防爆重型電驅(qū)動鏟板車安全性能關(guān)鍵技術(shù)

周德華

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原030006）

目前純電動重型鏟板車在國家能投資集團神東煤炭集團的使用已經(jīng)有了一定的規(guī)模，但重型電驅(qū)動鏟板車在使用過程中也存在一系列安全問題，制約著重型電驅(qū)動鏟板車的進一步推廣應用，設備的使用安全極其重要，一方面可以保障井下礦工的生命安全，另一方面可以促進井下重型電驅(qū)動鏟板車的廣泛應用。為此以某防爆重型電驅(qū)動鏟板車為例分析了安全制動技術(shù)、自動滅火技術(shù)、防人員碰撞技術(shù)、漏電保護技術(shù)[1]。這些技術(shù)并在實際應用中已得到成功驗證，對煤礦井下實現(xiàn)綠色開采、保障礦工生命安全具有重要意義。

1 防爆重型電驅(qū)動鏟板車系統(tǒng)架構(gòu)

防爆重型電驅(qū)動鏟板車由三段式回轉(zhuǎn)鉸接式結(jié)構(gòu)組成、前機架主要由鏟板、駕駛室組成，中機架主要由電氣控制箱、液壓系統(tǒng)等組成，后機架主要由防爆特殊型鉛酸蓄電池電源裝置組成。該重型電動鏟板車能實現(xiàn)在井下綜采工作面支架的回撤和安裝[2]。

防爆重型電驅(qū)動鏟板車主要技術(shù)參數(shù)為：整車裝備質(zhì)量11 000 kg，額定裝載質(zhì)量800 000 kg，車速0～8 km/h，最大爬坡度12°。

2 防爆重型電驅(qū)動鏟板車安全性能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 防爆重型電動鏟板車安全制動技術(shù)

煤礦井下常有長距離下坡路礦，在下坡過程中，如果重型電驅(qū)車輛僅使用機械剎車，容易造成剎車失靈，有較大的安全隱患。采用安全制動技術(shù)可以實現(xiàn)制動的安全性，能夠解決防爆電驅(qū)車輛下坡安全制動問題，安全制動技術(shù)是指液壓電氣組合制動技術(shù)、下坡自動限速、懸停技術(shù)。對于重型電動鏟板車，油門踏板輸出電機轉(zhuǎn)矩控制，這樣在作業(yè)工程中，在功率一定的前提下可以發(fā)揮電機最大扭矩。在下坡自動限速的過程中，需要有轉(zhuǎn)速實時反饋，因此需要實時采集電機實時轉(zhuǎn)速，因此防爆重型電動鏟板車采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的控制算法。安全制動技術(shù)系統(tǒng)圖如圖1。

圖1 安全制動技術(shù)系統(tǒng)圖Fig.1 Safety braking technology system diagram

駕駛員通過油門給定加速信號，整車控制器對輸入的電壓信號進行處理分析，通過不同的工況選擇最優(yōu)的加速曲線，生成轉(zhuǎn)矩電流指令I ，同時根據(jù)實時對電動機電流、電壓、轉(zhuǎn)速進行采集的數(shù)據(jù)，進行磁鏈計算、轉(zhuǎn)矩補償、實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制?？刂菩盘柾ㄟ^驅(qū)動模塊后控制通過三相IGBT 逆變器驅(qū)動電動機[3]。制動時，整車控制器采集制動踏板的信號，對信號進行分析，處理，閉鎖加速給定，整車控制器下發(fā)指令給電機控制器，電機控制器調(diào)用回饋控制子程序，輸出制動電流，產(chǎn)生制動扭矩，由于電機控制器可以四象限運行，在制動同時，電機處于再生制動狀態(tài)，將回饋能量以電流的形式回饋至鉛酸蓄電池。為了減少機械剎車磨損、確保長距離重載下坡安全，重型電動鏟板車的制動形式采用液壓制動跟電制動的組合制動[4]。具體分為以下3 種制動形式：

1）緊急制動。在緊急制動過程中，安全為第一位。為盡快實現(xiàn)重型電驅(qū)動鏟板車制動停車，用力踩下制動踏板，此時制動為液壓制動，緊急情況下可拍下急停開關(guān)，以最快的響應抱閘停車，確保安全。

