495HR 电铲应用下的电机自主行走控制工艺设计

解惠盛

（国能准能集团设备维修中心，内蒙古鄂尔多斯 017000）

1 背景介绍

495HR 电铲是由前美国BUCYRUS 公司设计生产的大型矿山专用挖掘机，引进到准能集团哈尔乌素露天煤矿十多年来一直进行原煤和岩石的挖掘工作。495HR 电铲采用驱动轮与履带链上的履带板啮合，由操作人员控制驱动履带链向前或向后行走，每侧的履带链都由各自独立的行走传动系统操控，实现控制向前或控制向后，而下车部分支撑电铲的运动。设备总的工作重量约为1350 t，行走履带长度为11 m，履带板平均接地压力362 kPa，斗容60 m3。在这千吨以上的设备上，主要机构为回转平台与底架梁，连接底架梁与回转平台的重要机构为中心轴组件。回转平台由中部平台、左走台、右走台、左辅助走台、右辅助走台、右架高底座、配重箱和前走台等部件组成。中部平台是箱形的焊接结构件，是回转平台的主要部分。中部平台的尾部安装配重箱。

中部平台和左走台、右走台、配重箱等均采用止口定位、螺栓联接。中部平台为采用低合金高强度钢板焊接的、分格式、深箱型焊接结构件，并在中央枢轴套360°方向布置放射状全深加强隔板，以实现载荷的最优传递和应力散射。在设计时将与起重臂根脚联接的耳板和销孔向上抬高，使大容量斗在挖掘物料时能够顺利回收至起重臂下部。起重臂和A 形架的底部与平台上的联接采用简支梁销轴式联接。联接耳板与回转平台形成一个整体，牢固可靠。

由于长时间、高频率使用，加之工作环境恶劣，各台电铲需要定期进行大修工作。以往电铲大修时中盘和底盘分离，驱动电源断开后行走控制部分失效，下车部分就需要用大型推土机拖动到预定的维修点。电铲下部结构由底盘、左右侧履带架、履带链、行走机构、回转齿圈、回转辊盘组成，重约600 t，非常笨重，拖动时需要很大的牵引力，1 台推土机无法提供足够的拖动力，经常需要2 台大功率推土机进行配合，提高了对推土机司机的要求，一旦配合控制不好就会出现拖动绳断裂或拖拽损伤，对现场人员来说是极大的安全隐患。

此外，拖拽过程中各传动机构不是自主工作，推土机的强制牵引极易造成包括减速机在内的行走传动机构的不可逆损伤。设计自主行走控制工艺就是要彻底地解决这一隐患，通过改变高压供电结构和行走控制方式使电铲在中盘和底盘分离后，维修人员仍具有对行走部分的控制能力，使电铲下车部分可以在现场人员的主动控制下通过行走电机自主行走到达预定的维修场地。

2 前期理论研究

495HR 电铲的电气部分是采用西门子变频调速，由SIBAS（微机控制系统）和PLC 协调控制提升、推压、回转、行走机构动作。接入工作电源为3 相、50 Hz、6 kV，外部驱动电源通过中盘的高压集电环进入高压柜，然后经过主隔离开关（MDS）和驱动电源开关（DPD）后输入到真空接触器（DPC），通过真空接触器输送到两个主驱动变压器，经过变压器调节后由原来的6 kV降为900 V，再通过电抗器供给整流回馈单元（AFE），经过整流的直流母线电压为直流1800 V，最后经过4 组逆变器的直交变换，将控制所需要的交流电供给各部电机，完成整个电铲的电气驱动（图1）。

图1 驱动电路

电铲行走部分靠2 台700 HP（522 kW）交流电机驱动，通过逆变器改变交流电机电源的电压和频率调节电机转速，再由测速反馈提供反馈信号与主控制器形成闭环速度控制。分析驱动电路图可知，行走电机的动力由提升和推压逆变器分别组成右行走和左行走逆变器共同提供，由于行走和提升/推压共用一套逆变器，所以不能同时动作，提升和行走/推压需要通过转换才能分别动作。

通过原理图和电机动力原理可以分析，下车部分完成独立行走主要需要解决电铲外部高压供电、下部电机动力回路连接、控制系统下移等问题，就可以实现控制目标。

3 主要工艺

（1）在某台495HR 电铲进入大修场地后，开展大量的大修理前期准备工作，包括退下提升/推压大绳，拆除铲斗、铲杆，放下分离大臂，电气拆解行走电机驱动电源和控制连接线后启动液压顶升系统，将电铲中盘抬高到预定位置。

（2）连接行走电机驱动电源和反馈信号，在中盘升到预定位置后，从电铲低压集电环两侧的JB01、JB02 分别连接驱动电源大线（PM33、PM32、PM31）与1#行走电机和大线（PM43、PM42、PM41）与2#行走电机，将位于左右行走电机的测速反馈信号（PT1PT2 测速总电源，PT3PT4 一号行走测速反馈，PT13PT14 二号行走测速反馈）引入JB01。

