黑岱溝露天煤礦8750-65 型邁步式吊斗鏟智能化監(jiān)測

王欣欣

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，越來越多的行業(yè)都在朝著自動化智能化方向發(fā)展。黑岱溝露天煤礦作為亞洲最大的露天煤礦之一，也率先開始嘗試煤礦智能化設(shè)備探索和應(yīng)用，目前總體框架已初步形成，各項(xiàng)工作正在穩(wěn)步推進(jìn)和開展。黑岱溝露天煤礦8750－65 型吊斗鏟智能化監(jiān)測就是其中典型設(shè)備之一。8750－65 型邁步式吊斗鏟是準(zhǔn)能集團(tuán)于2015 年采購的美國卡特彼勒公司專門為礦山開采倒堆工藝設(shè)計制造的超大型露天采礦設(shè)備，總高度71 m、回轉(zhuǎn)半徑100 m、自重5 308 t、總功率28 414 kW，單斗裝載物料約200 t，平均日產(chǎn)生產(chǎn)能力86 600×（1±5%）m3，設(shè)備價值超6 億元人民幣。于2017 年10 月正式投入使用開始為黑岱溝露天煤礦服役，至今已運(yùn)行近15 年，累計產(chǎn)量約2.2億m3。隨著使用年限的不斷延長，吊斗鏟自身狀態(tài)逐漸開始老化，故障率逐漸升高，影響了黑岱溝露天煤礦獨(dú)有的倒堆工藝連續(xù)性，同時也給設(shè)備檢修和維護(hù)增加了難度。為此，根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況，針對吊斗鏟各系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行情況，有計劃地實(shí)施智能化監(jiān)測項(xiàng)目來輔助檢修工作的開展，已達(dá)到故障早期預(yù)測、減少停機(jī)檢修時間、提高設(shè)備出動率的目的。

1 吊斗鏟目前運(yùn)行狀態(tài)

8750－65 型吊斗鏟作為黑岱溝露天煤礦降段倒堆工藝的核心設(shè)備，承擔(dān)著采煤工作面拋擲爆破后土巖物料剝離、倒堆、露煤的工作任務(wù)。作業(yè)連續(xù)性要求非常高，通常單次爆破拋擲量超過400 萬m3，需要吊斗鏟連續(xù)作業(yè)45～50 d，這就對吊斗鏟自身運(yùn)行狀態(tài)有著極高的要求。吊斗鏟經(jīng)過14 年多超過50 000 多h 的運(yùn)行，各機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的狀態(tài)和性能明顯下降，其中以電氣系統(tǒng)、提升和回拉機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)尤為突出[1－2]。

1）電氣系統(tǒng)。吊斗鏟電氣系統(tǒng)軟、硬件全部是由西門子公司設(shè)計制造的，通過3 臺6 000 kVA 主變壓器控制輸入電壓，48 塊IGBT 模塊，采用PLC＋VCC程序控制行走、回轉(zhuǎn)、提升和回拉各部工作狀態(tài)。近年來，由于電氣系統(tǒng)故障導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)頻率逐漸升高。通過歷次檢修分析發(fā)現(xiàn)其主要是由于各部電氣元件老化損壞、控制系統(tǒng)信號反饋錯誤或丟失、電機(jī)和變壓器等關(guān)鍵部件早期磨損未能及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致的故障頻繁觸發(fā)吊斗鏟PLC 控制程序中的報警程序而出現(xiàn)的自保護(hù)停機(jī)行為。此類故障的特點(diǎn)就是隱蔽性強(qiáng)，日常維護(hù)和檢查過程中不易檢查發(fā)現(xiàn)，瞬間發(fā)生后對正在運(yùn)行中的吊斗鏟機(jī)械部分有非常大的影響，極易造成衍生故障，延長停機(jī)時間[3－4]。

