黑岱沟露天煤矿8750-65 型迈步式吊斗铲智能化监测

王欣欣

（国家能源集团准能集团公司 设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

随着数字化和智能化技术的不断发展和进步，越来越多的行业都在朝着自动化智能化方向发展。黑岱沟露天煤矿作为亚洲最大的露天煤矿之一，也率先开始尝试煤矿智能化设备探索和应用，目前总体框架已初步形成，各项工作正在稳步推进和开展。黑岱沟露天煤矿8750－65 型吊斗铲智能化监测就是其中典型设备之一。8750－65 型迈步式吊斗铲是准能集团于2015 年采购的美国卡特彼勒公司专门为矿山开采倒堆工艺设计制造的超大型露天采矿设备，总高度71 m、回转半径100 m、自重5 308 t、总功率28 414 kW，单斗装载物料约200 t，平均日产生产能力86 600×（1±5%）m3，设备价值超6 亿元人民币。于2017 年10 月正式投入使用开始为黑岱沟露天煤矿服役，至今已运行近15 年，累计产量约2.2亿m3。随着使用年限的不断延长，吊斗铲自身状态逐渐开始老化，故障率逐渐升高，影响了黑岱沟露天煤矿独有的倒堆工艺连续性，同时也给设备检修和维护增加了难度。为此，根据设备实际情况，针对吊斗铲各系统和机构实际运行情况，有计划地实施智能化监测项目来辅助检修工作的开展，已达到故障早期预测、减少停机检修时间、提高设备出动率的目的。

1 吊斗铲目前运行状态

8750－65 型吊斗铲作为黑岱沟露天煤矿降段倒堆工艺的核心设备，承担着采煤工作面抛掷爆破后土岩物料剥离、倒堆、露煤的工作任务。作业连续性要求非常高，通常单次爆破抛掷量超过400 万m3，需要吊斗铲连续作业45～50 d，这就对吊斗铲自身运行状态有着极高的要求。吊斗铲经过14 年多超过50 000 多h 的运行，各机构和系统的状态和性能明显下降，其中以电气系统、提升和回拉机构、回转系统、行走机构尤为突出[1－2]。

1）电气系统。吊斗铲电气系统软、硬件全部是由西门子公司设计制造的，通过3 台6 000 kVA 主变压器控制输入电压，48 块IGBT 模块，采用PLC＋VCC程序控制行走、回转、提升和回拉各部工作状态。近年来，由于电气系统故障导致的设备停机频率逐渐升高。通过历次检修分析发现其主要是由于各部电气元件老化损坏、控制系统信号反馈错误或丢失、电机和变压器等关键部件早期磨损未能及时发现导致的故障频繁触发吊斗铲PLC 控制程序中的报警程序而出现的自保护停机行为。此类故障的特点就是隐蔽性强，日常维护和检查过程中不易检查发现，瞬间发生后对正在运行中的吊斗铲机械部分有非常大的影响，极易造成衍生故障，延长停机时间[3－4]。

2）提升和回拉机构。吊斗铲采用2 台功率9 695 kW 的交流电动机分别直接驱动直径3.25 m 的提升和回拉滚筒，实现吊斗铲铲斗挖掘、排弃物料的各种动作。2 台电机作为核心驱动装置其状态直接决定了吊斗铲工作效率的高低。2019 年，提升和回拉滚筒轴承异常磨损但由于没有状态监测装置未能提前发现，导致吊斗铲停机近4 个月紧急采购配件进行更换；近年来提升和回拉电机的气隙值多次出现信号反馈异常导致设备保护性停机。这些问题给吊斗铲的正常运行造成了极大影响，严重制约了黑岱沟露天矿正常的生产安排。

3）回转系统。吊斗铲回转系统是由6 部功率932 kW的回转电机通过二级行星减速箱传递力矩驱动相对应的6 根回转立轴和小齿轮带动与其相啮合的回转大齿圈转动，从而完成吊斗铲上部机构回转动作。6 根回转立轴自2012 年开始陆续出现无任何征兆突然断裂的情况，截止2021 年5 月23 日，6 根回转立轴共计出现断裂故障17 件次，直接经济损失超过1 000 万元。同时由于回转立轴断裂，立轴上安装的驱动小齿轮脱落后与回转大齿圈发生挤压，导致回转大齿圈出现断齿、回转平台地板摩擦挤压致使地板塌陷、破裂并引燃润滑油起火。给吊斗铲回转系统带来了不可估量的损失以及后期运行的极大安全隐患[5-6]。

4）行走机构。吊斗铲质量超过5 300 t，采用的是迈步式行走方式，由4 台功率858 kW 的行走电机通过4 台三级减速箱和2 部凸轮机构带动行走靴实现迈步式前进或倒退功能。作为中间传动关键部件，4 台行走减速箱内的第1、第2、第3 轴轴承一直是日常检查和维护的盲区，卡特彼勒公司一直未提供相应轴承和齿轮的检查更换标准和周期，全部凭借技术人员检修经验判断减速箱轴和齿轮状态的好坏，存在非常大的偶然性和不确定性，难以保证准确判断和确认行走减速箱工作状态。