2）行車過程中車輛只減速不停車。在制動過程中，輕踩剎車，這時制動方式主要為電制動，避免了剎車磨損，同時實現(xiàn)能量回收。

3）車輛在下坡時，設定速度上限。在下坡過程中即使不操作制動踏板，當電機轉(zhuǎn)速達到設定速度上限時，電機控制器即可自動調(diào)用再生制動回饋子程序?？刂栖囕v按照設定速度上限定速下坡，這樣既可以防止飛車，又可以防止機械剎車磨損，確保車輛在重載下坡過程中的安全性。同時車輛具備懸停功能，該功能適合車輛在半坡停車，或者在半坡作業(yè)過程中可以有效防止車輛溜車。煤礦井下因剎車系統(tǒng)失靈導致的安全事故較為常見，本系統(tǒng)具有的下坡自動限速功能和懸停功能可以保障防爆重型電驅(qū)動鏟板車在使用過程中特別是長距離重載下坡時的安全性[5]。

2.2 防爆電驅(qū)動重型鏟板車防人員碰撞技術(shù)

煤礦井下環(huán)境較為惡劣，視線、路況較差，經(jīng)常有井下車輛傷人事故。特別是重型作業(yè)車在綜采工作面由于噪音較大，更容易發(fā)生礦工擠傷，撞傷等事故。為了保護礦工的生命安全，防爆重型電動鏟板車采用防碰撞技術(shù)。該人員防碰撞控制系統(tǒng)安裝在重型電動鏟板車上用于探測其一定范圍內(nèi)存在的人員和機械，當預先設定的區(qū)域內(nèi)有人員或機器進入時，系統(tǒng)可以根據(jù)人員接近的距離作出相應的控制指令，接近距離分為2 個等級：人員進入第1 等級報警區(qū)域時系統(tǒng)發(fā)出警報但不停機；人員進入第2 等級報警區(qū)域時，整車控制器控制電機制動，急停動作，緊急停車。

近感探測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是確定人與設備的位置，采用測距方式實現(xiàn)位置識別。信息化人員定位標識卡和車載探測器相互發(fā)射電磁波，電磁波飛行時間和光速的乘積計算出精確距離，根據(jù)多個距離可以唯一確定信息化人員定位標識卡的坐標位置，系統(tǒng)將識別坐標所在區(qū)域，并在探測器和信息化人員標識卡上給出雙向聲光告警信息，并在人員進入第2 等級報警區(qū)域時系統(tǒng)停機。

防人員碰撞系統(tǒng)圖如圖2，防人員碰撞系統(tǒng)由主控制器、探測器、報警器、顯示器、人員標識卡組成。當人員進入車輛1.5 m 內(nèi)報警器發(fā)出警報，同時顯示器顯示礦工進入的報警范圍的位置，且伴隨聲光信號。當人員進入1.5～3.5 m 內(nèi)則防碰撞控制器給整車控制器下發(fā)指令，顯示器顯示進入停車范圍內(nèi)礦工的位置，整車控制器控制電機控制器閉鎖電機輸出，同時控制急停開關(guān)動作，抱閘，斷電。確保整車停機，保障礦工的生命安全[6]。

2.3 防爆重型電驅(qū)動鏟板車自動滅火技術(shù)

圖2 防人員碰撞系統(tǒng)圖Fig.2 Personnel collision prevention system diagram

礦井火災是煤礦井下5 大災害之一，可引起瓦斯爆炸、著火區(qū)域可采煤層封閉、在著火同時引發(fā)較大的災害，嚴重的影響著礦工的生命安全和煤礦生產(chǎn)，對經(jīng)濟帶來極大的傷害。井下重型電驅(qū)動鏟板車主要工作在綜采工作面負責搬家與回撤，在使用過程中，重型電驅(qū)動鏟板車在使用過程中，因為巷道狹窄，在作業(yè)過程中由于井下復雜路面，很容易與煤壁發(fā)生撞擊，大容量鉛酸蓄電池容易在顛簸路面發(fā)生打火現(xiàn)象，萬一發(fā)生火災，帶來的損失不可估計。重型電驅(qū)動鏟板車有液壓油路、大容量鉛酸蓄電池，都有潛在發(fā)生重大火災的安全隱患，所以研究防爆重型電驅(qū)動鏟板車自動化滅火技術(shù)對煤礦安全具有極其重要的意義[7]。自動滅火系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖如圖3。

圖3 自動滅火系統(tǒng)控制系統(tǒng)圖Fig.3 Control system diagram of automatic fire extinguishing system