2）提升和回拉機(jī)構(gòu)。吊斗鏟采用2 臺功率9 695 kW 的交流電動機(jī)分別直接驅(qū)動直徑3.25 m 的提升和回拉滾筒，實(shí)現(xiàn)吊斗鏟鏟斗挖掘、排棄物料的各種動作。2 臺電機(jī)作為核心驅(qū)動裝置其狀態(tài)直接決定了吊斗鏟工作效率的高低。2019 年，提升和回拉滾筒軸承異常磨損但由于沒有狀態(tài)監(jiān)測裝置未能提前發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致吊斗鏟停機(jī)近4 個月緊急采購配件進(jìn)行更換；近年來提升和回拉電機(jī)的氣隙值多次出現(xiàn)信號反饋異常導(dǎo)致設(shè)備保護(hù)性停機(jī)。這些問題給吊斗鏟的正常運(yùn)行造成了極大影響，嚴(yán)重制約了黑岱溝露天礦正常的生產(chǎn)安排。

3）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。吊斗鏟回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由6 部功率932 kW的回轉(zhuǎn)電機(jī)通過二級行星減速箱傳遞力矩驅(qū)動相對應(yīng)的6 根回轉(zhuǎn)立軸和小齒輪帶動與其相嚙合的回轉(zhuǎn)大齒圈轉(zhuǎn)動，從而完成吊斗鏟上部機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)動作。6 根回轉(zhuǎn)立軸自2012 年開始陸續(xù)出現(xiàn)無任何征兆突然斷裂的情況，截止2021 年5 月23 日，6 根回轉(zhuǎn)立軸共計出現(xiàn)斷裂故障17 件次，直接經(jīng)濟(jì)損失超過1 000 萬元。同時由于回轉(zhuǎn)立軸斷裂，立軸上安裝的驅(qū)動小齒輪脫落后與回轉(zhuǎn)大齒圈發(fā)生擠壓，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)大齒圈出現(xiàn)斷齒、回轉(zhuǎn)平臺地板摩擦擠壓致使地板塌陷、破裂并引燃潤滑油起火。給吊斗鏟回轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶來了不可估量的損失以及后期運(yùn)行的極大安全隱患[5-6]。

4）行走機(jī)構(gòu)。吊斗鏟質(zhì)量超過5 300 t，采用的是邁步式行走方式，由4 臺功率858 kW 的行走電機(jī)通過4 臺三級減速箱和2 部凸輪機(jī)構(gòu)帶動行走靴實(shí)現(xiàn)邁步式前進(jìn)或倒退功能。作為中間傳動關(guān)鍵部件，4 臺行走減速箱內(nèi)的第1、第2、第3 軸軸承一直是日常檢查和維護(hù)的盲區(qū)，卡特彼勒公司一直未提供相應(yīng)軸承和齒輪的檢查更換標(biāo)準(zhǔn)和周期，全部憑借技術(shù)人員檢修經(jīng)驗(yàn)判斷減速箱軸和齒輪狀態(tài)的好壞，存在非常大的偶然性和不確定性，難以保證準(zhǔn)確判斷和確認(rèn)行走減速箱工作狀態(tài)。

基于上述情況，吊斗鏟有必要安裝和配置各機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)相應(yīng)的智能化監(jiān)測手段和措施，代替原始的人工檢查方式，不間斷的對吊斗鏟狀態(tài)進(jìn)行檢查和評估，做到提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備零部件的早期磨損以及異常數(shù)據(jù)，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)綜合分析手段對異?，F(xiàn)象做出準(zhǔn)確合理的預(yù)測和診斷，防患于未然，同時為檢修人員制定解決方案提供數(shù)據(jù)支撐，制定了吊斗鏟相關(guān)系統(tǒng)關(guān)鍵部件智能化監(jiān)測總體框架方案。

2 吊斗鏟智能化監(jiān)測總體框架方案

由于吊斗鏟自身的特殊性和復(fù)雜性，并且所有系統(tǒng)和部件均為進(jìn)口產(chǎn)品，現(xiàn)階段設(shè)計安裝1 套綜合性智能化監(jiān)測系統(tǒng)在技術(shù)方面、多領(lǐng)域融合方面仍然存在諸多難題。所以目前從實(shí)用性和可操作性考慮，根據(jù)吊斗鏟各個系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)以及關(guān)鍵部件的性能、工作條件、運(yùn)行特點(diǎn)分別對其采取監(jiān)測手段和措施的方案較為適合和穩(wěn)妥。

