凿岩台车电气系统技术改造

沈桂丽，吴朝来，梁永飞

（1.中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南洛阳 471009；2.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450003）

凿岩台车电气系统技术改造

沈桂丽1，吴朝来1，梁永飞2

（1.中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南洛阳 471009；2.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450003）

目前凿岩台车被广泛地应用于隧道施工中，如何使凿岩台车更好地适用于隧道施工是机械管理人员研究的重点。为提高凿岩台车的设备利用率，降低施工成本，对凿岩台车进行了改造与系统集成技术的研究。着重介绍了凿岩台车改造过程中电气方面的技术改造，对凿岩台车泵站起动系统和显示系统进行了改造，改造后的凿岩台车通过了工业性试验，并成功地应用于青岛烟台LPG项目。实践证明：改造后的凿岩台车性能得到了大幅度提升，故障率低，故障显示的可读性高，满足施工使用要求，取得了较好的经济效益和社会效益。

隧道；凿岩台车；起动方式；PLC可编程技术；电气系统改造

0 引言

伴随着钻爆法施工优点的日渐凸显，液压凿岩台车以其具有高效、低故障率等优点成为隧道施工的主要机械设备。为将废旧的台门架凿岩台车重新利用起来，不至于浪费国有资源，通过再制造将其改造成利用率较高的液压凿岩台车。目前国外已经开始了全自动化凿岩机的研制工作，国内虽有多家企业生产研制凿岩台车，但其技术落后于部分国家。文献［1］重点介绍了阿特拉斯二臂凿岩台车由于原进口电气系统价格昂贵，配件采购周期长，且与改造的液压系统部分不匹配，对其进行了国产化改造；文献［2］对DD310型凿岩台车的凿岩定位系统进行了改造，通过对液压系统进行重新优化设计，提高了凿岩效率，使电机功率得到了有效利用，同时也降低了电力消耗。以上研究仅对台车进行了国产化改造和液压系统的优化，便于配件采购，降低配件成本，提高效率，而如何使凿岩动力消耗少，能量利用率高，凿岩效率高，使设备更好地与工程结合起来是目前存在的主要问题。

本文主要讨论了凿岩台车电气方面的技术改造和性能提升，通过对凿岩台车泵站电机起动方式［3－4］、PLC可编程技术和液晶触摸屏显示技术的研究，提高了台车在恶劣环境下的适应能力，优化了起动的控制方式，提高了故障显示的可读性，增强了可操作性。

1 凿岩台车泵站起动系统改造

1.1 原凿岩台车泵站电动机起动方式

原凿岩台车上3个泵站的鼠笼型异步电动机功率PN＝45 kW，输入电压UN＝380 V，功率因数cos φ＝0.83，额定电流IN＝83.9 A，转速r＝1 475 r/min，采用直接起动方式。直接起动又称为全压起动，起动电流是正常工作电流的4～7倍，易使电动机发热并对电网造成冲击，影响其他负载的正常工作。另外，随着隧道不断地深入开挖，洞内输电线路压降逐渐增大，直接起动容易出现起动困难、频繁跳闸等故障［5－6］，故需对其进行改造。

1.2 起动方式改造的方案设计

本次改造采用星－三角降压起动［7－8］代替了直接起动，该种起动方式电流小，起动转矩小，不需要添置起动设备，有起动开关或交流接触器及控制设备就容易实现，接线简单，不易出故障。

1.2.1 泵站起动星－三角降压电气元器件参数选择

1.2.1.1 选择交流接触器的参数

额定电压

额定电流

式中：三相异步电动机的额定功率PN＝45 kW；额定电压UN＝380 V；经验系数K＝1～1.4。

计算得出：流过Δ接触器主触点的电流IC＝84.59～118.42 A，电流为95 A，Y接触器电流选主触点为60 A。

本设计选用了FX2N－48MR作为星－三角降压起动PLC的控制模块，电气元件参数如表1所示。

表1 星－三角降压起动的控制模块电气元件参数表Table 1 Parameters of electrical element of Y-△de-voltage starting control module