自動滅火系統(tǒng)主要有滅火罐、滅火控制器、噴灑管路、噴頭、火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器、電動球閥組成。自動滅火控制器自動檢測火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器的實時狀態(tài)信息，以及各傳感器連接狀態(tài)等，當控制器檢測到保護區(qū)域溫度異常或火焰信號后，控制器采集傳感器數(shù)據(jù)并分析處理，發(fā)出聲光報警信號，警告現(xiàn)場礦工盡快撤離現(xiàn)場，報警延時2 s，當報警結(jié)束后自動滅火控制器控制電磁閥打開滅火瓶，對整車所有保護區(qū)域進行全方位的滅火。在特別緊急情況下，現(xiàn)場礦工可以采用人工開啟方式，手動打開滅火裝置，對整車進行全方位的滅火。自動滅火控制器通過CAN 通信跟整車控制器進行信息交互，當檢測到火災時，整車控制器控制整車斷電停機，確保礦工的生命安全。整車配備有4G 無線信息發(fā)送終端，在發(fā)在火災的同時，4G 無線通信模塊收到整車控制器指令，4G 無線通信模塊將火災信息采用4G 無線通信方式傳輸至地面調(diào)度室，發(fā)出報警信號，實現(xiàn)礦方對井下火災的實時監(jiān)測，統(tǒng)一調(diào)度指揮，提高礦井的安全性，全力保障礦工的生命安全[8]。為了確保自動滅火系統(tǒng)的可靠性，經(jīng)過現(xiàn)場驗證測試結(jié)果為：探測距離≥5 m、探測角度大于等于120°、溫度檢測范圍150～200 ℃、噴灑范圍90%、探測時間≤0.2 ms、電動球閥開啟時間≤0.2 s。

經(jīng)過多次現(xiàn)場驗證，自動滅火系統(tǒng)可以滿足當重型電動發(fā)生火災自動開啟滅火功能，對整車保護區(qū)域?qū)嵤┤轿坏臏缁?，對提高防爆重型電?qū)動鏟板車的使用安全性具有重要意義。

2.4 防爆重型電驅(qū)動鏟板車漏電保護技術(shù)

煤礦井下工礦惡劣，潮濕，供電設備極易發(fā)生漏電事故、短路，人工觸電，防爆重型電驅(qū)動鏟板車采用動力源為大容量防爆特殊型鉛酸蓄電池，瞬間放電電流可以達到DC800 A，有較大的潛在安全隱患，為了提高防爆重型電驅(qū)動鏟板車的安全性能，研究漏電閉鎖保護技術(shù)，可實現(xiàn)當漏電流傳感器監(jiān)測到漏電信號時，整車控制器控制整車電氣隔離開關(guān)跳閘斷電停機[9]，實現(xiàn)對整車電氣件、人身的保護。漏電保護原理圖如圖4。

圖4 漏電保護原理圖Fig.4 Schematic diagram of leakage protection

正負直流母線穿過漏電流傳感器，漏電保護控制器通過電壓變換器將DC24 V 轉(zhuǎn)換成±12 V,給漏電流流傳感器供電，當整車漏電時，漏電流傳感器輸出電壓信號，漏電保護控制器對該電壓信號處理后輸出控制信號，斷路器監(jiān)測到該跳閘信號，跳閘斷電。漏電保護控制器原理圖如圖5。

圖5 漏電保護控制器原理圖Fig.5 Schematic diagram of leakage protection controller

如圖5，漏電流傳感器輸出電壓信號從IN 端子輸入，輸入電壓比較器，當漏電流傳感器輸入信號大于2 V 時電壓比較器輸出高電平，三極管導通，繼電器線圈得電，常開觸點閉合，斷路器脫扣線圈得電跳閘。該漏電保護控制系統(tǒng)已成功應用于多款礦用重型電驅(qū)動鏟板車，性能可靠[10]。

3 結(jié) 語

1）重型電驅(qū)動鏟板車滿載重量會達到近200 t，而且重型電驅(qū)動鏟板車經(jīng)常會有長距離下坡路況，提出的安全節(jié)能制動技術(shù)使電動重型鏟板車在下坡過程中可以減少剎車機械磨損，增加車輛的可靠性。特別是車輛下坡自動限速功能，防溜車懸停功能可以確保車輛在運行過程中的安全性。

2）由于煤礦井下的惡劣工礦，礦工很容易被可移動設備擠傷，采用防人員碰撞保護技術(shù)，有效保障了井下礦工的生命安全。

3）重型電驅(qū)動鏟板車有液壓油路、大容量鉛酸蓄電池，都有潛在發(fā)生重大火災的安全隱患，針對上述問題，提出的自動滅火技術(shù)以在重型電驅(qū)動鏟板車發(fā)生火災時，觸發(fā)自動滅火系統(tǒng)，進行在保護范圍內(nèi)全覆蓋滅火，確保井下礦工和設備安全。

4）針對防爆重型電驅(qū)動鏟板車采用大容量鉛酸蓄電池，有潛在的漏電安全隱患，介紹了漏電保護技術(shù)，在實際應用中性能可靠。