1）電氣系統(tǒng)監(jiān)測。為吊斗鏟電控系統(tǒng)加裝1 套運(yùn)行數(shù)據(jù)提取、分析軟件，對吊斗鏟PLC、VCC、SIBAS 等多個控制系統(tǒng)和模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位監(jiān)測，通過檢測軟件分析功能判斷數(shù)據(jù)有無異常做出預(yù)診斷，并將異常數(shù)據(jù)設(shè)置報警功能，以提醒設(shè)備操作和檢修人員進(jìn)行檢查核實(shí)，最大限度減少異常數(shù)據(jù)或電氣故障升級而造成吊斗鏟保護(hù)性停機(jī)[7-8]。

2）關(guān)鍵部件軸承監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計安裝1 套軸承監(jiān)測裝置，在吊斗鏟提升和回拉滾筒兩側(cè)、行走和回轉(zhuǎn)電機(jī)以及減速箱、回轉(zhuǎn)立軸等關(guān)鍵部件軸承位安裝測點(diǎn)，提取各部軸承震動頻率、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，通過計算傳動比、載荷相互之間的關(guān)系判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)。

3）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件探傷系統(tǒng)。制定并實(shí)施吊斗鏟6 根回轉(zhuǎn)立軸和小齒輪以及回轉(zhuǎn)大齒圈自動化和人工探傷相結(jié)合的監(jiān)測方案。6 根回轉(zhuǎn)立軸安裝自動探傷裝置；回轉(zhuǎn)小齒輪和回轉(zhuǎn)大齒圈使用超聲波探傷儀定期探傷，二者探傷結(jié)果定期匯總分析，確認(rèn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)部件是否存在裂紋缺陷。

4）自動滅火系統(tǒng)。在吊斗鏟機(jī)棚內(nèi)部、中盤隔艙、回轉(zhuǎn)平臺隔艙安裝高靈敏度自動滅火系統(tǒng)，重點(diǎn)對火災(zāi)隱患較大的部位進(jìn)行監(jiān)控，防止因電氣系統(tǒng)或機(jī)械部件起火導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生。

3 方案實(shí)施及應(yīng)用情況

自2019 年3 月開始建立吊斗鏟的設(shè)備預(yù)測性維修分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)存儲。針對吊斗鏟工作特性和工作環(huán)境進(jìn)行模型數(shù)據(jù)訓(xùn)練，建立專有的數(shù)據(jù)模型；設(shè)計、部署數(shù)據(jù)分析軟件、提供遠(yuǎn)程診斷服務(wù)；建立設(shè)備預(yù)測性維修分析系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)時指導(dǎo)吊斗鏟的維護(hù)工作。

3.1 電氣系統(tǒng)監(jiān)測情況

1）提升回拉電氣系統(tǒng)監(jiān)測情況。實(shí)現(xiàn)了潤滑系統(tǒng)（滾筒潤滑油問題、潤滑油系統(tǒng)－壓力或流量問題、潤滑油冷卻器－結(jié)垢或冷卻損失、潤滑油箱問題、傳感器故障等）、機(jī)械部分（電機(jī)軸承、滾筒）、電機(jī)熱電（電機(jī)溫度高、電機(jī)冷卻不足、電機(jī)傳感器故障等）、電傳控制（回路不平衡、傳感器故障）的監(jiān)測。診斷了變頻系統(tǒng)（相位不平衡、控制問題、電抗器溫度高、AFE 溫度高、逆變器溫度高、斬波器/勵磁器溫度高、冷卻系統(tǒng)問題、IGBT 溫度類探頭故障、電抗器溫度探頭故障、電氣類探頭故障、控制類探頭故障）、電機(jī)電氣（各繞組定子溫度高、滑環(huán)溫度高、氣隙偏心、冷卻問題、控制故障、負(fù)載不平衡、溫度類傳感器故障）、機(jī)械部分（電機(jī)－驅(qū)動端軸承－軸承問題、電機(jī)－非驅(qū)動端軸承－軸承問題、電機(jī)－驅(qū)動端軸承－冷卻問題、電機(jī)－非驅(qū)動端軸承－冷卻問題、滾筒－軸承問題、滾筒－磨損問題、滾筒－潤滑問題、機(jī)械類傳感器故障）等故障。

