傳統(tǒng)機(jī)械礦車更加智能應(yīng)用于露天礦生產(chǎn)的研究

賈 峰，田 野

（神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021025）

0 引言

露天礦山礦車運(yùn)輸特點(diǎn)是：重載上坡坡度大、路面坡度不平整，要求運(yùn)輸效率高，對(duì)于百噸級(jí)別的礦用翻斗車，要求柴油機(jī)道路該柴油機(jī)至少需要1000 馬力（735.5kW）以上，露天礦山主流車型北重TR100 礦車，應(yīng)用的是康明斯K38 機(jī)械式的大馬力柴油機(jī)，康明斯K38 柴油機(jī)，動(dòng)力強(qiáng)、非使用原因的故障率低，零配件供應(yīng)充足，正常大修的使用周期長(zhǎng)，柴油機(jī)全生命周期使用成本低，因而占據(jù)了中國(guó)露天礦山百噸級(jí)別礦用翻斗車90%以上的市場(chǎng)，全國(guó)保有量在2000 臺(tái)以上。但如果設(shè)備使用、管理不好，整機(jī)購(gòu)買價(jià)格高，單次柴油機(jī)大修費(fèi)用高。特別是該K38 柴油機(jī)是機(jī)械控制，對(duì)于日常的或者意外瞬時(shí)的缺機(jī)油、缺冷卻液，對(duì)司機(jī)操作人員專業(yè)性和反應(yīng)能力要求極高。

1 冷卻液液位傳感器開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)的必要性

冷卻液缺失首先會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門高溫，進(jìn)排氣門高溫后粘連卡死，在活塞正常運(yùn)行的情況下，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂?shù)竭M(jìn)排氣門（俗稱頂缸），嚴(yán)重的缺冷卻液缺失問(wèn)題會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)粘缸和曲軸抱瓦等嚴(yán)重后果。下面是近三年的某大型露天礦山使用TR100 礦車的缺、漏冷卻液的意外故障：

（1）某百噸級(jí)礦用翻斗車，K38 柴油機(jī)無(wú)法啟動(dòng)故障停機(jī)，檢查故障原因時(shí)僅放出70 L 冷卻液（正常是160 L 冷卻液），進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)因缸蓋高溫全部12 個(gè)活塞頂?shù)綒忾T。柴油機(jī)需要重新大修。

（2）某礦用水車，缸蓋內(nèi)部裂紋滲漏，導(dǎo)致冷卻進(jìn)入缸內(nèi)，待司機(jī)操作員發(fā)現(xiàn)上報(bào)故障，因機(jī)油被冷卻液污染，連桿瓦、曲軸主軸瓦、缸套、活塞缺少機(jī)油潤(rùn)滑而發(fā)生了磨損（圖1）。柴油機(jī)需要重新進(jìn)入大修。

（3）某TR100 礦用翻斗車，K38 柴油機(jī)自動(dòng)熄火，維修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法手動(dòng)盤動(dòng)曲軸，將卡車拖回車間拆檢發(fā)現(xiàn)，冷卻液缺失嚴(yán)重，拆卸油底殼發(fā)現(xiàn)活塞、缸套全部高溫變色、拉傷，甚至粘傷，再拆檢發(fā)現(xiàn)因冷卻液缺失導(dǎo)致冷卻液溫度高，進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)油溫度高而機(jī)油黏度下降，致使曲軸軸瓦和連桿軸瓦缺失潤(rùn)滑而失效，熔化的軸瓦金屬粘結(jié)到曲軸軸徑，導(dǎo)致柴油機(jī)“抱瓦”而自動(dòng)熄火，維修人員也無(wú)法手動(dòng)盤動(dòng)曲軸。柴油除了機(jī)需要重新進(jìn)入大修，還需要購(gòu)買價(jià)格昂貴的曲軸、連桿等非大修必?fù)Q零件。

圖1 缸套因高溫“拉缸”

2 油液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的積極意義

機(jī)油的長(zhǎng)期部分缺失和瞬時(shí)的缺失，導(dǎo)致軸瓦因缺油而高溫，導(dǎo)致“化瓦”故障，融化的軸瓦金屬會(huì)粘結(jié)到曲軸軸徑，導(dǎo)致“抱瓦”故障，若發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)沒(méi)有停機(jī)，連桿將會(huì)支出缸體，即“踢缸”故障，這些柴油機(jī)的災(zāi)難性故障，造成了巨大設(shè)備價(jià)值的損失。下面是近三年的某大型露天礦山使用TR100 礦車的缺、漏機(jī)油的意外故障。

