JOY連采機(jī)和梭車電氣元件測試臺(tái)的研制

張蒙達(dá),常彥鵬,李 凱

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719315)

0 引言

JOY連采機(jī)和梭車電控系統(tǒng)為進(jìn)口系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能復(fù)雜,隨著設(shè)備服役年限的增長,各類電氣元件故障率逐步攀升[1-3]。同時(shí),進(jìn)口元件采購與到貨困難,且國產(chǎn)電氣元件開發(fā)成熟度低,缺少相應(yīng)的檢測設(shè)備和手段,這些因素導(dǎo)致在電控系統(tǒng)維修時(shí)存在很多阻礙。

神東煤炭設(shè)備維修中心一廠一部是進(jìn)口JOY連采機(jī)和梭車維修的主力,承擔(dān)著連采機(jī)與梭車大修的任務(wù)。在大修時(shí),需將整套電控系統(tǒng)拆解后對所有元器件進(jìn)行測試、篩選、更換后再重新組裝,經(jīng)調(diào)試、運(yùn)行和驗(yàn)收等步驟合格再出廠服役。受進(jìn)口元器件供貨周期、國內(nèi)檢測水平的影響,在維修過程中一般復(fù)用原進(jìn)口舊件或者使用國產(chǎn)替代件對損壞的元器件進(jìn)行維修,但舊件、國產(chǎn)元件的質(zhì)量以及與電控系統(tǒng)整體的兼容性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。在實(shí)際生產(chǎn)與運(yùn)行過程中,若電控系統(tǒng)發(fā)生故障,只能對電控箱等部件進(jìn)行應(yīng)急維修并在整機(jī)調(diào)試時(shí)隨機(jī)檢測,這種方式無法檢測出系統(tǒng)所有的故障,只能等系統(tǒng)出現(xiàn)故障后再維修[4-6]。這種維修、檢測模式不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停工從而影響企業(yè)正常生產(chǎn),同時(shí)還會(huì)再增加設(shè)備維修成本與礦井事故賠償費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅2020年設(shè)備調(diào)試與質(zhì)保內(nèi)返工維修次數(shù)已達(dá)115次、更換電氣元件35件,返工率達(dá)8%,由此額外支出的元件更換及人工成本達(dá)70多萬元。由此可見,提前對電氣元件進(jìn)行故障檢測、測試,提升電控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性十分必要。

1 測試臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求

為解決電氣元件在組裝前不能進(jìn)行測試的問題,重新設(shè)計(jì)、制造電氣元件測試臺(tái),搭建連采機(jī)和梭車的電氣通訊及控制回路以用于元件的單一或聯(lián)合測試,進(jìn)而提高整機(jī)組裝后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性,降低設(shè)備投產(chǎn)后電氣故障頻率。測試臺(tái)要求能夠模擬連采機(jī)和梭車實(shí)際工作環(huán)境,可對連采機(jī)和梭車的所有電氣元件進(jìn)行性能測試(包括關(guān)鍵元件的聯(lián)合測試);測試結(jié)果能通過顯示器或指示燈來顯示,便于操作人員迅速識(shí)別并處理故障信息;此外,測試臺(tái)供電電壓應(yīng)避免使用高壓電源,同時(shí)需預(yù)留元件安裝、拆卸的作業(yè)空間。

2 測試臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

2.1 電氣系統(tǒng)優(yōu)化

通過對2種設(shè)備的元件種類及數(shù)量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)除通用型控制元件外,還有25種可共用元器件(占總需檢測元件比例約36%),這部分元件的測試線路可整合在一起,連采機(jī)剩余30種、梭車剩余11種,電氣元件的測試線路需要單獨(dú)設(shè)計(jì)測試線路。由于連采機(jī)與梭車的電氣系統(tǒng)主控制程序不同,如果對2種設(shè)備的關(guān)鍵電氣元件分別搭建測試環(huán)境,會(huì)造成資源的浪費(fèi),若集成在一個(gè)測試臺(tái),實(shí)現(xiàn)難度較大。為滿足上述檢測需求,將變頻器測試回路、外部輔助控制回路等進(jìn)行重新整合優(yōu)化,采用一路AC380V供電,經(jīng)T2變壓器降壓至AC110V后分兩路電源分別給連采機(jī)測試回路和梭車測試回路供電。優(yōu)化后電氣系統(tǒng)如圖1所示,與優(yōu)化前對比,優(yōu)化后不僅系統(tǒng)更加簡單,同時(shí)節(jié)省了制造費(fèi)用。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的測試臺(tái)電氣系統(tǒng)示意Fig.1 Electrical system of test platform after optimization design

