495HR 電鏟應用下的電機自主行走控制工藝設計

解惠盛

（國能準能集團設備維修中心，內蒙古鄂爾多斯 017000）

1 背景介紹

495HR 電鏟是由前美國BUCYRUS 公司設計生產的大型礦山專用挖掘機，引進到準能集團哈爾烏素露天煤礦十多年來一直進行原煤和巖石的挖掘工作。495HR 電鏟采用驅動輪與履帶鏈上的履帶板嚙合，由操作人員控制驅動履帶鏈向前或向后行走，每側的履帶鏈都由各自獨立的行走傳動系統操控，實現控制向前或控制向后，而下車部分支撐電鏟的運動。設備總的工作重量約為1350 t，行走履帶長度為11 m，履帶板平均接地壓力362 kPa，斗容60 m3。在這千噸以上的設備上，主要機構為回轉平臺與底架梁，連接底架梁與回轉平臺的重要機構為中心軸組件。回轉平臺由中部平臺、左走臺、右走臺、左輔助走臺、右輔助走臺、右架高底座、配重箱和前走臺等部件組成。中部平臺是箱形的焊接結構件，是回轉平臺的主要部分。中部平臺的尾部安裝配重箱。

中部平臺和左走臺、右走臺、配重箱等均采用止口定位、螺栓聯接。中部平臺為采用低合金高強度鋼板焊接的、分格式、深箱型焊接結構件，并在中央樞軸套360°方向布置放射狀全深加強隔板，以實現載荷的最優傳遞和應力散射。在設計時將與起重臂根腳聯接的耳板和銷孔向上抬高，使大容量斗在挖掘物料時能夠順利回收至起重臂下部。起重臂和A 形架的底部與平臺上的聯接采用簡支梁銷軸式聯接。聯接耳板與回轉平臺形成一個整體，牢固可靠。

由于長時間、高頻率使用，加之工作環境惡劣，各臺電鏟需要定期進行大修工作。以往電鏟大修時中盤和底盤分離，驅動電源斷開后行走控制部分失效，下車部分就需要用大型推土機拖動到預定的維修點。電鏟下部結構由底盤、左右側履帶架、履帶鏈、行走機構、回轉齒圈、回轉輥盤組成，重約600 t，非常笨重，拖動時需要很大的牽引力，1 臺推土機無法提供足夠的拖動力，經常需要2 臺大功率推土機進行配合，提高了對推土機司機的要求，一旦配合控制不好就會出現拖動繩斷裂或拖拽損傷，對現場人員來說是極大的安全隱患。

此外，拖拽過程中各傳動機構不是自主工作，推土機的強制牽引極易造成包括減速機在內的行走傳動機構的不可逆損傷。設計自主行走控制工藝就是要徹底地解決這一隱患，通過改變高壓供電結構和行走控制方式使電鏟在中盤和底盤分離后，維修人員仍具有對行走部分的控制能力，使電鏟下車部分可以在現場人員的主動控制下通過行走電機自主行走到達預定的維修場地。

2 前期理論研究

495HR 電鏟的電氣部分是采用西門子變頻調速，由SIBAS（微機控制系統）和PLC 協調控制提升、推壓、回轉、行走機構動作。接入工作電源為3 相、50 Hz、6 kV，外部驅動電源通過中盤的高壓集電環進入高壓柜，然后經過主隔離開關（MDS）和驅動電源開關（DPD）后輸入到真空接觸器（DPC），通過真空接觸器輸送到兩個主驅動變壓器，經過變壓器調節后由原來的6 kV降為900 V，再通過電抗器供給整流回饋單元（AFE），經過整流的直流母線電壓為直流1800 V，最后經過4 組逆變器的直交變換，將控制所需要的交流電供給各部電機，完成整個電鏟的電氣驅動（圖1）。

圖1 驅動電路

電鏟行走部分靠2 臺700 HP（522 kW）交流電機驅動，通過逆變器改變交流電機電源的電壓和頻率調節電機轉速，再由測速反饋提供反饋信號與主控制器形成閉環速度控制。分析驅動電路圖可知，行走電機的動力由提升和推壓逆變器分別組成右行走和左行走逆變器共同提供，由于行走和提升/推壓共用一套逆變器，所以不能同時動作，提升和行走/推壓需要通過轉換才能分別動作。

通過原理圖和電機動力原理可以分析，下車部分完成獨立行走主要需要解決電鏟外部高壓供電、下部電機動力回路連接、控制系統下移等問題，就可以實現控制目標。

3 主要工藝

（1）在某臺495HR 電鏟進入大修場地后，開展大量的大修理前期準備工作，包括退下提升/推壓大繩，拆除鏟斗、鏟桿，放下分離大臂，電氣拆解行走電機驅動電源和控制連接線后啟動液壓頂升系統，將電鏟中盤抬高到預定位置。

（2）連接行走電機驅動電源和反饋信號，在中盤升到預定位置后，從電鏟低壓集電環兩側的JB01、JB02 分別連接驅動電源大線（PM33、PM32、PM31）與1#行走電機和大線（PM43、PM42、PM41）與2#行走電機，將位于左右行走電機的測速反饋信號（PT1PT2 測速總電源，PT3PT4 一號行走測速反饋，PT13PT14 二號行走測速反饋）引入JB01。