（1）某TR100 礦用翻斗卡車，更換機(jī)油油尺管時(shí)標(biāo)定錯(cuò)誤，司機(jī)操作人員和維修人員無(wú)法檢查到，導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)油液位長(zhǎng)期偏低，特別礦用翻斗車上坡時(shí)（坡度多在30°以上），機(jī)油液面傾斜，導(dǎo)致軸瓦短期處于缺油狀態(tài)，軸瓦與軸徑間油膜短期缺失，導(dǎo)致了軸瓦耐磨層的部分損失，長(zhǎng)期的累計(jì)，沒(méi)有到達(dá)正常大修周期的一半時(shí)間即發(fā)生大多數(shù)連桿瓦磨損漏銅“化瓦”故障，需要進(jìn)行大修。

（2）某百噸級(jí)礦用灑水車，裝配K38 柴油機(jī)，臨近中午時(shí)保養(yǎng)工人進(jìn)行機(jī)油更換保養(yǎng)，排放完機(jī)油后午休，待下午加注機(jī)油。因現(xiàn)場(chǎng)急需灑水作業(yè)，午休沒(méi)結(jié)束前司機(jī)操作員提前到達(dá)該礦用灑水車，見(jiàn)舊機(jī)油已經(jīng)排放，啟動(dòng)車輛，車輛沒(méi)有運(yùn)行10 m 便自動(dòng)熄火。維修人員現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，連桿斷裂支出缸體，發(fā)生“踢缸”（圖2），而柴油機(jī)中并沒(méi)有加注機(jī)油，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸等重要部件均損壞，沒(méi)有大修價(jià)值，需要重新購(gòu)買新柴油機(jī)總成。

（3）某TR100 礦用翻斗車，裝配K38 發(fā)動(dòng)機(jī)，白天正在運(yùn)行中，后車司機(jī)在“對(duì)講機(jī)系統(tǒng)”中呼叫該機(jī)立刻熄火停機(jī)，因?yàn)楹筌囉^察到前車正在漏黑的油。維修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，渦輪增壓器供油管因長(zhǎng)期的干涉磨損而破裂，并噴機(jī)油。進(jìn)一步檢查還發(fā)現(xiàn)，機(jī)油油底中還剩余一半量的機(jī)油，軸瓦沒(méi)有發(fā)生磨損。但該故障若發(fā)生在視野不佳的夜間，或者后面沒(méi)有車輛運(yùn)行，將發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)油大部分噴出后，不僅僅是發(fā)生柴油機(jī)“化瓦”“抱瓦”“踢缸”等損失，如果機(jī)油濺落到高溫的排煙管或者增壓器排氣蝸殼上，將會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)自燃，損失的就是整個(gè)礦車。

圖2 柴油機(jī)“踢缸”故障

上述的3 個(gè)案例需要大修的K38 柴油機(jī)，需要進(jìn)行大修，每臺(tái)需要50 萬(wàn)元左右費(fèi)用，如果有曲軸等高單價(jià)配件需要更換，就需要70 萬(wàn)左右。若購(gòu)買新柴油機(jī)總成，需要100 多萬(wàn)元。面對(duì)如上這些錯(cuò)誤或者不足的維護(hù)操作保養(yǎng)導(dǎo)致的大故障，僅對(duì)提高礦車操作人員和維修人員的日常保養(yǎng)和操作意識(shí)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在“智能”礦山的理念和實(shí)際狀況的使用，應(yīng)該更加直觀和便捷地讓礦車的操作者去了解、檢查柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，第一時(shí)間掌握冷卻液、機(jī)油發(fā)生變化的情況，一旦低于正常液位時(shí)，司機(jī)操作者收到報(bào)警信息后，立即熄火停車，可以讓隱患消滅在萌芽狀態(tài)，即便發(fā)生故障，也是初期故障初期狀態(tài)，避免礦車柴油機(jī)在缺機(jī)油缺冷卻液狀態(tài)下繼續(xù)進(jìn)行，將故障進(jìn)一步擴(kuò)展，演變成為災(zāi)難性故障，甚至不可修復(fù)的故障。

項(xiàng)目的必要性已經(jīng)確立，項(xiàng)目的可行性方案確立：

（1）直接更換帶有機(jī)油液位傳感器和冷卻液液位傳感器的電控發(fā)動(dòng)機(jī)或者電噴柴油機(jī)，單臺(tái)柴油機(jī)價(jià)格在200 萬(wàn)元以上，外加改裝人工費(fèi)用成本大，該方案的可行性排除。

（2）在原有柴油機(jī)基礎(chǔ)上加裝性能可靠的液位傳感器和報(bào)警系統(tǒng)，相對(duì)于方案，研發(fā)成本、配件的生產(chǎn)成本和改裝的人工成本對(duì)比方案1，大幅度降低，并可達(dá)到項(xiàng)目需要的效果，研究的主要難點(diǎn)如下：

