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矿用电铲及其电控系统的发展历程

2014-11-15 17:47| 发布者: 巨车网| 查看: 2585| 评论: 0|原作者: 朱大可 奚汉章 李建军|来自: 湖南科通电气设备制造有限公司

摘要:   矿业是国民经济的重要组成部分,露天采矿占整个矿山开采业的比重很大。矿用电动挖掘机(以下简称电铲)是露天矿山剥离和采掘矿石、煤炭以及在水利、电站建设中用来挖掘土石方的主要采掘设备。它的性能好坏,直接 ...
  矿业是国民经济的重要组成部分,露天采矿占整个矿山开采业的比重很大。矿用电动挖掘机(以下简称电铲)是露天矿山剥离和采掘矿石、煤炭以及在水利、电站建设中用来挖掘土石方的主要采掘设备。它的性能好坏,直接影响到矿山的生产能力和水平,而它的提升、推压、回转及行走机构的电气传动性能对挖掘机总体性能有着至关重要的影响。电铲常处于恶劣的工作条件,如露天矿山及水利工地,环境温差大(我国冬季北方达-40℃,夏季南方达40℃)、灰尘多、驾驶室振动大、操作动作频繁,挖掘时负荷变化大及驾驶室内噪声大等因素,这就对电控系统提出了许多特殊要求。

  挖掘机要提高生产率,就要求在1.5~1.6Ie额定电流时(I 表示电流,e 是额定的首拼。Ie是额定电流的意思),电动机具有较硬的机械特性;当负荷超过1.6Ie(截止点)时,拖动电机转速迅速下降,直至停转(堵转点为2.5Ie),以保护机械、电机不受损坏。起动、制动快,正反转及调速平滑,动态特性好;回转时,驾驶室回转性大,应保证均匀过渡;主令控制器在零位时,应避免电机爬行(蠕动),重物悬空时有良好的“握持特性”;电气设备在温差大、震动大的恶劣工况下,应工作可靠;操作轻便、灵活,减轻电铲驾驶员劳动强度。具有必要的连锁和保护,如回转时不能行走、油泵及通风机未工作时不能启动各类电机;相序错误时,控制系统不能投入运行等。
 
  国外电铲及其电控系统的发展动向
 
  早在1912年BE公司(比塞洛斯国际公司)开发了以电动机为动力的履带行走挖掘机(电铲),1946年该公司开发了斗容量为3.82m3的120B型电铲。P&H公司于1954年开发出了1800型电铲,原苏联的乌拉尔重机厂推出了7KT-20型电铲。

  20世纪70—80年代,单斗电铲向大型化发展,结构不断创新,电控系统自动化水平不断提高。P&H公司于 1976年推出了斗容量为23m3的2800型电铲,控制系统采用直流调速和故障检测装置, 1978年推出5700型电铲;1981年、1982年先后推出2300XP型和2800XP型电铲。BE公司于20世纪70年代初推出了16.8m3的 295B型电铲; 1977年推出26m3的395B型电铲,控制系统采用交流电机变频调速,接着又推出201M、204M等M系列电铲。马里昂公司于1986年推出22m3的301M型电铲。原苏联乌拉尔重机厂于1987年推出7KT-15型电铲。

  20世纪90年代,一些先进国家的电铲控制系统向智能化发展,使得电铲的可靠性提高、作业周期大为缩短、装载效率大幅度提高。P&H公司于1990年推出了斗容量达43m3的4100型电铲及54m3的5700XP型电铲。4100型电铲的动力驱动系统采用可变速式DC直流驱动,行走采用双电机驱动,爬坡能力强;2001年推出的4100BOSS型电铲,斗容量为47.5m3,采用计算机控制,装有直流数字驱动和电子辅助装置,并有完善的自动控制和故障检测诊断系统。 BE公司推出38.2m3的495BI型电铲和495HD、495HR、495HF电铲,这种无电刷的交流电动机和无熔断器的驱动装置,提高了电铲的可靠性和作业效率,1997年推出了斗容量为43m3的351型电铲;1999年推出了电控系统采用新型交流IGBT/AFE技术的电铲,IGBT应用了简单、可靠的门式驱动器,不需要缓冲器和di/it电抗器,能够安全关闭过载电流;AFE有效地克服了电压波动和高次谐波的产生,该驱动方式能将多余电量(正弦曲线电流和低谐波电流)反馈到电网等优点。该公司与西门子公司共同研制的SIBAS系统,在准确称重、动臂自动软着陆、设备信息实时交换及远程访问等功能方面实现了全数字技术控制和检测,大大提高了设备整体效益,多年的成功实践,采用IGBT/AFE交流驱动和SIBAS系统,已被广大矿山用户所采纳。

