论文部分内容阅读
[摘 要]本文分析了WK-55电铲电器柜运行方式及存在的问题，提出改造方案及技术配套，并根据现场的运行情况，成功地在一台WK-55电铲实施了系统改造工程，为以后类似问题的解决提供了技术参考并积累了宝贵经验，取得了良好的经济效益，提高了设备出动率。
[关键词]WK-55电铲 回转逆变器 推压逆变器 行走逆变器 AFE 缓冲结构块 减震器 改造技术
中图分类号：TD422.2+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）33-0116-02
1 WK-55电铲概况
WK-55型矿用机械正铲式挖掘机是太重公司研制的大型露天矿的采装设备，简称为WK-55电铲，它与172—254t矿用大卡车配套使用，可以满足三千万吨级大型露天煤矿、铁矿及有色金属矿山的剥离和采装作业，同时也为新建矿山建设提供了一种规格全新、性能全优的可选装备。神华准能集团黑岱沟和哈尔乌素两露天煤矿共有7台WK-55电铲生产作业。
WK-55电铲采用了三维仿真和有限元分析等现代设计方法，对整机性能和工作尺寸进行合理的选择；充分发挥出挖掘机自身的效力，提高了挖掘机与范围宽广的各种矿车的匹配性，更好地满足矿山高效装载、降低单位生产成本的要求。在工作装置、中部平台、下部等承载结构部件上，合理选材、优化组合提高了整机可靠性。
WK-55电铲在两矿主要负责剥离岩石、采装原煤，日常维护和保养非常重要。结合WK-55电铲工作特点和工作环境，充分利用高低压一体集电环代替分体式高压集电环和低压集电环，降低维护成本，减少检修时间，提高了设备的出动率。
2 WK-55电铲电气系统概况
2.1 WK-55矿用变频挖掘机电气系统
WK-55电铲电气系统为“上位综合监控系统+PLC+基础变频传动”组成的三级控制系统。上位综合监控系统检测和显示挖掘机的运行状态，PLC 实现整机运行的时序逻辑控制；变频传动驱动各机构协调动作，实现可控运行。三级之间数据交换通过 PROFIBUS DP 总线通讯实现。变频传动使用能量再生式（回馈式）公用直流母線变频调速方案。
WK-55电铲电气系统供电部分电铲的进线电源：高压6000V±10%，3相，5OHz。
由矿山高压电网——尾部电缆卷筒——高压集电环——高壓控制柜——变压器——AFE装置——逆变器柜——变频电机——低压集电环——控制装置。
2.1.1 尾部电缆卷筒（带排缆器）
可实现电缆拖动机械化、自动化，提高挖掘机的作业率，保障工人的安全，减轻工人的劳动强度，满足用户对尾部电缆卷筒自动收放的要求。该电缆卷筒配有自动排缆器，可实现尾部电缆的自动缠绕和收放。电缆卷筒为原装进口产品。
2.1.2 高压集电环
安装在回转平台底部。三个电源环，一个接地环。
2.1.3 高压开关柜
高压电缆进线到负荷开关，输出二路，一路通过熔断器到辅助变压器、另一路通过真空断路器到主变压器。高压开关柜含有微机保护装置并完全符合高压电气“五防”要求。
2.1.4 低压集电环
用以实现上下车（行走机构）低压动力电源及控制信号的传输。
2.1.5 380主隔离开关
用以实现用以实现全铲各部控制电源、风机、加热器、焊机、卷扬等隔离。
2.1.6 AFE整流系统
用以实现外部三项交流输入转换直流输出为各逆变柜提供动力。
2.1.7 逆变柜
用以实现将AFE传输直流转变为可调交流以为给各部电动机提供能量。
2.1.8 缓冲器
用以减小电器柜晃动，增加电器间整体稳定性。
2.2 电器柜进行改造的原因
电器附件装置包括平台线槽布置、电器柜底座、电器间、切换柜底座、通风装置、切换柜上部缓冲装置、PLC 上部缓冲装置等，如图1所示。平台线槽内布置电缆线，上面用花纹钢板做盖板，又可以做人行通道。电器柜底座放在右架高底座里，用于放置两组电器控制柜。电器间位于右主平台上，与右架高底座共同构成一个封闭的空间。切换柜也位于右主走台上，它与电器柜互相独立。切换柜底座和电器柜底座根据电器柜重量及冲击载荷的大小均布置数量不等的弹簧减震器和聚胺脂缓冲块，以减少工作过程中冲击载荷对电器控制柜的影响。但是在实际运行过程中，弹簧减震器和聚胺脂缓冲块由于老化及本身抗压极限不够，并不能有效缓冲频繁的冲击载荷对电器柜的影响。