難點(diǎn)1：面對(duì)露天礦山作業(yè)環(huán)境溫度最低-40 ℃，機(jī)油、冷卻液最高110 ℃的，溫差幅度變化大，采用何種材質(zhì)可以保證液位傳感器的準(zhǔn)確性和耐用性？選擇普通電阻二線式的液位傳感器，故障率高、誤報(bào)率高，并了解國(guó)際知名柴油機(jī)生產(chǎn)商在電控或者電噴柴油機(jī)應(yīng)用的傳感器，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和對(duì)比，使用三線式液位傳感器，測(cè)量電極不能是金屬材料的，以免因電解、腐蝕等因素造成誤報(bào)警，機(jī)油液位傳感器及冷卻液位傳感器螺紋部分材質(zhì)要求為CZ128 黃銅，電極部分外部的材質(zhì)為聚四氟乙烯。

難點(diǎn)2：機(jī)油、冷卻液液位傳感器的位置設(shè)置在何處，液位傳感器位置設(shè)置過(guò)低，報(bào)警過(guò)晚，機(jī)油或者冷卻液已經(jīng)缺失過(guò)多，柴油機(jī)內(nèi)部需要潤(rùn)滑或者冷卻的零部件已經(jīng)磨損或者高溫；液位傳感器位置設(shè)置過(guò)高，正常情況，報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行正常，運(yùn)輸作業(yè)期間上坡下坡，機(jī)油液面發(fā)生傾斜，頻繁誤報(bào)警，必然導(dǎo)致操作人員的反感和對(duì)新報(bào)警系統(tǒng)的不接受。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，確定了合理的液位傳感器安裝位置。

難點(diǎn)3：使用三線式傳感器后就不能再使用普通直接反饋的報(bào)警裝置，需要帶有芯片、能夠接收傳感器發(fā)送的信號(hào)，并能處理分析，將液位正常、液位過(guò)低，包括線路正常、線路故障的信息通知司機(jī)操作人員。

3 智能礦車小時(shí)計(jì)是保證露天礦設(shè)備管理關(guān)鍵數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的有效解決方案

在TR100 礦用卡車生產(chǎn)作業(yè)中，因其設(shè)備運(yùn)行小時(shí)（計(jì)）表是機(jī)械式的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)計(jì)損壞或大修后，無(wú)法進(jìn)行重置，導(dǎo)致小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確。需設(shè)計(jì)一套電子車輛小時(shí)計(jì)表，當(dāng)車輛或者發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，可以將小時(shí)數(shù)歸零，計(jì)算下一次的大修周期的運(yùn)行實(shí)際小時(shí)數(shù)。當(dāng)小時(shí)計(jì)表故障損壞時(shí)，更換新的電子表后，可以設(shè)置成表故障時(shí)的小時(shí)數(shù)進(jìn)行累計(jì)，避免大修周期小時(shí)丟失的情況而延長(zhǎng)了大修周期，導(dǎo)致設(shè)備存在機(jī)械高周疲勞的隱患。

小時(shí)（計(jì)）表項(xiàng)目的必要性和目標(biāo)已經(jīng)明確，如果能兼容到TR100 油液監(jiān)控系統(tǒng)中，則無(wú)需再設(shè)置一套系統(tǒng)，可以有效降低研發(fā)、采購(gòu)、改裝人工成本，同時(shí)還可以避免系統(tǒng)過(guò)多、占據(jù)駕駛室狹小空間的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多個(gè)小時(shí)計(jì)信號(hào)采集點(diǎn)測(cè)試，保證設(shè)計(jì)的小時(shí)（記）表顯示為礦車的運(yùn)行時(shí)間，并開(kāi)發(fā)了與處理器連接的通信適配器（線），和設(shè)置小時(shí)數(shù)的管理軟件（授權(quán)給了維修人員級(jí)別可以使用，司機(jī)操作人員不可以改動(dòng)）。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)24 h 全時(shí)智能監(jiān)測(cè)柴油機(jī)機(jī)油、冷卻液的液位變化，讓礦用卡車操作者實(shí)時(shí)掌握柴油機(jī)機(jī)油液位和冷卻液液位的狀態(tài)，可以有效避免設(shè)備機(jī)油和冷卻液無(wú)論是長(zhǎng)期或者是意外發(fā)生時(shí)，導(dǎo)致了柴油機(jī)故障而產(chǎn)生的巨額維修費(fèi)用。通過(guò)智能小時(shí)（計(jì)）表的安裝，可以正確管理設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)，為設(shè)備的科學(xué)管理和統(tǒng)計(jì)，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，有效避免了“多統(tǒng)計(jì)小時(shí)數(shù)”造成提前維護(hù)保養(yǎng)大修的資源費(fèi)用浪費(fèi)和滯后維修保養(yǎng)大修而設(shè)備機(jī)械性高周疲勞損壞。通過(guò)以上對(duì)實(shí)際故障和實(shí)際需求進(jìn)行有效的研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用，讓傳統(tǒng)的機(jī)械礦用卡車有了先進(jìn)的智能的油液監(jiān)控系統(tǒng)和智能小時(shí)計(jì)管理系統(tǒng)，使其露天礦的生產(chǎn)作業(yè)中具有更低的全生命周期使用成本。