传统机械矿车更加智能应用于露天矿生产的研究

贾 峰，田 野

（神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021025）

0 引言

露天矿山矿车运输特点是：重载上坡坡度大、路面坡度不平整，要求运输效率高，对于百吨级别的矿用翻斗车，要求柴油机道路该柴油机至少需要1000 马力（735.5kW）以上，露天矿山主流车型北重TR100 矿车，应用的是康明斯K38 机械式的大马力柴油机，康明斯K38 柴油机，动力强、非使用原因的故障率低，零配件供应充足，正常大修的使用周期长，柴油机全生命周期使用成本低，因而占据了中国露天矿山百吨级别矿用翻斗车90%以上的市场，全国保有量在2000 台以上。但如果设备使用、管理不好，整机购买价格高，单次柴油机大修费用高。特别是该K38 柴油机是机械控制，对于日常的或者意外瞬时的缺机油、缺冷却液，对司机操作人员专业性和反应能力要求极高。

1 冷却液液位传感器开发、设计的必要性

冷却液缺失首先会造成发动机缸盖气门高温，进排气门高温后粘连卡死，在活塞正常运行的情况下，导致发动机活塞顶到进排气门（俗称顶缸），严重的缺冷却液缺失问题会造成发动机粘缸和曲轴抱瓦等严重后果。下面是近三年的某大型露天矿山使用TR100 矿车的缺、漏冷却液的意外故障：

（1）某百吨级矿用翻斗车，K38 柴油机无法启动故障停机，检查故障原因时仅放出70 L 冷却液（正常是160 L 冷却液），进一步检查发现因缸盖高温全部12 个活塞顶到气门。柴油机需要重新大修。

（2）某矿用水车，缸盖内部裂纹渗漏，导致冷却进入缸内，待司机操作员发现上报故障，因机油被冷却液污染，连杆瓦、曲轴主轴瓦、缸套、活塞缺少机油润滑而发生了磨损（图1）。柴油机需要重新进入大修。

（3）某TR100 矿用翻斗车，K38 柴油机自动熄火，维修人员到达现场无法手动盘动曲轴，将卡车拖回车间拆检发现，冷却液缺失严重，拆卸油底壳发现活塞、缸套全部高温变色、拉伤，甚至粘伤，再拆检发现因冷却液缺失导致冷却液温度高，进一步导致机油温度高而机油黏度下降，致使曲轴轴瓦和连杆轴瓦缺失润滑而失效，熔化的轴瓦金属粘结到曲轴轴径，导致柴油机“抱瓦”而自动熄火，维修人员也无法手动盘动曲轴。柴油除了机需要重新进入大修，还需要购买价格昂贵的曲轴、连杆等非大修必换零件。

图1 缸套因高温“拉缸”

2 油液监控系统设计思路及对生产作业的积极意义

机油的长期部分缺失和瞬时的缺失，导致轴瓦因缺油而高温，导致“化瓦”故障，融化的轴瓦金属会粘结到曲轴轴径，导致“抱瓦”故障，若发动机持续运转没有停机，连杆将会支出缸体，即“踢缸”故障，这些柴油机的灾难性故障，造成了巨大设备价值的损失。下面是近三年的某大型露天矿山使用TR100 矿车的缺、漏机油的意外故障。

（1）某TR100 矿用翻斗卡车，更换机油油尺管时标定错误，司机操作人员和维修人员无法检查到，导致柴油机运行时机油液位长期偏低，特别矿用翻斗车上坡时（坡度多在30°以上），机油液面倾斜，导致轴瓦短期处于缺油状态，轴瓦与轴径间油膜短期缺失，导致了轴瓦耐磨层的部分损失，长期的累计，没有到达正常大修周期的一半时间即发生大多数连杆瓦磨损漏铜“化瓦”故障，需要进行大修。

（2）某百吨级矿用洒水车，装配K38 柴油机，临近中午时保养工人进行机油更换保养，排放完机油后午休，待下午加注机油。因现场急需洒水作业，午休没结束前司机操作员提前到达该矿用洒水车，见旧机油已经排放，启动车辆，车辆没有运行10 m 便自动熄火。维修人员现场检查发现，连杆断裂支出缸体，发生“踢缸”（图2），而柴油机中并没有加注机油，发动机缸体、曲轴等重要部件均损坏，没有大修价值，需要重新购买新柴油机总成。

（3）某TR100 矿用翻斗车，装配K38 发动机，白天正在运行中，后车司机在“对讲机系统”中呼叫该机立刻熄火停机，因为后车观察到前车正在漏黑的油。维修人员到达现场检查发现，涡轮增压器供油管因长期的干涉磨损而破裂，并喷机油。进一步检查还发现，机油油底中还剩余一半量的机油，轴瓦没有发生磨损。但该故障若发生在视野不佳的夜间，或者后面没有车辆运行，将发动机中的机油大部分喷出后，不仅仅是发生柴油机“化瓦”“抱瓦”“踢缸”等损失，如果机油溅落到高温的排烟管或者增压器排气蜗壳上，将会导致柴油机自燃，损失的就是整个矿车。