  进人新世纪以来,随着科技不断进步,电铲在矿山具有更高的产能及可靠性、舒适性,其控制系统也愈加先进,从而使得核心功能大幅度提高。P&H公司2006年推出的 C系列电铲,采用 Centurion TM控制系统,它防堵转能力高,具有快速的行走切换、动臂自动软着陆和 Payload TM称重等功能。
 
  国内电铲及控制系统的发展动向
 
  解放初期,国内仅有十几家矿山和机械制造厂,还没有能力自主生产电铲,在矿山使用的挖掘机多为侵华日军投降时留下的小型设备。

  20世纪50年代,我国国民经济开始实施五年计划,在前苏联专家帮助下,我国建起了两个挖掘机主机制造厂(抚挖和太重)。1955年6月,抚挖试制成功了斗容量为1m3的W100型电铲;接着于1957年7月试制成功3m3的仿苏CS-3型电铲,驱动装置为r-л发动机组,它结构笨重、耗电量大、效率低;1959年6月又试制成功了4m3的WD-400型电铲。同时,太重也试制成功了4m3的D-4型电铲,电控系统(W-4)由三绕组发动机和继电器、接触器组成,发电机的串激励磁绕组磁通量与他激、并激励磁绕组磁通量相反,当负载电流增大到堵转值时,串激绕组使发电机的端电压降到保持堵转电流所需的电压值,该产品发电机体积庞大,挖掘特性软、握持特性差,机构冲击大,维修困难。

  20世纪60年代,由太重、湘潭电机、上海电机于1966年完成了WK-4型电铲,控制系统采用磁放大器励磁,发电机仅有他激励磁绕组,靠内桥摊挽式磁放大器实现可逆运转,相对于D-4型电铲而言,改善了挖掘特性;回转机构由原来发电机的二对电刷分别供给二台电动机的方式,改为二台电动机串接,改善了发电机换向;主令控制器电阻由4级改为10级,使得机构调速性能也有改善,起制动电流冲击小、平稳;但该系统消耗铜材和硅钢片,磁元件影响动态性能和反应速度、效率低、设备笨重。

  20世纪70年代,1971年由太重、湘机电机和大冶铁矿组成“三结合”小组,试制成WK-4M型电铲,控制系统采用磁性触发器通过晶闸管控制发电机二组励磁绕组的方式,实现机构传动电机的可逆调速运转,上机结构分机棚密封和非密封两种。WD400型电铲与WK-4M型电铲曾一度在我国露天矿山广为应用,性能比D-4(W-4)和WK-4/3有了明显改善。1981—1982年间,抚挖与湘潭电机研制成功WD-400型正反两用电铲,支援了中朝合建鸭绿江电站建设,杭州重机也研制了WK-2型电铲,它采用正反向两组晶闸管整流供直流发电机(单绕组)励磁,控制系统的移相电路、脉冲列调制形成电路、直流放大器均由集成块组成。

  20世纪70年代后期、80年代初,国民经济发展迅猛,露天矿山的生产规模不断扩大。为满足矿山生产需要,1977—1979年,由抚挖和太重相继研制成功了斗容量为12m3的WD1200型和10m3的WK-10型电铲。WD1200型电铲的主要结构及技术参数接近美国BE公司的B280型电铲,此产品的研制成功,为我国矿用挖掘机向大型化发展奠定了基础。

  20世纪80年代,随着改革开放和国民经济从计划经济转向市场经济变革的浪潮,国内民营企业和中外合资企业如雨后笋般茁壮成长,充分展示了它们无穷的力量。国有大型企业利用其雄厚的资源和行业能量、民营企业具有灵活的经营机制和高效管理理念,为我国矿山机械制造业向大型化、自动化发展创造了有利条件,同时将国外先进技术引入我国,加速了国产化进程。1985年,湘电集团(原湘潭电机厂)与美国P&H公司合作,在引进P&H公司2300XP型和2800XP型电铲的基础上,试制成功了新型大电铲,其斗容量分别为16.8~34.5m3、23~45m3,电控系统采用微电子技术和机电一体化模式。衡阳重工集团与美国BE公司合作制成195-B型和280-B型电铲,斗容量分别为7~13m3和8~17m3 。

