電鏟電氣設備的安全監測系統的完善與檢修分析

楊銳

（國家能源集團神華準格爾能源有限責任公司設備維修中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

無論露天煤礦開采作業推進到哪一個階段，安全都被擺在所有工作的首要位置。只有不斷完善電鏟的安全性監管，提高運行的穩定性和可靠性，才能在最大程度上防止安全問題的出現和事故的發生。電鏟作為一種主要露天采掘設備，其具有工況惡劣、操作環境復雜、控制環節和控制系統繁復等特性，電鏟的運行控制環節和生產作業環節的整個運轉流程中包含許多安全風險，在實際作業中也發生過各種險情和突發事故，因此電鏟的電氣安全監測系統的完善問題就受到了社會和企業的高度關注。那么根據實際情況，對于一些無法從技術上根本消除的風險和問題，可以用合理改進電氣控制系統以達到對已知風險和問題進行防范和預警，在風險與事故發生前將問題解決。

一、電鏟電氣設備系統基本情況介紹

電鏟是一種電驅動正采式挖掘機，主流電鏟電氣系統采用了交流變頻技術。目前的矢量變頻器采用了電機直接控制理論。中央控制單元已經完全實現了數字化，功率元件也由GTO發展至IGBT，以西門子公司產品為例，這類變頻器自推廣以來已有十年時間，這么長的時間內，對于變頻器來講已相當成熟。同時礦山電鏟也反映出新一代變頻器是非常可靠的。因此，新一代矢量型變頻器是完全可以用到挖掘機上的。挖掘機的變頻調速電氣系統為“上位人機界面+PLC現場總線+AFE變頻傳動”組成的三級控制系統。上位人機界面監控整機的運行狀態及故障信息，實現運行狀態模擬現實與故障自診斷；PLC通過PROFIBUS DP現場總線與AFE整流回饋單元、各機構逆變器、司機室控制等連接，實現分布式控制；AFE整流回饋單元通過公用直流母線與各機構逆變器相連，實現對各機構變頻電動機轉矩與速度的精準控制。

二、目前電鏟安全監測方面存在的問題與解決方案

（一）電鏟發生電氣故障時鏟斗掉落和回轉角度過大引申出來的問題

在以往的電鏟運行使用過程中，一旦電鏟電氣系統或者供電系統出現問題，引起電鏟電氣控制系統故障，導致變頻驅動部分跳機，這時候正在處于裝載狀態的電鏟鏟斗，由于鏟斗自身加上其裝載的物料所包含的巨大重量，使鏟斗具備很大的慣性，在電鏟做出提升、下放或回轉時發生鏟斗掉落或者回轉角度過大的問題。如果不能在短距離內停止動作則會對處于作業半徑內的卡車造成損壞，甚至對卡車司機造成人身傷害。在實際作業中確實出現過鏟斗將卡車箱斗砸壞，鏟斗斗齒將卡車輪胎劃爆，更為嚴重的是鏟斗直接與卡車駕駛室相撞。這類事故每次都造成卡車損壞甚至人身傷害，面對這些安全問題我們應該從技術角度出發找出其原因，或者通過完善電氣監測系統以做出提前預警，從而避免事故發生。

這類事故發生時電鏟工作過程如下：當變頻驅動部分跳機時，電鏟電機失去驅動電流，電機抱閘空氣壓力由快排閥釋放，電機抱閘抱死。那么鏟斗的行程就和它的初速度、重量大小成正比，與抱閘摩擦力大小成反比。假設電鏟在額定速度，鏟斗在滿載的極限狀態下，這時抱閘的滑動摩擦力在縮短鏟斗行程距離時就起到了決定性作用，滑動摩擦力的大小計算公式為f =μN ，式中的μ叫動摩擦因數，也叫滑動摩擦系數，它只跟材料、接觸面粗糙程度有關，注意跟接觸面積無關；N為正壓力，抱閘產生的摩擦力和抱閘盤的正壓力成正比例，所以影響鏟斗行程距離的主要因素在摩擦盤的正壓力上。通常情況下新更換的抱閘摩擦盤是不會發生行程過長的問題，因為抱閘盤可以提供足夠的正壓力，但是使用一段時間后抱閘盤存在一定的磨損，就不能提供可靠的正壓力了，因此就造成了電鏟鏟斗行程過長的問題。抱閘盤具體磨損到什么程度，能否正常工作，通過肉眼會很難鑒定，當磨損過限時就會發生上面提到的掉鏟斗，撞大車等嚴重事故。這時抱閘磨損檢測系統就起到了關鍵的預警作用，抱閘磨損檢測系統主要工作原理為在電鏟的各部抱閘摩擦盤上安裝行程開關，將行程開關常閉點開關量編輯進入PLC程序，再通過運算將報警信號顯示在司機室操作屏上。抱閘摩擦盤在正常磨損范圍內時摩擦片與行程開關正常接觸，保證開關常閉點不斷開；當抱閘摩擦盤超過磨損上限時摩擦片變薄則無法接觸到行程開關，開關內常閉點斷開，PLC程序就會讀取信號，這時司機就會在操作屏上看到相關報警提示，從而提醒更換摩擦盤，這樣就避免了相應事故的發生。