WK-55电铲投入作业以来由于本身电器间设计不合理、工况环境恶劣、岩层爆破不理想、司机操作手法不当等诸多原因造成几乎所有该系列电铲电器间晃动严重，电器柜地脚出现不同程度开裂。其中哈尔乌素露天煤矿的2#WK-55电铲的1#、2#、3#回转逆变柜除地脚开裂外，已出现变频器整体前倾，严重影响设备正常安全运行，AFE连接软线由于布置不合理容易被突出物割破造成重大电气故障。实际上，在改造前2#WK-55电铲电气故障率明显高于该系列其他电铲，IGBT频繁击穿，现场技术人员通过多次研究分析，认为电器间晃动严重是造成该电铲故障频繁的重要诱因。太重技术中心的研究人员也表示，电器间晃动容易造成包括回转失控在内的各种重大电气故障，建议加固处理。
3 故障现象及分析
3.1 通过日常点检保养和阶段性的计划检修，现场技术人员发现2#WK-55电铲存在以下问题
1）电器间电器柜在电铲满负荷运行时会出现极严重的晃动，尤其是三个回转逆变柜在电铲装料时会左右前后摇摆，经监测，三个逆变器均已前倾3度以上。
2）由于晃动严重，各变频柜及辅助柜地脚严重开裂。由于各电器柜晃动严重，该电铲各部重大电气故障频发，电器柜内大量元器件烧损，部分固定角钢受到冲击发乌发黑。由于各电器柜晃动，电铲各部的结构件变形，发生位移，动力部分和控制部分互相干扰。大量故障造成了巨额的经济损失，产生了大量人工成本。 3.2 回转逆变柜内部结构形变
变频器本身安装于电器间狭小的空间内，观察其内部形变并不容易。现场技术人员经过理论分析研究变频器结构和多方面观察，发现变频器柜体内部各连接器已经出现不同程度断裂，变频器有整体向前倾甚至倾倒的趋势，变频柜下部减震结构出现开裂并发生位移导致固定失效，鉴于此技术人员准备将回转逆变柜分解，取下电容组、汇流排、IGBT，将整个变频器提取出来。
4 现场实施
4.1 现场分解回转逆变柜
1）结合现场的实际情况，对回转逆变器系统进行分解。逐一取出回转1#、2#、3#逆变器内电容组、汇流排、IGBT。
2）提出回转1#、2#、3#逆变柜内逆变器。
3）对原逆变柜内连接器进行修复，重新布置回转逆变柜通信连接光缆，校正直流母线固定架。
4）安装回转逆变器，恢复连接控制线路。
5）对逆变器与其柜体重新设计连接，重新做支撑。将连接部分和支撑部分平均分布到整个柜体，力求达到受力均匀。
6）恢复逆变柜柜底减震系统固定连接器，使发生位移的部分复位，对已开裂部分补焊修复。
4.2 現场分解推压逆变柜
推压逆变柜分解方法和回转逆变柜类似。
4.3 为左右行走逆變柜加装固定缓冲器
WK-55电铲在原始设计中没有单独的行走逆变器，后来在改造时新加的逆变柜缺乏固定缓冲，使之在运行时不断晃动有倾倒的危险。考虑到独木难支，现场人员为左右行走逆变柜加装了两个固定缓冲器，以提高柜体稳定性。
4.4 对电器柜上部减震系统重新规划设计
由于原始设计存在漏洞使原有缓冲系统无法发挥功效，缓冲失效造成电器柜受到应力容易产生形变，使电器柜晃动加剧。现场技术人员重新规划设计了电器柜上部减震系统，在电器柜上部加装了整体缓冲块，减小了缓冲间隙，对连接梁进行整体强化，使电器间稳定性得到了极大的改善。
4.5 对AFE连接软线进行重新优化布置
1）解除原先AFE连接软线并拆除固定支架。
2）对新连接线进行绝缘强化处理。
3）重新优化固定AFE连接器支架保护器。
4）连接各AFE母线排。
5 结语
2#WK-55电铲电器柜改造完成后，晃动的状况得到了有效缓解，各类电气故障明显降低。改造在现阶段可认为是成功的，为以后类似问题的解决提供了技术参考并积累了宝贵的现场经验，节约了大量维修成本并取得较好的经济效益，提高了设备的出动率。此后，哈尔乌素露天煤矿的1#WK-55电铲，改造同样也是成功的。
改进技术作为一项降低成本、增加效率的新技术，在WK-55系列电铲领域具有广阔的推广应用前景。尤其值得一提的是，新的电器间缓冲系统，为WK-55电铲正常、安全、稳定运行奠定了基础。
参考文献
[1] 李虹.变频调速在矿山节能中的应用（J）.变频器世界，2003（8）.
[2] 刘永华，孙佳海，王进满.电气控制与PLC，2007（9）.
[3] 刘晓星.WK-55挖掘机技术资料.维修手册.太原重工股份有限公司，2009（12）.
[4] 刘晓星.WK-55挖掘机电气总图.太原重工股份有限公司，2009（5）.