  进入新世纪以来,太重集团又于2005年自主研发出斗容量为20m3的WK-20电铲,电控系统采用交流变频调速设备,达到了国际同类产品的先进水平,紧接着2007年9月为中电投霍煤集团生产2台斗容量为27m3的 WK-27型电铲;为神华准格尔能源公司生产2台斗容量为35m3的WK-35型电铲;2008年为平朔露天煤矿制成2台 55m3的 WK-55型电铲,2009年 11月正式交付矿山使用。WK-35及WK-55型电铲,电控系统采用上位机管理监控、PLC现场总成分布式控制和AFE整流回馈变频调速三级控制系统,功率因数可调,并能进行无功补偿,采用自适应挖掘提升控制软件;可实现故障自诊断和运行状态实时显示、自动物料称重和电耗计算等功能,便于矿山生产数字化管理和优化调度。

  与此同时,伴随着我国改革开放的春风,全国诸多中小型民营企业借助国有企业的技术资料与人力资源,从20世纪80年代起,不断研制开发电铲主机和配套电控设备,斗容量由小到大,电控系统由原有的技术发展到科技含量较高的产品,装备了各地露天矿山,做出了不可估量的贡献。湖南科通电气设备制造有限公司就是一个典型代表,他们遵循科学发展观的理念,随着电子技术的迅猛发展,在湘潭电机厂(湘电集团)原有生产的W-4、WK-4/3、WK-4A、WK-4M 、WD400和WK-10A、10B等成套电控设备基础上,不断改进,借助湘机厂的人力资源研发了许多新产品。如20世纪初研制了与主机WK-4M、WK-4、WK-4B、WD400和WK-10A、10B配套的WK(E)-4F及WK(E)-10B型电子调节电控设备,控制系统采用电子调节触发板和晶闸管功率模块组成的“单相直流驱动器”,替代磁性触发器的晶闸管励磁系统,克服了原有产品的诸多缺点,发电机仍为双励磁绕组,为矿山老设备改造提供了方便,非常实用,已在全国许多矿山推广。随后研制了与4m3、10m3电铲配套的WS1-4及WS1-10B型全数字直流调速电控设备,电控系统特别采用了美国CT公司生产的MentorⅡ型四象限全数字直流电机驱动器和PLC可编程序控制器为核心的可逆调速系统,替代传统的由高压异步机拖动3台直流发电机组的供电调速系统,该系统丢掉了庞大的机组群,降低了噪声,改善了对环境的污染,提高了生产效率。

  但是,随着电铲斗容量的增长,高次谐波电流、电压的出现,对电网品质有污染,功率因数亦不理想,需要补偿。为此,随着交流变频技术的发展,该公司随后又研制成功了斗容量为4m3电铲的WK(D)-4P变频调速挖掘机电控设备,核心技术选用ABB公司生产的采用直接转矩控制方式的ACS800变频器,利用它的高速数字信号处理与先进的电机软件模型相结合,功率因数明显改善,降低了拖动电机的维修费用,故障率低,设备寿命长,具有完美的挖土机特性,电机启动时(低速)也能获得1.5倍的额定转矩,从而大大地缩短了起动时间,提高了生产效率,具有自诊断功能和故意报警显示装置。新产品于2007年6月通过省级鉴定,荣获2007年国家火炬计划项目。在此基础上,该公司于2008年7月又研制成功了与12m3(10m3)电铲配套的WK(D)-12P多传动带回馈的交流变频调速电控设备,电控系统除了上述优点外,提升拖动电机在重物下降发电制动运行时,可将能量反馈电网或输送给并联运行负载,从而更加显示了节能效果,同时,可以供给多台拖动变频电机工作。新产品于2009年2月通过省级鉴定,并荣获市科技进步奖,现已正式移交矿山运行,效果良好。目前,全国类似科通公司这样的中小型民营企业为数不少,它们正在为实现国内外露天矿山采矿设备的电气自动化、数字化并赶超世界先进水平,不断创新,勇往直前!
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