連采機(jī)測試區(qū)AC110V通過電源模塊PS1為設(shè)備提供DC24V電源,主要給程序功能模塊供電,另一路DC12V為角度傳感器提供電源。通訊及控制回路使用原機(jī)適用的變頻器、中央處理器及RIO模塊、智能傳感器、數(shù)字輸入輸出模塊、顯示裝置及Interbus通訊和Canbus通訊形成整個(gè)控制系統(tǒng),來模擬連采機(jī)的所有控制功能。測試時(shí),使用外接遙控器(原機(jī))控制整個(gè)系統(tǒng),模擬相關(guān)功能件的啟、停動(dòng)作。

梭車測試區(qū)AC110V通過電源模塊PS1為設(shè)備提供DC24V電源,主要給程序功能模塊供電,另一路DC12V為電流環(huán)供電。通訊及控制回路使用原機(jī)適用的變頻器、中央處理器及綜合保護(hù)器、顯示裝置和具有診斷功能的Canbus通訊網(wǎng)絡(luò)來形成整個(gè)控制系統(tǒng),同樣模擬梭車的所有控制功能。測試時(shí),通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)控制整個(gè)系統(tǒng),和模擬相關(guān)功能件的啟、停動(dòng)作。

所有測試信息通過顯示器所顯示的內(nèi)容或指示燈的點(diǎn)亮和熄滅,來判斷受測試元件功能的好壞。將多個(gè)受測元件同時(shí)接入測試臺(tái)上的接口,通過調(diào)節(jié)測試電壓來模擬過載、增加測試時(shí)間模擬井下作業(yè),觀察不同回路指示燈的狀態(tài),來測試它們之間互相影響的程度或可靠性,將有潛在質(zhì)量隱患的元件檢出,實(shí)現(xiàn)元件之間的互檢,最終達(dá)到電氣元件單檢或同時(shí)檢測的目標(biāo)。

2.2 顯示方式優(yōu)化

為監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),顯示元件測試結(jié)果,需優(yōu)化各檢測環(huán)節(jié)顯示方式。目前測試類設(shè)備常用的顯示方式有指示燈和工控顯示屏2種,針對其特點(diǎn)和顯示內(nèi)容進(jìn)行對比分析,結(jié)果見表1。

表1 顯示方式與需求難易程度對比

由表1可知,使用工控顯示屏實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)顯示功能優(yōu)勢明顯。但是,若采取工控顯示屏實(shí)現(xiàn)電源及信號(hào)指示,需要增加大量的傳感器,無形中增加了制造難度和成本,因此采用LED指示燈和工控顯示屏相結(jié)合的方式(電源及信號(hào)指示采用LED指示燈,控制流程、故障信息、測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果采用工控顯示屏)。

2.3 工作電壓的選擇

在滿足測試元件所需的電壓條件下,需保證操作人員的安全,使測試臺(tái)成為本質(zhì)安全型設(shè)備。若采用高壓AC1140V作為供電電壓,能夠保證2種設(shè)備的電壓等級(jí)相同,但由于測試臺(tái)不進(jìn)行電動(dòng)機(jī)測試無需要使用該等級(jí)電壓,故不采納此方案。所測電氣元件的供電電源包括AC110V、DC24V、DC12V這3種電壓,經(jīng)測試,使用低壓AC380V/220V作為供電電源進(jìn)行變壓即可。進(jìn)行變頻器測試時(shí),進(jìn)線電壓可采用AC1140V與AC380V,對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓即可。因此,綜合考慮成本投入和現(xiàn)有生產(chǎn)條件,采用AC380V電壓等級(jí)作為測試臺(tái)的供電電源。

2.4 負(fù)載及控制信號(hào)形式設(shè)計(jì)

對于負(fù)載反饋設(shè)計(jì),牽引負(fù)載能夠滿足測試變頻器的調(diào)速及通訊功能的前提下需盡量選擇小功率電機(jī);接觸器負(fù)載需能夠模擬設(shè)備的啟停信號(hào)且能夠滿足大電流反饋。對于信號(hào)反饋而言,應(yīng)能夠模擬設(shè)備上的操作手柄的同時(shí)還能模擬設(shè)備的常見故障狀態(tài)。