（3）连接行走风机、温度监测、压力反馈，在行走驱动线路连接完毕后，取4 芯6 mm2电缆将左右风机电源引入JB02（原连接在低压环1 环、2 环、3 环，对应线号PB7、PB8、PB9），取2 芯2.5 mm2电缆将左右行走电机温度监测引入JB02（原连接低压环9 环、11 环，线号UP133、UP89），取2 芯2.5 mm2电缆将左右行走电机气压监测引入JB02（原连接低压环7 环，线号UP118）。

（4）连接行走齿轮润滑压力开关（OGLPS）和多功能润滑脂压力开关（MPGPS）取2 芯2.5 mm2电缆将左右行走电机行走齿轮润滑压力开关监测引入JB02（原连接低压环8 环，线号UP119）。取2 芯2.5 mm2电缆将左右行走电机多功能润滑脂压力开关监测引入JB02（原连接低压环10 环，线号UP123）。

（5）将司机室控制器控制电路引下，在大修现场设置控制台安装操作手柄，将提升主令控制器，推压主令控制器设置在大修场地预定位置，将提升控制器控制信号线（线号分别为M24、M25、P24A、PCOMO）引入PLC 节点6 的LTB2-9、LTB2-10、LTB2-2、LTB2-6。将推压控制器控制信号线（M15、M14、P24A、PCOMO）引入PLC 节点6 的LTB2-11、LTB2-12、LTB2-3、LTB2-7。

（6）将司机室控制器控制电路引下，在大修现场设置的控制台安装操作手柄，将提升主令控制器、推压主令控制器设置在大修场地预定位置，将提升主令开关提升/下放控制信号线UP11和UP117、UP180 引 入PLC 节 点6 HTB1-13 和PLC4 号 板I29.2、I29.3，将推压主令开关推压/抽回控制信号线UP11 和UP182、UP179 引入PLC 节点6 HTB1-13 和PLC4 号板I29.4、I29.5。

（7）将司机室提升/行走转换开关，行走抱闸打开控制开关控制电路引下，在大修现场设置控制台安装操作控制按钮，将提升/行走转换开关控制信号线UP11、UP459 引入节点6HTB1-13和PLC4 号板I28.2；将行走抱闸打开控制开关控制信号线引入UP11、UP462 引入节点六HTB1-13 和PLC4 号板I29.1。

（8）将司机室电铲启动（SBR）/停机控制按钮（BEB），控制复位按钮（CRB）安装在大修现场设置的控制台中，将电铲启动按钮引入PLC6 号节点4 号板I28.1，将停机控制按钮信号线串入PLC7 号节点UP28 和HTB2-19 内，将控制复位按钮信号线引入PLC6 号节点4 号板I28.0 内。

（9）将司机室电铲启动系统准备就绪指示灯安装在现场设置的控制台中，将控制信号线UP10 和UP98 引入PLC6 号节点HTB3-9 和5 号板Q28.2 内。

（10）设置行走启动喇叭，在大修现场设置的控制台中安装行走喇叭，将控制信号线WW1 和WW2 引入司机室（ZCS）HTB2-04 和TB1-4 中。

（11）安装行走抱闸风管，将左右行走电机抱闸的风管延长，与原行走低压环旋转接头风管连接，使底盘行走时可以可靠地打开抱闸。

（12）安装下部润滑油管，将下部各润滑油管延长，与原行走低压环旋转接头对应油管连接，使底盘在行走时各下部机件依然可以得到可靠优质的润滑。

（13）安装电铲的外部主驱动电源大线，从外部电缆耦合器将6 kV 原装高压电缆直接引入高压柜，拆除原电铲高压柜驱动电缆（防止将6 kV 高压电反送入高压环），将新电源线接入高压柜MDS 主隔离开关上端（PTB1、PTB2、PTB3），使电铲在外部送高压电后获得动力。

（14）检查各部控制连接，校正各驱动电源及控制系统接线，重新梳理原理看有无缺陷不足。

（15）外线6 kV 高压线路恢复，启动电铲动态检查各部运行情况，进行联调实验。

（16）正式启铲，在各方面配合下将底盘通过现场新安装的控制台操控下走到预定检修位置。

4 实施效果

哈尔乌素露天煤矿某台495HR 电铲在底盘中盘分离后，自主控制行走，避免了以往外机拖动底盘行走可能造成的钢丝绳断裂、推土机人机配合不当等产生的人员伤害和机械损伤。由于这次行走是在现场操作人员的自主控制下完成的，控制精度高、行走和回铲一次性完成，还节省了由于以往推土机拖拽精度不高、对位不准来回牵拉造成的工时浪费。以往大修时各项准备工作完成后，下车部分移动大概需要2 d；大修完毕后上下车部分完成整体连接需要对接中心轴，推土机配合困难使行走对位不准，需要不断校正，大约3～4 d 才能完成对接。运用电机自主行走控制工艺后，本次大修行走回铲只用1 d 就完成了精准对位，整体节约了4～5 d 的大修工时，取得了良好的经济安全效益。495HR 电铲的电机自主行走控制工艺的推广及应用，对安全生产、提高检修效率，具有良好的推动作用，同时工艺可复制，现场实施难度小，具有广泛的推广适用性。