和穩(wěn)定。