2.4.1 負(fù)載反饋

在進(jìn)行變頻器測試時(shí)需測試其調(diào)速及通訊性能,需采用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試,故采用AC380V/1.5kW電機(jī)作為牽引負(fù)載;對于接觸器的負(fù)載,本文選取了電機(jī)、LED燈泡、100W白熾燈進(jìn)行對比。若接觸器選擇電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載,會(huì)造成測試臺(tái)體積、重量、功率增加,增大了能耗及安全風(fēng)險(xiǎn),故不予采用。若采用LED燈泡作為負(fù)載,因其電流一般很小(10 mA左右),遠(yuǎn)低于實(shí)際工況下電機(jī)的工作電流,不能滿足測試系統(tǒng)正常運(yùn)行要求,故不予采用。若選擇100W白熾燈時(shí),電流可達(dá)0.45 A,經(jīng)過互感器放大后就能夠滿足系統(tǒng)要求的負(fù)載電流反饋值,因此選擇100W白熾燈作為反饋負(fù)載[7-9]。

2.4.2 信號(hào)反饋

設(shè)備的操作手柄通常有3個(gè)及以上的工作位置且具備自動(dòng)回位功能。鈕子開關(guān)為2個(gè)工作位置,每個(gè)位置最大有2個(gè)通斷點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)開關(guān)具備5到6個(gè)工作位置,每個(gè)位置有多個(gè)通斷點(diǎn),能夠更好地模擬操作手柄[10-11]。但故障反饋信號(hào)通常為一個(gè)開關(guān)量,用鈕子開關(guān)即可實(shí)現(xiàn),成本也相應(yīng)較低,故采用鈕子開關(guān)作為反饋信號(hào)的開關(guān)控制。

2.5 測試臺(tái)的搭建

為達(dá)成減小測試臺(tái)體積,將電氣高低壓控制區(qū)域隔離,實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)的要求,且保證內(nèi)部布局統(tǒng)一、簡潔美觀的目標(biāo),經(jīng)綜合考慮,測試臺(tái)外形尺寸為3.5 m×1.2 m×2 m,重1.5 t,移動(dòng)和運(yùn)輸較方便。此外,測試臺(tái)的電氣系統(tǒng)分隔成4個(gè)不同的區(qū)域,其分別為核心控制元件及通訊類元件(測試)區(qū)、動(dòng)力回路元件及執(zhí)行元件(測試)區(qū)、輔助控制回路(測試)區(qū)和顯示回路元件(測試)區(qū)。測試臺(tái)整體采用框架式、多層開放式結(jié)構(gòu),使用角鋼作為框架,鋪設(shè)鋼板隔層和防爆玻璃護(hù)罩進(jìn)行防護(hù)。測試臺(tái)各區(qū)域布置示例及面板設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 測試臺(tái)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design of test platform

3 測試臺(tái)效果驗(yàn)證

測試臺(tái)搭建完成,對在修連采機(jī)和梭車的電氣元件進(jìn)行單件和多件聯(lián)合測試(樣本選擇2021年9月至10月)。測試完成后的元器件進(jìn)行組裝,通過對投產(chǎn)后返工率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 返工率統(tǒng)計(jì)表

由表2可知,電氣元件經(jīng)過測試檢驗(yàn)后安裝至設(shè)備整機(jī)上,設(shè)備的返工率由8%降至2.40%,測試臺(tái)能夠有效降低返工率,很好地保障操作人員安全,其效果已達(dá)到預(yù)期要求。此外,測試臺(tái)能夠進(jìn)行連采機(jī)和梭車電氣元件的單一測試或聯(lián)合測試,其檢測結(jié)果準(zhǔn)確(故障件檢出率達(dá)100%)。經(jīng)測算,每年可降低元件支出費(fèi)用約45萬元,節(jié)省不必要的人工支出約32萬元/a,每年總計(jì)節(jié)約77萬元。

4 結(jié)論

(1)測試臺(tái)能夠完成連采機(jī)和梭車電氣元件的單一測試或聯(lián)合測試,可以滿足其設(shè)計(jì)要求且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2)測試臺(tái)提高了設(shè)備的大修質(zhì)量和設(shè)備出廠后的運(yùn)行穩(wěn)定性,延長了大修周期,間接提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,綜合經(jīng)濟(jì)效益良好。