（二）電鏟工作中俯仰角度過大引發的問題

電鏟是一種大噸位采掘設備，重達1100多噸，其回轉平臺和底架梁靠中心軸連接，輔助回轉托輥完成轉動和支撐動作，電鏟百分之八十的重量全靠它們承載，因此電鏟設計上規定電鏟工作的俯仰角度不能超過5°，這種要求是對中心軸和回轉托輥的一種保護，同時也是對電氣系統的一種保護。如果電鏟處于大角度作業環境，在進行回轉作業時會對中心軸造成很大的磨損，對行走減速機構造成巨大的沖擊，可能損壞行走減速機構的部件，引發大型機械故障；電鏟在這種大角度挖掘過程中，由于工作環境角度過大，會出現電鏟在額定速度進行回轉作業時造成回轉過載，導致故障停機從而產生問題1中所述的回轉角度過得大問題，造成采掘或運輸設備的損壞，甚至造成人身傷害。

由于電鏟沒有可以測量傾斜角度的設備，所以實際工作中全靠司機的感覺，這就造成了有時起坡作業后發現角度過大，導致電氣故障頻發，在實際作業時也因此發生過安全事故。

由于回轉平臺是整個電鏟的中心位置，因此在回轉平臺中安裝水平和俯仰兩個方向的平衡監測裝置。

將兩個平衡儀的參數傳到距離中心最近的PLC機站，再通過程序運算將畫面顯示在司機室顯示屏，司機起坡作業時可以隨時查看電鏟的偏轉狀態，實時監控電鏟作業環境的角度，從而保證電鏟起坡作業時的安全性。

三、電鏟安全裝置的檢修

電鏟安全監測裝置的可靠運行是保證電鏟完好和相關人員安全的有力保障。因此必須制定合理的檢修措施，用以保障安全監測裝置的完好性和可靠性。下面介紹電鏟安全監測裝置三級檢修的相關管理辦法：

（一）第一級為安全監管人員或部門

安全監管人員或部門負責定期對安全監測裝置的功能進行現場實動檢測，將存在問題和隱患的裝置進行通報。這中間涉及到什么時間進行實動檢測和測試結果達到什么狀態則為合格的定時和定性的問題。

首先根據現場實際運行狀態，把時間界定在安全裝置具備保障能力的臨界值之前，同時根據安全保障裝置設計使用壽命做出合理制定，引入安全監測裝置測試時間計算公式：C=（T-DT/N）×90%；式中的T是設計使用時間，式中的N是理論動作次數，式中的D是電氣故障裝置實際發生次數，這里保證臨界值提前余量為10%。定性即安全裝置是否在可以保障電鏟安全作業的范圍。需要根據生產實際和工作狀態對配件壽命和電鏟反應現象進行定時間、定長度、定頻率等等的實動測試，從而有效的反映出安全裝置所處的狀態。例如：電鏟發生電氣故障時鏟斗掉落和回轉角度過大這個問題中，根據設備綜合情況制定鏟斗空載額定速度下放狀態下鏟斗掉落0.5米就是有效長度極值；回轉角度大于60°就是極限角度。實動測試如果達到或者超出則需對電機抱閘摩擦盤進行調整或者更換。第二將現場實動檢測結果傳達到相關部門并進行跟蹤。第三根據檢修結果進行記錄并制定開展下一輪現場實動檢測工作。

（二）第二級為技術人員或部門

根據安全裝置所需組件，以及其消耗頻率，制定配件采購方案，并提供所購買組件的基礎試驗參數，以及整定值、額定值等技術參數；

依據設備參數和現場使用情況，總結規律制定合理的保養周期；

根據安全部門實動檢測結果，以及現有組件庫存情況，檢修人員配置情況制定計劃性檢修方案。

（三）第三級為檢修技術人員或部門

需要按保養周期完成安全監測裝置的保養工作，按計劃檢修方案完成計劃性檢修工作。還要完成安全監測裝置日常故障的檢修工作。

四、關于電鏟安全監測裝置檢修的信息化展望

目前檢修信息化程度低，只有配件采購等局部實現信息互通，數據庫存儲等操作方法，面對日新月異的科技信息技術，我們目前所使用的系統軟件較單一、陳舊，不具備整體性和系統性。電鏟是高度自動化的設備，每一代電鏟都代表著當時世界科技的前沿，而相對比和它配套的檢修系統之間可以說存在著不小的差距。我們所展望得檢修系統應該是大整體、全環節、多系統的綜合體，它的功能不應該只有記錄信息，還需要具有智能性、預測性和多樣性。例如： 推算正壓力N，為這一期的摩擦盤制作磨損曲線，根據配件情況、檢修人員配置情況、曲線的走勢等相關因素做出前瞻性預測，并制定計劃檢修方案。例如：電鏟水平采掘作業時根據前后傾斜角度水平檢測儀數據變化檢測中心軸的磨損情況，對重要核心部件進行數據監測等等。實現電鏟、配件、人員之間信息互通和智能化檢修，合理調配人力資源和物力資源，使檢修工作更合理、配件使用更合理。

五、結束語

總之，露天煤礦開采中電鏟設備的推廣與使用，不僅提高了礦山開采的安全性，也釋放了人力，提高了開采效率。但電鏟所處的環境十分惡劣，電鏟的開發以及生產工序也極其復雜，因此礦山電鏟設備需要一套完善的安全監控系統并有對應的先進檢修工藝，這也成為了露天煤礦各企業今后研究的主要內容和方向。