2）行走系統(tǒng)監(jiān)測情況。實(shí)現(xiàn)了機(jī)械部分（凸輪軸齒輪，行走靴位置、齒輪箱軸承、電機(jī)潤滑、電機(jī)軸承等）、電機(jī)熱電（電機(jī)溫度高、電機(jī)冷卻不足、電機(jī)傳感器故障等）、電傳控制（回路不平衡、控制系統(tǒng)傳感器故障）。診斷了變頻系統(tǒng)（控制問題、相態(tài)不平衡、IGBT 溫度高、冷卻問題、IGBT 傳感器故障、電抗器傳感器故障）、電機(jī)電氣（電機(jī)控制問題、電機(jī)相態(tài)不平衡、電機(jī)負(fù)載不平衡、電機(jī)過載、電機(jī)溫度高、電機(jī)冷卻不足、溫度傳感器故障）、機(jī)械部分（齒輪箱－齒輪問題、齒輪箱－第1 中間軸齒輪問題、齒輪箱－第1中間軸承問題、齒輪箱－第2 中間軸齒輪問題、齒輪箱－第2 中間軸承問題、齒輪箱－小齒輪軸承問題、電機(jī)－軸承問題、左側(cè)推進(jìn)凸輪裝置問題、右側(cè)推進(jìn)凸輪裝置問題、行走機(jī)構(gòu)－潤滑油問題、機(jī)械類傳感器故障）等故障。

3）回轉(zhuǎn)系統(tǒng)監(jiān)測情況。實(shí)現(xiàn)了潤滑（滾筒潤滑油問題、潤滑油系統(tǒng)－壓力或流量問題、潤滑油冷卻器－結(jié)垢或冷卻損失、潤滑油箱問題、傳感器故障等）、機(jī)械部分（電機(jī)軸承、滾筒）、電機(jī)熱電（電機(jī)溫度高、電機(jī)冷卻不足、電機(jī)傳感器故障等）、電傳控制（回路不平衡、傳感器故障）的監(jiān)測。

診斷了變頻系統(tǒng)（控制問題、相態(tài)不平衡、IGBT溫度高、冷卻問題、IGBT 傳感器故障、電抗器傳感器故障）、電機(jī)電氣（電機(jī)控制問題、電機(jī)相態(tài)不平衡、電機(jī)負(fù)載不平衡、電機(jī)過載、電機(jī)左右負(fù)載不平衡、電機(jī)溫度高、電機(jī)冷卻不足、溫度傳感器故障）、機(jī)械部分（電機(jī)軸承問題、齒輪箱齒輪問題、齒輪箱小齒輪軸承問題、左側(cè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)－潤滑油問題、右側(cè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)－潤滑油問題、中心軸潤滑油問題、潤滑油傳感器故障）等故障。

4）輔助系統(tǒng)可診斷的故障情況。診斷了主變壓器（定子繞組溫度高、冷卻問題、油品質(zhì)量問題、油箱問題、傳感器故障）、冷卻系統(tǒng)（冷卻問題、傳感器故障）等故障。

5）SmartSignal 軟件應(yīng)用情況。截止2021 年11月30 日，共監(jiān)測到吊斗鏟運(yùn)行狀態(tài)異常案例101次，其中可以認(rèn)定有效案例數(shù)量約為52 次。其中多次監(jiān)測到吊斗鏟6 部回轉(zhuǎn)電機(jī)扭矩偏差和電抗器溫度傳感器數(shù)據(jù)異常，經(jīng)檢修人員上機(jī)檢查確認(rèn)，兩側(cè)回轉(zhuǎn)電機(jī)扭矩的確存在較大偏差、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)2＃電抗器3 項(xiàng)溫度不平衡，并立即對隱患部位進(jìn)行了檢查和處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，避免了回轉(zhuǎn)電機(jī)損壞以及回轉(zhuǎn)電氣系統(tǒng)故障造成停機(jī)的嚴(yán)重后果。軟件監(jiān)測及分析案例詳細(xì)情況如下：①回轉(zhuǎn)系統(tǒng)左右兩側(cè)電機(jī)扭矩偏差過大：2021 年2 月28 日至3 月13 日之間，吊斗鏟回轉(zhuǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)了多次左右兩側(cè)回轉(zhuǎn)電機(jī)扭矩偏差大的現(xiàn)象，統(tǒng)計扭矩偏差超過10 000 N·m的記錄供給出現(xiàn)大約8 次；②吊斗鏟回轉(zhuǎn)系統(tǒng)2＃電抗器U 相溫度高：2021 年3 月7 日下午10：23：51，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)2＃電抗器U、V、W 三相溫度分別為35、32、35 ℃，至下午10：28：51，U 項(xiàng)溫度躍升至40 ℃，其他2 相溫度維持不變，至3 月24 日，U 項(xiàng)溫度基本上維持高于其他,2 相溫度5～10 ℃的狀態(tài)不變。