1.2.1.2 星－三角降压起动控制程序

星－三角起动控制的接线图和梯形图如图1和图2所示。由图1可知，电动机由接触器KM1，KM2和KM3控制。其中，KM3将电动机绕组联成星形，KM2将电动机绕组联成三角形，热继电器FR保护，停止按钮SB1，起动按钮SB2。按下起动按钮SB2，KM3将电动机绕组联接成星形并自锁，KM1在KM3线圈吸合后通电自锁，电动机进行星形起动，5 s后定时器使KM3线圈断电，使KM2得电，电机进入三角形起动。I/O点的分配表如表2所示。

图1 星－三角起动控制的I/O接线图Fig.1 I/O line connection of Y-△starting control

图2 星－三角起动控制的梯形图Fig.2 Ladder chart of Y-△starting control

表2 I/O点的分配表Table 2 Allocation of I/O points

2 凿岩台车显示系统的改造

2.1 原凿岩台车显示系统

凿岩台车工作、故障指示灯及仪表均集中在侧面配电柜表面，若电气系统出现故障，须查看配电柜仪表或指示灯工作状态，才能初步判断故障所在［9－11］。该凿岩台车配电柜上仅有6个指示灯，分别为工作电源指示灯、相序错误指示灯、鼠笼型异步电动机过载指示灯、液压油箱油位过低指示灯、液压油箱油温过高指示灯和回油滤芯堵塞指示灯。其中，电动机过载指示灯为3台泵站电动机、1台空压机和1台增压水电动机所共用，由于这5个过载输出线路为并联，所以当其故障变红发亮时，将无法判断是哪一台电动机出现了过载故障。另外，凿岩台车配电柜上的6个指示灯位于凿岩台车右后侧，既无声音报警，也不容易被操作人员直接观察，给故障排查带来较大难度，影响维修效率。

2.2 显示系统改造的方案设计

在保持原凿岩台车电气工作系统基本不变的前提下，利用PLC可编程技术，对凿岩台车电气工作、故障显示系统进行集中数显控制。将原电气系统传感器输出信号作为PLC的信号输入端［7］，通过数字触摸液晶显示屏对凿岩台车各种工作及故障进行集中显示，并配以故障排除方法，见表3。

根据显示系统要求选取合适的PLC可编程模块。本凿岩台车选用了DVP－20EX00R2模块和扩展模块DVP－16XM11N2，由原凿岩台车配电柜中变压器提供电源信号。原故障指示继电器使用的是AC 24 V电源，而PLC编程模块和扩展模块的I/O信号、液晶显示屏、蜂鸣器均使用的是DC 24 V电源。电气元件参数见表4。

DVP－20EX00R2及其拓展模块主要用于读取外来信号，I/O接线图及梯形图较简单，不再绘制。

表3 液晶显示屏显示项目及故障排除方法Table 3 Display items and malfunction dealing methods

表4 显示系统电气元件参数Table 4 Parameter of electrical element of display system

3 改造效果及分析

3.1 起动方式改造效果

通过对电动机起动方式进行比较分析，并根据生产施工实际需要，合理选择电动机起动方式。PLC模块星－三角降压起动控制系统与传统继电器在电动机控制方面相比具有显著优势，该系统具有线路简单、可靠性高、安全、便于维护等优点。

3.2 触摸屏改造效果

采用高清数字触摸屏。当PLC模块得电时，液晶触摸屏通电进入欢迎页面，上部显示的是液压凿岩台车，中间红色部分为进入按钮，进入按钮下部以年/月/日的形式显示当前时间，时间下方为液压凿岩台车的设计制造方。点击红色按钮进入操作界面，屏幕中间3个指示灯分别对应3个泵站的运行监视状态，此时指示灯不工作。指示灯中间下部为液压油箱油温监控栏，以数字的形式显示当前液压油箱内部的油温。左下角的参数设定按钮可设定实际油温的调整参数，右下角为退出按钮。

当出现故障时，蜂鸣器以1 s的时间间隔发出清晰明亮的“滴”声，点击按钮进入液晶触摸屏操作界面，可看到黄色窗口在触摸屏上弹出，且显示故障原因。

3.3 改造效果

通过对凿岩台车的泵站起动系统和显示系统进行技术改造，使台车性能得到了大幅度提升，完全满足了施工使用要求。改造完成后，该凿岩台车在烟台LPG项目进行了63 d的工业性试验。试验期间，该台车在高强度、长时间、硬岩石、高湿度等恶劣条件下进行连续作业，共完成近万方的开挖量，完成钻孔13 280 m，设备运行31 680 min。试验成功后，使用单位一致认为该台车性能稳定，非常适应现场的操作习惯，故障率低，故障显示的可读性高，与同类设备相比性能有了大幅度提升。