（3）連接行走風機、溫度監測、壓力反饋，在行走驅動線路連接完畢后，取4 芯6 mm2電纜將左右風機電源引入JB02（原連接在低壓環1 環、2 環、3 環，對應線號PB7、PB8、PB9），取2 芯2.5 mm2電纜將左右行走電機溫度監測引入JB02（原連接低壓環9 環、11 環，線號UP133、UP89），取2 芯2.5 mm2電纜將左右行走電機氣壓監測引入JB02（原連接低壓環7 環，線號UP118）。

（4）連接行走齒輪潤滑壓力開關（OGLPS）和多功能潤滑脂壓力開關（MPGPS）取2 芯2.5 mm2電纜將左右行走電機行走齒輪潤滑壓力開關監測引入JB02（原連接低壓環8 環，線號UP119）。取2 芯2.5 mm2電纜將左右行走電機多功能潤滑脂壓力開關監測引入JB02（原連接低壓環10 環，線號UP123）。

（5）將司機室控制器控制電路引下，在大修現場設置控制臺安裝操作手柄，將提升主令控制器，推壓主令控制器設置在大修場地預定位置，將提升控制器控制信號線（線號分別為M24、M25、P24A、PCOMO）引入PLC 節點6 的LTB2-9、LTB2-10、LTB2-2、LTB2-6。將推壓控制器控制信號線（M15、M14、P24A、PCOMO）引入PLC 節點6 的LTB2-11、LTB2-12、LTB2-3、LTB2-7。

（6）將司機室控制器控制電路引下，在大修現場設置的控制臺安裝操作手柄，將提升主令控制器、推壓主令控制器設置在大修場地預定位置，將提升主令開關提升/下放控制信號線UP11和UP117、UP180 引 入PLC 節 點6 HTB1-13 和PLC4 號 板I29.2、I29.3，將推壓主令開關推壓/抽回控制信號線UP11 和UP182、UP179 引入PLC 節點6 HTB1-13 和PLC4 號板I29.4、I29.5。

（7）將司機室提升/行走轉換開關，行走抱閘打開控制開關控制電路引下，在大修現場設置控制臺安裝操作控制按鈕，將提升/行走轉換開關控制信號線UP11、UP459 引入節點6HTB1-13和PLC4 號板I28.2；將行走抱閘打開控制開關控制信號線引入UP11、UP462 引入節點六HTB1-13 和PLC4 號板I29.1。

（8）將司機室電鏟啟動（SBR）/停機控制按鈕（BEB），控制復位按鈕（CRB）安裝在大修現場設置的控制臺中，將電鏟啟動按鈕引入PLC6 號節點4 號板I28.1，將停機控制按鈕信號線串入PLC7 號節點UP28 和HTB2-19 內，將控制復位按鈕信號線引入PLC6 號節點4 號板I28.0 內。

（9）將司機室電鏟啟動系統準備就緒指示燈安裝在現場設置的控制臺中，將控制信號線UP10 和UP98 引入PLC6 號節點HTB3-9 和5 號板Q28.2 內。

（10）設置行走啟動喇叭，在大修現場設置的控制臺中安裝行走喇叭，將控制信號線WW1 和WW2 引入司機室（ZCS）HTB2-04 和TB1-4 中。

（11）安裝行走抱閘風管，將左右行走電機抱閘的風管延長，與原行走低壓環旋轉接頭風管連接，使底盤行走時可以可靠地打開抱閘。

（12）安裝下部潤滑油管，將下部各潤滑油管延長，與原行走低壓環旋轉接頭對應油管連接，使底盤在行走時各下部機件依然可以得到可靠優質的潤滑。

（13）安裝電鏟的外部主驅動電源大線，從外部電纜耦合器將6 kV 原裝高壓電纜直接引入高壓柜，拆除原電鏟高壓柜驅動電纜（防止將6 kV 高壓電反送入高壓環），將新電源線接入高壓柜MDS 主隔離開關上端（PTB1、PTB2、PTB3），使電鏟在外部送高壓電后獲得動力。

（14）檢查各部控制連接，校正各驅動電源及控制系統接線，重新梳理原理看有無缺陷不足。

（15）外線6 kV 高壓線路恢復，啟動電鏟動態檢查各部運行情況，進行聯調實驗。

（16）正式啟鏟，在各方面配合下將底盤通過現場新安裝的控制臺操控下走到預定檢修位置。

4 實施效果

哈爾烏素露天煤礦某臺495HR 電鏟在底盤中盤分離后，自主控制行走，避免了以往外機拖動底盤行走可能造成的鋼絲繩斷裂、推土機人機配合不當等產生的人員傷害和機械損傷。由于這次行走是在現場操作人員的自主控制下完成的，控制精度高、行走和回鏟一次性完成，還節省了由于以往推土機拖拽精度不高、對位不準來回牽拉造成的工時浪費。以往大修時各項準備工作完成后，下車部分移動大概需要2 d；大修完畢后上下車部分完成整體連接需要對接中心軸，推土機配合困難使行走對位不準，需要不斷校正，大約3～4 d 才能完成對接。運用電機自主行走控制工藝后，本次大修行走回鏟只用1 d 就完成了精準對位，整體節約了4～5 d 的大修工時，取得了良好的經濟安全效益。495HR 電鏟的電機自主行走控制工藝的推廣及應用，對安全生產、提高檢修效率，具有良好的推動作用，同時工藝可復制，現場實施難度小，具有廣泛的推廣適用性。