3.2 吊斗鏟軸承監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測情況

“GE”大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要功能傾向于吊斗鏟電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析。2020 年3 月，為吊斗鏟加裝了1 套軸承監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用瑞典SPM公司生產(chǎn)的SPM4000 軸承監(jiān)測設(shè)備和軟件，在吊斗鏟各關(guān)鍵部位共計安裝44 個傳感器測點(diǎn)，利用HD高清沖擊脈沖技術(shù)（采用HD 沖擊脈沖測試，可以提早到3～6 個月發(fā)現(xiàn)軸承的故障，預(yù)知軸承的早期、中期、晚期故障，潤滑是否良好；通過HD 沖擊脈沖頻譜分析，很容易分清是齒輪問題還是軸承問題）和振動檢測技術(shù)（含專利齒輪箱診斷技術(shù)：時間同步平均、虛擬轉(zhuǎn)速、高清轉(zhuǎn)頻追蹤技術(shù)及圓坐標(biāo)，清晰的看出齒輪嚙合故障）相結(jié)合的手段，對吊斗鏟提升和回拉滾筒軸承、行走減速箱軸承、回轉(zhuǎn)減速箱軸承狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和實(shí)際檢查對比，截至目前，各部軸承狀態(tài)良好。

3.3 吊斗鏟自動滅火系統(tǒng)的應(yīng)用情況

2020 年初，吊斗鏟安裝了1 套自動滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用干粉和七氟丙烷氣體作為阻燃介質(zhì)，同時在吊斗鏟機(jī)艙內(nèi)部多個點(diǎn)位安裝高靈敏度煙感傳感器和火焰識別攝像頭，實(shí)時監(jiān)測吊斗鏟機(jī)艙內(nèi)部和回轉(zhuǎn)底盤部位。當(dāng)傳感器監(jiān)測到煙氣濃度超標(biāo)或發(fā)現(xiàn)火焰時，自動報警并將報警信號傳回駕駛室，駕駛室設(shè)置手動啟動滅火按鈕，設(shè)備操作人員如未能在限定時間內(nèi)啟動滅火系統(tǒng)，則系統(tǒng)自動開啟，噴出阻燃介質(zhì)進(jìn)行滅火作業(yè)。經(jīng)過多次實(shí)測，目前滅火系統(tǒng)應(yīng)用良好。

3.4 回轉(zhuǎn)立軸相控陣探傷儀應(yīng)用情況

由于吊斗鏟結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式極為特殊，回轉(zhuǎn)立軸探傷一直是吊斗鏟預(yù)防性檢修的難題。為此，邀請國內(nèi)多家材料檢測檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和研究所進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，擬對6 根回轉(zhuǎn)立軸安裝適用的自動或半自動探傷設(shè)備。

4 結(jié)語

近2 年來，在吊斗鏟日常維護(hù)和檢修過程中，智能化監(jiān)測系統(tǒng)為檢修人員提供了充足的、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，減少了吊斗鏟非常規(guī)故障停機(jī)時間。據(jù)統(tǒng)計，2020 年吊斗鏟故障率較2017—2019 年故障率同比下降近10 個百分點(diǎn)，停機(jī)時間減少約600 h，極大地保證了吊斗鏟倒堆工藝的連續(xù)性，為黑岱溝露天煤礦生產(chǎn)任務(wù)的順利完成奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，礦山智能化建設(shè)的推進(jìn)速度將越來越快，8750－65 型吊斗鏟作為亞洲唯一的巨無霸礦山采掘設(shè)備，其智能化監(jiān)測程度將會越來越高，下一步的工作方向就是將現(xiàn)有的監(jiān)測手段和措施合理整合，形成全面性、系統(tǒng)性的智能檢測平臺。積極尋求運(yùn)用更多的新技術(shù)、新工藝，開創(chuàng)露天煤礦開采設(shè)備智能化檢修的嶄新道路。