基于上述情况，吊斗铲有必要安装和配置各机构及系统相应的智能化监测手段和措施，代替原始的人工检查方式，不间断的对吊斗铲状态进行检查和评估，做到提前发现设备零部件的早期磨损以及异常数据，并运用大数据综合分析手段对异常现象做出准确合理的预测和诊断，防患于未然，同时为检修人员制定解决方案提供数据支撑，制定了吊斗铲相关系统关键部件智能化监测总体框架方案。

2 吊斗铲智能化监测总体框架方案

由于吊斗铲自身的特殊性和复杂性，并且所有系统和部件均为进口产品，现阶段设计安装1 套综合性智能化监测系统在技术方面、多领域融合方面仍然存在诸多难题。所以目前从实用性和可操作性考虑，根据吊斗铲各个系统和机构以及关键部件的性能、工作条件、运行特点分别对其采取监测手段和措施的方案较为适合和稳妥。

1）电气系统监测。为吊斗铲电控系统加装1 套运行数据提取、分析软件，对吊斗铲PLC、VCC、SIBAS 等多个控制系统和模块数据进行全方位监测，通过检测软件分析功能判断数据有无异常做出预诊断，并将异常数据设置报警功能，以提醒设备操作和检修人员进行检查核实，最大限度减少异常数据或电气故障升级而造成吊斗铲保护性停机[7-8]。

2）关键部件轴承监测系统。设计安装1 套轴承监测装置，在吊斗铲提升和回拉滚筒两侧、行走和回转电机以及减速箱、回转立轴等关键部件轴承位安装测点，提取各部轴承震动频率、温度等关键数据信息，通过计算传动比、载荷相互之间的关系判断轴承运行状态。

3）回转系统关键部件探伤系统。制定并实施吊斗铲6 根回转立轴和小齿轮以及回转大齿圈自动化和人工探伤相结合的监测方案。6 根回转立轴安装自动探伤装置；回转小齿轮和回转大齿圈使用超声波探伤仪定期探伤，二者探伤结果定期汇总分析，确认回转系统部件是否存在裂纹缺陷。

4）自动灭火系统。在吊斗铲机棚内部、中盘隔舱、回转平台隔舱安装高灵敏度自动灭火系统，重点对火灾隐患较大的部位进行监控，防止因电气系统或机械部件起火导致火灾事故发生。

3 方案实施及应用情况

自2019 年3 月开始建立吊斗铲的设备预测性维修分析系统，实现设备数据采集、数据连接、数据存储。针对吊斗铲工作特性和工作环境进行模型数据训练，建立专有的数据模型；设计、部署数据分析软件、提供远程诊断服务；建立设备预测性维修分析系统，利用大数据分析结果实时指导吊斗铲的维护工作。

3.1 电气系统监测情况

1）提升回拉电气系统监测情况。实现了润滑系统（滚筒润滑油问题、润滑油系统－压力或流量问题、润滑油冷却器－结垢或冷却损失、润滑油箱问题、传感器故障等）、机械部分（电机轴承、滚筒）、电机热电（电机温度高、电机冷却不足、电机传感器故障等）、电传控制（回路不平衡、传感器故障）的监测。诊断了变频系统（相位不平衡、控制问题、电抗器温度高、AFE 温度高、逆变器温度高、斩波器/励磁器温度高、冷却系统问题、IGBT 温度类探头故障、电抗器温度探头故障、电气类探头故障、控制类探头故障）、电机电气（各绕组定子温度高、滑环温度高、气隙偏心、冷却问题、控制故障、负载不平衡、温度类传感器故障）、机械部分（电机－驱动端轴承－轴承问题、电机－非驱动端轴承－轴承问题、电机－驱动端轴承－冷却问题、电机－非驱动端轴承－冷却问题、滚筒－轴承问题、滚筒－磨损问题、滚筒－润滑问题、机械类传感器故障）等故障。

2）行走系统监测情况。实现了机械部分（凸轮轴齿轮，行走靴位置、齿轮箱轴承、电机润滑、电机轴承等）、电机热电（电机温度高、电机冷却不足、电机传感器故障等）、电传控制（回路不平衡、控制系统传感器故障）。诊断了变频系统（控制问题、相态不平衡、IGBT 温度高、冷却问题、IGBT 传感器故障、电抗器传感器故障）、电机电气（电机控制问题、电机相态不平衡、电机负载不平衡、电机过载、电机温度高、电机冷却不足、温度传感器故障）、机械部分（齿轮箱－齿轮问题、齿轮箱－第1 中间轴齿轮问题、齿轮箱－第1中间轴承问题、齿轮箱－第2 中间轴齿轮问题、齿轮箱－第2 中间轴承问题、齿轮箱－小齿轮轴承问题、电机－轴承问题、左侧推进凸轮装置问题、右侧推进凸轮装置问题、行走机构－润滑油问题、机械类传感器故障）等故障。

3）回转系统监测情况。实现了润滑（滚筒润滑油问题、润滑油系统－压力或流量问题、润滑油冷却器－结垢或冷却损失、润滑油箱问题、传感器故障等）、机械部分（电机轴承、滚筒）、电机热电（电机温度高、电机冷却不足、电机传感器故障等）、电传控制（回路不平衡、传感器故障）的监测。

