电铲电气设备的安全监测系统的完善与检修分析

杨锐

（国家能源集团神华准格尔能源有限责任公司设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

无论露天煤矿开采作业推进到哪一个阶段，安全都被摆在所有工作的首要位置。只有不断完善电铲的安全性监管，提高运行的稳定性和可靠性，才能在最大程度上防止安全问题的出现和事故的发生。电铲作为一种主要露天采掘设备，其具有工况恶劣、操作环境复杂、控制环节和控制系统繁复等特性，电铲的运行控制环节和生产作业环节的整个运转流程中包含许多安全风险，在实际作业中也发生过各种险情和突发事故，因此电铲的电气安全监测系统的完善问题就受到了社会和企业的高度关注。那么根据实际情况，对于一些无法从技术上根本消除的风险和问题，可以用合理改进电气控制系统以达到对已知风险和问题进行防范和预警，在风险与事故发生前将问题解决。

一、电铲电气设备系统基本情况介绍

电铲是一种电驱动正采式挖掘机，主流电铲电气系统采用了交流变频技术。目前的矢量变频器采用了电机直接控制理论。中央控制单元已经完全实现了数字化，功率元件也由GTO发展至IGBT，以西门子公司产品为例，这类变频器自推广以来已有十年时间，这么长的时间内，对于变频器来讲已相当成熟。同时矿山电铲也反映出新一代变频器是非常可靠的。因此，新一代矢量型变频器是完全可以用到挖掘机上的。挖掘机的变频调速电气系统为“上位人机界面+PLC现场总线+AFE变频传动”组成的三级控制系统。上位人机界面监控整机的运行状态及故障信息，实现运行状态模拟现实与故障自诊断；PLC通过PROFIBUS DP现场总线与AFE整流回馈单元、各机构逆变器、司机室控制等连接，实现分布式控制；AFE整流回馈单元通过公用直流母线与各机构逆变器相连，实现对各机构变频电动机转矩与速度的精准控制。

二、目前电铲安全监测方面存在的问题与解决方案

（一）电铲发生电气故障时铲斗掉落和回转角度过大引申出来的问题

在以往的电铲运行使用过程中，一旦电铲电气系统或者供电系统出现问题，引起电铲电气控制系统故障，导致变频驱动部分跳机，这时候正在处于装载状态的电铲铲斗，由于铲斗自身加上其装载的物料所包含的巨大重量，使铲斗具备很大的惯性，在电铲做出提升、下放或回转时发生铲斗掉落或者回转角度过大的问题。如果不能在短距离内停止动作则会对处于作业半径内的卡车造成损坏，甚至对卡车司机造成人身伤害。在实际作业中确实出现过铲斗将卡车箱斗砸坏，铲斗斗齿将卡车轮胎划爆，更为严重的是铲斗直接与卡车驾驶室相撞。这类事故每次都造成卡车损坏甚至人身伤害，面对这些安全问题我们应该从技术角度出发找出其原因，或者通过完善电气监测系统以做出提前预警，从而避免事故发生。

这类事故发生时电铲工作过程如下：当变频驱动部分跳机时，电铲电机失去驱动电流，电机抱闸空气压力由快排阀释放，电机抱闸抱死。那么铲斗的行程就和它的初速度、重量大小成正比，与抱闸摩擦力大小成反比。假设电铲在额定速度，铲斗在满载的极限状态下，这时抱闸的滑动摩擦力在缩短铲斗行程距离时就起到了决定性作用，滑动摩擦力的大小计算公式为f =μN ，式中的μ叫动摩擦因数，也叫滑动摩擦系数，它只跟材料、接触面粗糙程度有关，注意跟接触面积无关；N为正压力，抱闸产生的摩擦力和抱闸盘的正压力成正比例，所以影响铲斗行程距离的主要因素在摩擦盘的正压力上。通常情况下新更换的抱闸摩擦盘是不会发生行程过长的问题，因为抱闸盘可以提供足够的正压力，但是使用一段时间后抱闸盘存在一定的磨损，就不能提供可靠的正压力了，因此就造成了电铲铲斗行程过长的问题。抱闸盘具体磨损到什么程度，能否正常工作，通过肉眼会很难鉴定，当磨损过限时就会发生上面提到的掉铲斗，撞大车等严重事故。这时抱闸磨损检测系统就起到了关键的预警作用，抱闸磨损检测系统主要工作原理为在电铲的各部抱闸摩擦盘上安装行程开关，将行程开关常闭点开关量编辑进入PLC程序，再通过运算将报警信号显示在司机室操作屏上。抱闸摩擦盘在正常磨损范围内时摩擦片与行程开关正常接触，保证开关常闭点不断开；当抱闸摩擦盘超过磨损上限时摩擦片变薄则无法接触到行程开关，开关内常闭点断开，PLC程序就会读取信号，这时司机就会在操作屏上看到相关报警提示，从而提醒更换摩擦盘，这样就避免了相应事故的发生。

