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礦用電鏟及其電控系統的發展曆程

礦業是國民經濟的重要組成部分,露天采礦占整個礦山開采業的比重很大。礦用電動挖掘機(以下簡稱電鏟)是露天礦山剝離和采掘礦石、煤炭以及在水利、電站建設中用來挖掘土石方的主要采掘設備。它的性能好壞,直接影響到礦山的生産能力和水平,而它的提升、推壓、回轉及行走機構的電氣傳動性能對挖掘機總體性能有著至關重要的影響。電鏟常處于惡劣的工作條件,如露天礦山及水利工地,環境溫差大(我國冬季北方達-40℃,夏季南方達40℃)、灰塵多、駕駛室振動大、操作動作頻繁,挖掘時負荷變化大及駕駛室內噪聲大等因素,這就對電控系統提出了許多特殊要求。

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。
 
國外電鏟及其電控系統的發展動向
 
早在1912年BE公司(比塞洛斯國際公司)開發了以電動機爲動力的履帶行走挖掘機(電鏟),1946年該公司開發了鬥容量爲3.82m3的120B型電鏟。P&H公司于1954年開發出了1800型電鏟,原蘇聯的烏拉爾重機廠推出了7KT-20型電鏟。

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。
 
國內電鏟及控制系統的發展動向
 
解放初期,國內僅有十幾家礦山和機械制造廠,還沒有能力自主生産電鏟,在礦山使用的挖掘機多爲侵華日軍投降時留下的小型設備。

20世紀50年代,我國國民經濟開始實施五年計劃,在前蘇聯專家幫助下,我國建起了兩個挖掘機主機制造廠(撫挖和太重)。1955年6月,撫挖試制成功了鬥容量爲1m3的W100型電鏟;接著于1957年7月試制成功3m3的仿蘇CS-3型電鏟,驅動裝置爲r-л發動機組,它結構笨重、耗電量大、效率低;1959年6月又試制成功了4m3的WD-400型電鏟。同時,太重也試制成功了4m3的D-4型電鏟,電控系統(W-4)由三繞組發動機和繼電器、接觸器組成,發電機的串激勵磁繞組磁通量與他激、並激勵磁繞組磁通量相反,當負載電流增大到堵轉值時,串激繞組使發電機的端電壓降到保持堵轉電流所需的電壓值,該産品發電機體積龐大,挖掘特性軟、握持特性差,機構沖擊大,維修困難。

20世紀60年代,由太重、湘潭電機、上海電機于1966年完成了WK-4型電鏟,控制系統采用磁放大器勵磁,發電機僅有他激勵磁繞組,靠內橋攤挽式磁放大器實現可逆運轉,相對于D-4型電鏟而言,改善了挖掘特性;回轉機構由原來發電機的二對電刷分別供給二台電動機的方式,改爲二台電動機串接,改善了發電機換向;主令控制器電阻由4級改爲10級,使得機構調速性能也有改善,起制動電流沖擊小、平穩;但該系統消耗銅材和矽鋼片,磁元件影響動態性能和反應速度、效率低、設備笨重。

20世紀70年代,1971年由太重、湘機電機和大冶鐵礦組成“三結合”小組,試制成WK-4M型電鏟,控制系統采用磁性觸發器通過晶閘管控制發電機二組勵磁繞組的方式,實現機構傳動電機的可逆調速運轉,上機結構分機棚密封和非密封兩種。WD400型電鏟與WK-4M型電鏟曾一度在我國露天礦山廣爲應用,性能比D-4(W-4)和WK-4/3有了明顯改善。1981—1982年間,撫挖與湘潭電機研制成功WD-400型正反兩用電鏟,支援了中朝合建鴨綠江電站建設,杭州重機也研制了WK-2型電鏟,它采用正反向兩組晶閘管整流供直流發電機(單繞組)勵磁,控制系統的移相電路、脈沖列調制形成電路、直流放大器均由集成塊組成。

20世紀70年代後期、80年代初,國民經濟發展迅猛,露天礦山的生産規模不斷擴大。爲滿足礦山生産需要,1977—1979年,由撫挖和太重相繼研制成功了鬥容量爲12m3的WD1200型和10m3的WK-10型電鏟。WD1200型電鏟的主要結構及技術參數接近美國BE公司的B280型電鏟,此産品的研制成功,爲我國礦用挖掘機向大型化發展奠定了基礎。

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芰俊⒚裼笠稻哂辛榛畹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,隨著電鏟鬥容量的增長,高次諧波電流、電壓的出現,對電網品質有汙染,功率因數亦不理想,需要補償。爲此,隨著交流變頻技術的發展,該公司隨後又研制成功了鬥容量爲4m3電鏟的WK(D)-4P變頻調速挖掘機電控設備,核心技術選用ABB公司生産的采用直接轉矩控制方式的ACS800變頻器,利用它的高速數字信號處理與先進的電機軟件模型相結合,功率因數明顯改善,降低了拖動電機的維修費用,故障率低,設備壽命長,具有完美的挖土機特性,電機啓動時(低速)也能獲得1.5倍的額定轉矩,從而大大地縮短了起動時間,提高了生産效率,具有自診斷功能和故意報警顯示裝置。新産品于2007年6月通過省級鑒定,榮獲2007年國家火炬計劃項目。在此基礎上,該公司于2008年7月又研制成功了與12m3(10m3)電鏟配套的WK(D)-12P多傳動帶回饋的交流變頻調速電控設備,電控系統除了上述優點外,提升拖動電機在重物下降發電制動運行時,可將能量反饋電網或輸送給並聯運行負載,從而更加顯示了節能效果,同時,可以供給多台拖動變頻電機工作。新産品于2009年2月通過省級鑒定,並榮獲市科技進步獎,現已正式移交礦山運行,效果良好。目前,全國類似科通公司這樣的中小型民營企業爲數不少,它們正在爲實現國內外露天礦山采礦設備的電氣自動化、數字化並趕超世界先進水平,不斷創新,勇往直前!

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