图2 柴油机“踢缸”故障

上述的3 个案例需要大修的K38 柴油机，需要进行大修，每台需要50 万元左右费用，如果有曲轴等高单价配件需要更换，就需要70 万左右。若购买新柴油机总成，需要100 多万元。面对如上这些错误或者不足的维护操作保养导致的大故障，仅对提高矿车操作人员和维修人员的日常保养和操作意识，已经不能满足现在“智能”矿山的理念和实际状况的使用，应该更加直观和便捷地让矿车的操作者去了解、检查柴油机的运行状态，第一时间掌握冷却液、机油发生变化的情况，一旦低于正常液位时，司机操作者收到报警信息后，立即熄火停车，可以让隐患消灭在萌芽状态，即便发生故障，也是初期故障初期状态，避免矿车柴油机在缺机油缺冷却液状态下继续进行，将故障进一步扩展，演变成为灾难性故障，甚至不可修复的故障。

项目的必要性已经确立，项目的可行性方案确立：

（1）直接更换带有机油液位传感器和冷却液液位传感器的电控发动机或者电喷柴油机，单台柴油机价格在200 万元以上，外加改装人工费用成本大，该方案的可行性排除。

（2）在原有柴油机基础上加装性能可靠的液位传感器和报警系统，相对于方案，研发成本、配件的生产成本和改装的人工成本对比方案1，大幅度降低，并可达到项目需要的效果，研究的主要难点如下：

难点1：面对露天矿山作业环境温度最低-40 ℃，机油、冷却液最高110 ℃的，温差幅度变化大，采用何种材质可以保证液位传感器的准确性和耐用性？选择普通电阻二线式的液位传感器，故障率高、误报率高，并了解国际知名柴油机生产商在电控或者电喷柴油机应用的传感器，经过反复测试和对比，使用三线式液位传感器，测量电极不能是金属材料的，以免因电解、腐蚀等因素造成误报警，机油液位传感器及冷却液位传感器螺纹部分材质要求为CZ128 黄铜，电极部分外部的材质为聚四氟乙烯。

难点2：机油、冷却液液位传感器的位置设置在何处，液位传感器位置设置过低，报警过晚，机油或者冷却液已经缺失过多，柴油机内部需要润滑或者冷却的零部件已经磨损或者高温；液位传感器位置设置过高，正常情况，报警系统运行正常，运输作业期间上坡下坡，机油液面发生倾斜，频繁误报警，必然导致操作人员的反感和对新报警系统的不接受。经过反复验证，确定了合理的液位传感器安装位置。

难点3：使用三线式传感器后就不能再使用普通直接反馈的报警装置，需要带有芯片、能够接收传感器发送的信号，并能处理分析，将液位正常、液位过低，包括线路正常、线路故障的信息通知司机操作人员。

3 智能矿车小时计是保证露天矿设备管理关键数据准确性的有效解决方案

在TR100 矿用卡车生产作业中，因其设备运行小时（计）表是机械式的，当发动机小时计损坏或大修后，无法进行重置，导致小时数统计不准确。需设计一套电子车辆小时计表，当车辆或者发动机大修时，可以将小时数归零，计算下一次的大修周期的运行实际小时数。当小时计表故障损坏时，更换新的电子表后，可以设置成表故障时的小时数进行累计，避免大修周期小时丢失的情况而延长了大修周期，导致设备存在机械高周疲劳的隐患。

小时（计）表项目的必要性和目标已经明确，如果能兼容到TR100 油液监控系统中，则无需再设置一套系统，可以有效降低研发、采购、改装人工成本，同时还可以避免系统过多、占据驾驶室狭小空间的问题。经过多个小时计信号采集点测试，保证设计的小时（记）表显示为矿车的运行时间，并开发了与处理器连接的通信适配器（线），和设置小时数的管理软件（授权给了维修人员级别可以使用，司机操作人员不可以改动）。

4 结束语

通过24 h 全时智能监测柴油机机油、冷却液的液位变化，让矿用卡车操作者实时掌握柴油机机油液位和冷却液液位的状态，可以有效避免设备机油和冷却液无论是长期或者是意外发生时，导致了柴油机故障而产生的巨额维修费用。通过智能小时（计）表的安装，可以正确管理设备运行小时数，为设备的科学管理和统计，提供准确的数据支撑，有效避免了“多统计小时数”造成提前维护保养大修的资源费用浪费和滞后维修保养大修而设备机械性高周疲劳损坏。通过以上对实际故障和实际需求进行有效的研究、设计、测试、开发、应用，让传统的机械矿用卡车有了先进的智能的油液监控系统和智能小时计管理系统，使其露天矿的生产作业中具有更低的全生命周期使用成本。