（二）电铲工作中俯仰角度过大引发的问题

电铲是一种大吨位采掘设备，重达1100多吨，其回转平台和底架梁靠中心轴连接，辅助回转托辊完成转动和支撑动作，电铲百分之八十的重量全靠它们承载，因此电铲设计上规定电铲工作的俯仰角度不能超过5°，这种要求是对中心轴和回转托辊的一种保护，同时也是对电气系统的一种保护。如果电铲处于大角度作业环境，在进行回转作业时会对中心轴造成很大的磨损，对行走减速机构造成巨大的冲击，可能损坏行走减速机构的部件，引发大型机械故障；电铲在这种大角度挖掘过程中，由于工作环境角度过大，会出现电铲在额定速度进行回转作业时造成回转过载，导致故障停机从而产生问题1中所述的回转角度过得大问题，造成采掘或运输设备的损坏，甚至造成人身伤害。

由于电铲没有可以测量倾斜角度的设备，所以实际工作中全靠司机的感觉，这就造成了有时起坡作业后发现角度过大，导致电气故障频发，在实际作业时也因此发生过安全事故。

由于回转平台是整个电铲的中心位置，因此在回转平台中安装水平和俯仰两个方向的平衡监测装置。

将两个平衡仪的参数传到距离中心最近的PLC机站，再通过程序运算将画面显示在司机室显示屏，司机起坡作业时可以随时查看电铲的偏转状态，实时监控电铲作业环境的角度，从而保证电铲起坡作业时的安全性。

三、电铲安全装置的检修

电铲安全监测装置的可靠运行是保证电铲完好和相关人员安全的有力保障。因此必须制定合理的检修措施，用以保障安全监测装置的完好性和可靠性。下面介绍电铲安全监测装置三级检修的相关管理办法：

（一）第一级为安全监管人员或部门

安全监管人员或部门负责定期对安全监测装置的功能进行现场实动检测，将存在问题和隐患的装置进行通报。这中间涉及到什么时间进行实动检测和测试结果达到什么状态则为合格的定时和定性的问题。

首先根据现场实际运行状态，把时间界定在安全装置具备保障能力的临界值之前，同时根据安全保障装置设计使用寿命做出合理制定，引入安全监测装置测试时间计算公式：C=（T-DT/N）×90%；式中的T是设计使用时间，式中的N是理论动作次数，式中的D是电气故障装置实际发生次数，这里保证临界值提前余量为10%。定性即安全装置是否在可以保障电铲安全作业的范围。需要根据生产实际和工作状态对配件寿命和电铲反应现象进行定时间、定长度、定频率等等的实动测试，从而有效的反映出安全装置所处的状态。例如：电铲发生电气故障时铲斗掉落和回转角度过大这个问题中，根据设备综合情况制定铲斗空载额定速度下放状态下铲斗掉落0.5米就是有效长度极值；回转角度大于60°就是极限角度。实动测试如果达到或者超出则需对电机抱闸摩擦盘进行调整或者更换。第二将现场实动检测结果传达到相关部门并进行跟踪。第三根据检修结果进行记录并制定开展下一轮现场实动检测工作。

（二）第二级为技术人员或部门

根据安全装置所需组件，以及其消耗频率，制定配件采购方案，并提供所购买组件的基础试验参数，以及整定值、额定值等技术参数；

依据设备参数和现场使用情况，总结规律制定合理的保养周期；

根据安全部门实动检测结果，以及现有组件库存情况，检修人员配置情况制定计划性检修方案。

（三）第三级为检修技术人员或部门

需要按保养周期完成安全监测装置的保养工作，按计划检修方案完成计划性检修工作。还要完成安全监测装置日常故障的检修工作。

四、关于电铲安全监测装置检修的信息化展望

目前检修信息化程度低，只有配件采购等局部实现信息互通，数据库存储等操作方法，面对日新月异的科技信息技术，我们目前所使用的系统软件较单一、陈旧，不具备整体性和系统性。电铲是高度自动化的设备，每一代电铲都代表着当时世界科技的前沿，而相对比和它配套的检修系统之间可以说存在着不小的差距。我们所展望得检修系统应该是大整体、全环节、多系统的综合体，它的功能不应该只有记录信息，还需要具有智能性、预测性和多样性。例如： 推算正压力N，为这一期的摩擦盘制作磨损曲线，根据配件情况、检修人员配置情况、曲线的走势等相关因素做出前瞻性预测，并制定计划检修方案。例如：电铲水平采掘作业时根据前后倾斜角度水平检测仪数据变化检测中心轴的磨损情况，对重要核心部件进行数据监测等等。实现电铲、配件、人员之间信息互通和智能化检修，合理调配人力资源和物力资源，使检修工作更合理、配件使用更合理。

五、结束语

总之，露天煤矿开采中电铲设备的推广与使用，不仅提高了矿山开采的安全性，也释放了人力，提高了开采效率。但电铲所处的环境十分恶劣，电铲的开发以及生产工序也极其复杂，因此矿山电铲设备需要一套完善的安全监控系统并有对应的先进检修工艺，这也成为了露天煤矿各企业今后研究的主要内容和方向。