诊断了变频系统（控制问题、相态不平衡、IGBT温度高、冷却问题、IGBT 传感器故障、电抗器传感器故障）、电机电气（电机控制问题、电机相态不平衡、电机负载不平衡、电机过载、电机左右负载不平衡、电机温度高、电机冷却不足、温度传感器故障）、机械部分（电机轴承问题、齿轮箱齿轮问题、齿轮箱小齿轮轴承问题、左侧回转机构－润滑油问题、右侧回转机构－润滑油问题、中心轴润滑油问题、润滑油传感器故障）等故障。

4）辅助系统可诊断的故障情况。诊断了主变压器（定子绕组温度高、冷却问题、油品质量问题、油箱问题、传感器故障）、冷却系统（冷却问题、传感器故障）等故障。

5）SmartSignal 软件应用情况。截止2021 年11月30 日，共监测到吊斗铲运行状态异常案例101次，其中可以认定有效案例数量约为52 次。其中多次监测到吊斗铲6 部回转电机扭矩偏差和电抗器温度传感器数据异常，经检修人员上机检查确认，两侧回转电机扭矩的确存在较大偏差、回转系统2＃电抗器3 项温度不平衡，并立即对隐患部位进行了检查和处理，监测数据恢复正常，避免了回转电机损坏以及回转电气系统故障造成停机的严重后果。软件监测及分析案例详细情况如下：①回转系统左右两侧电机扭矩偏差过大：2021 年2 月28 日至3 月13 日之间，吊斗铲回转系统出现了多次左右两侧回转电机扭矩偏差大的现象，统计扭矩偏差超过10 000 N·m的记录供给出现大约8 次；②吊斗铲回转系统2＃电抗器U 相温度高：2021 年3 月7 日下午10：23：51，回转系统2＃电抗器U、V、W 三相温度分别为35、32、35 ℃，至下午10：28：51，U 项温度跃升至40 ℃，其他2 相温度维持不变，至3 月24 日，U 项温度基本上维持高于其他,2 相温度5～10 ℃的状态不变。

3.2 吊斗铲轴承监测系统监测情况

“GE”大数据监测系统主要功能倾向于吊斗铲电气系统数据的监测和分析。2020 年3 月，为吊斗铲加装了1 套轴承监测系统。此系统采用瑞典SPM公司生产的SPM4000 轴承监测设备和软件，在吊斗铲各关键部位共计安装44 个传感器测点，利用HD高清冲击脉冲技术（采用HD 冲击脉冲测试，可以提早到3～6 个月发现轴承的故障，预知轴承的早期、中期、晚期故障，润滑是否良好；通过HD 冲击脉冲频谱分析，很容易分清是齿轮问题还是轴承问题）和振动检测技术（含专利齿轮箱诊断技术：时间同步平均、虚拟转速、高清转频追踪技术及圆坐标，清晰的看出齿轮啮合故障）相结合的手段，对吊斗铲提升和回拉滚筒轴承、行走减速箱轴承、回转减速箱轴承状态进行实时监测。根据监测结果和实际检查对比，截至目前，各部轴承状态良好。

3.3 吊斗铲自动灭火系统的应用情况

2020 年初，吊斗铲安装了1 套自动灭火系统，该系统使用干粉和七氟丙烷气体作为阻燃介质，同时在吊斗铲机舱内部多个点位安装高灵敏度烟感传感器和火焰识别摄像头，实时监测吊斗铲机舱内部和回转底盘部位。当传感器监测到烟气浓度超标或发现火焰时，自动报警并将报警信号传回驾驶室，驾驶室设置手动启动灭火按钮，设备操作人员如未能在限定时间内启动灭火系统，则系统自动开启，喷出阻燃介质进行灭火作业。经过多次实测，目前灭火系统应用良好。

3.4 回转立轴相控阵探伤仪应用情况

由于吊斗铲结构和运行方式极为特殊，回转立轴探伤一直是吊斗铲预防性检修的难题。为此，邀请国内多家材料检测检验机构和研究所进行实地调研，拟对6 根回转立轴安装适用的自动或半自动探伤设备。

4 结语

近2 年来，在吊斗铲日常维护和检修过程中，智能化监测系统为检修人员提供了充足的、可靠的数据依据，减少了吊斗铲非常规故障停机时间。据统计，2020 年吊斗铲故障率较2017—2019 年故障率同比下降近10 个百分点，停机时间减少约600 h，极大地保证了吊斗铲倒堆工艺的连续性，为黑岱沟露天煤矿生产任务的顺利完成奠定了坚实基础。

随着科学技术的飞跃发展，矿山智能化建设的推进速度将越来越快，8750－65 型吊斗铲作为亚洲唯一的巨无霸矿山采掘设备，其智能化监测程度将会越来越高，下一步的工作方向就是将现有的监测手段和措施合理整合，形成全面性、系统性的智能检测平台。积极寻求运用更多的新技术、新工艺，开创露天煤矿开采设备智能化检修的崭新道路。