4 讨论

凿岩台车电气系统的技术改造应切合实际，应符合设备使用工况，本文就针对隧道施工存在潮湿、多尘、高温等特点，选择星－三角降压起动系统作为泵站电动机的控制方式。该起动方式看似简单、普通，且一些人认为变频起动或软启动器更加先进、有效，就很有可能进入误区。国内电力电子技术发展起步较晚，技术相对落后，且电子元器件寿命有限，受外界干扰因素较多，造成变频器及软启动故障率较高，而无故障或低故障才是工程施工设备所追求的终极目标，星－三角降压起动系统则完全满足故障率低的要求。本次技术改造采用高清屏系统状态显示，易于实时监控，故障信号可读，给维修带来极大方便，值得推广应用。

（References）：

［1］ 张红星.进口凿岩台车电气系统国产化［J］.建设机械技术与管理，1999（3）：37－38.

［2］ 施升涛，吴旭强，施俊丽，等.三山岛金矿DD310型凿岩台车凿岩定位系统改造［J］.矿业装备，2012（11）：96－97.

［3］ 阎治安，崔新艺，苏少平.电机学［M］.西安：西安交通大学出版社，2006.

［4］ 习庆成.三相异步电动机的启动［J］.中外企业家，2013 （13）：221－222.

［5］ 刘杰.三相异步电动机常见故障分析［J］.河北企业，2010（6）：82.

［6］ 陈伟华，李秀英，姚鹏.中国中小型电动机产业现状及发展趋势［J］.电动机与控制应用，2008（2）：4－8，13.

［7］ 吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2008：4－5.

［8］ 左江红.三相异步电动机Y－△降压起动的PLC控制线路设计［J］.中国科技信息，2011（16）：138，140.（ZUO Jianghong.Three-phase asynchronous motor Y-△starting the PLC control circuit step-down design［J］.China Science and Technology Information，2011（16）：138，140.（in Chinese））

［9］ 杨光照，栾洪海，李云涛.凿岩台车常见故障及排除［J］.煤矿机械，2009（4）：220－221.（YANG Guangzhao，LUAN Honghai，LI Yuntao.Regular failure and obviate method of drill jumbos［J］.Coal Mine Machinery，2009 （4）：220－221.（in Chinese））

［10］ 李剑峰.空气压缩机PLC控制系统的研究与实践［J］.可编程控制器与工厂自动化，2013（12）：78－82，96.

［11］ 李超，何安钢.PLC自动控制系统的故障分析及处理［J］.河南科技，2011（10）：34.

Technical Reform of Electrical System of Rock Drilling Jumbo

SHEN Guili1，WU Chaolai1，LIANG Yongfei2
（1.Tunneling-dedicated Equipment Center of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China；2.China Railway Tunnel Stock Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，Henan，China）

Rock drilling jumbos are widely used in the tunnel construction.In the paper，the reform technologies and system integration technologies of rock drilling jumbos are studied，so as to improve the availability of the rock drilling jumbos and to reduce the construction cost.The reform of the electrical system of rock drilling jumbos is described with emphasis.The main reform of the electrical system of the rock drilling jumbo is focused on the starting system of the pump station and the display system of the rock drilling jumbo.The drilling jumbo reformed has been successfully used in the construction of Yantai LPG storage cavern project in Qingdao.It is demonstrated that the performance of the rock drilling jumbo has been greatly improved，the malfunction rate has been reduced，the readability of the malfunction display has been enhanced，the construction requirement has been satisfied and good economical and social efficiency has been achieved.

tunnel；rock drilling jumbo；starting mode；PLC programmable technology；electrical system；reform

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.017

U 455.3＋2

B

1672－741X（2014）04－0392－04

2013－10－17；

2014－03－26

沈桂丽（1984—），女，江苏徐州人，2008年毕业于重庆交通大学，电气与自动化专业，本科，助理工程师，现从事设备维修与管理工作。