[关键词]WK-55电铲 回转逆变器 推压逆变器 行走逆变器 AFE 缓冲结构块 减震器 改造技术
中图分类号：TD422.2+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）33-0116-02
1 WK-55电铲概况
WK-55型矿用机械正铲式挖掘机是太重公司研制的大型露天矿的采装设备，简称为WK-55电铲，它与172—254t矿用大卡车配套使用，可以满足三千万吨级大型露天煤矿、铁矿及有色金属矿山的剥离和采装作业，同时也为新建矿山建设提供了一种规格全新、性能全优的可选装备。神华准能集团黑岱沟和哈尔乌素两露天煤矿共有7台WK-55电铲生产作业。
WK-55电铲采用了三维仿真和有限元分析等现代设计方法，对整机性能和工作尺寸进行合理的选择；充分发挥出挖掘机自身的效力，提高了挖掘机与范围宽广的各种矿车的匹配性，更好地满足矿山高效装载、降低单位生产成本的要求。在工作装置、中部平台、下部等承载结构部件上，合理选材、优化组合提高了整机可靠性。
WK-55电铲在两矿主要负责剥离岩石、采装原煤，日常维护和保养非常重要。结合WK-55电铲工作特点和工作环境，充分利用高低压一体集电环代替分体式高压集电环和低压集电环，降低维护成本，减少检修时间，提高了设备的出动率。
2 WK-55电铲电气系统概况
2.1 WK-55矿用变频挖掘机电气系统
WK-55电铲电气系统为“上位综合监控系统+PLC+基础变频传动”组成的三级控制系统。上位综合监控系统检测和显示挖掘机的运行状态，PLC 实现整机运行的时序逻辑控制；变频传动驱动各机构协调动作，实现可控运行。三级之间数据交换通过 PROFIBUS DP 总线通讯实现。变频传动使用能量再生式（回馈式）公用直流母線变频调速方案。
WK-55电铲电气系统供电部分电铲的进线电源：高压6000V±10%，3相，5OHz。
由矿山高压电网——尾部电缆卷筒——高压集电环——高壓控制柜——变压器——AFE装置——逆变器柜——变频电机——低压集电环——控制装置。
2.1.1 尾部电缆卷筒（带排缆器）
可实现电缆拖动机械化、自动化，提高挖掘机的作业率，保障工人的安全，减轻工人的劳动强度，满足用户对尾部电缆卷筒自动收放的要求。该电缆卷筒配有自动排缆器，可实现尾部电缆的自动缠绕和收放。电缆卷筒为原装进口产品。
2.1.2 高压集电环
安装在回转平台底部。三个电源环，一个接地环。
2.1.3 高压开关柜
高压电缆进线到负荷开关，输出二路，一路通过熔断器到辅助变压器、另一路通过真空断路器到主变压器。高压开关柜含有微机保护装置并完全符合高压电气“五防”要求。
2.1.4 低压集电环
用以实现上下车（行走机构）低压动力电源及控制信号的传输。
2.1.5 380主隔离开关
用以实现用以实现全铲各部控制电源、风机、加热器、焊机、卷扬等隔离。
2.1.6 AFE整流系统
用以实现外部三项交流输入转换直流输出为各逆变柜提供动力。
2.1.7 逆变柜
用以实现将AFE传输直流转变为可调交流以为给各部电动机提供能量。
2.1.8 缓冲器
用以减小电器柜晃动，增加电器间整体稳定性。
2.2 电器柜进行改造的原因
电器附件装置包括平台线槽布置、电器柜底座、电器间、切换柜底座、通风装置、切换柜上部缓冲装置、PLC 上部缓冲装置等，如图1所示。平台线槽内布置电缆线，上面用花纹钢板做盖板，又可以做人行通道。电器柜底座放在右架高底座里，用于放置两组电器控制柜。电器间位于右主平台上，与右架高底座共同构成一个封闭的空间。切换柜也位于右主走台上，它与电器柜互相独立。切换柜底座和电器柜底座根据电器柜重量及冲击载荷的大小均布置数量不等的弹簧减震器和聚胺脂缓冲块，以减少工作过程中冲击载荷对电器控制柜的影响。但是在实际运行过程中，弹簧减震器和聚胺脂缓冲块由于老化及本身抗压极限不够，并不能有效缓冲频繁的冲击载荷对电器柜的影响。
WK-55电铲投入作业以来由于本身电器间设计不合理、工况环境恶劣、岩层爆破不理想、司机操作手法不当等诸多原因造成几乎所有该系列电铲电器间晃动严重，电器柜地脚出现不同程度开裂。其中哈尔乌素露天煤矿的2#WK-55电铲的1#、2#、3#回转逆变柜除地脚开裂外，已出现变频器整体前倾，严重影响设备正常安全运行，AFE连接软线由于布置不合理容易被突出物割破造成重大电气故障。实际上，在改造前2#WK-55电铲电气故障率明显高于该系列其他电铲，IGBT频繁击穿，现场技术人员通过多次研究分析，认为电器间晃动严重是造成该电铲故障频繁的重要诱因。太重技术中心的研究人员也表示，电器间晃动容易造成包括回转失控在内的各种重大电气故障，建议加固处理。
3 故障现象及分析
3.1 通过日常点检保养和阶段性的计划检修，现场技术人员发现2#WK-55电铲存在以下问题
1）电器间电器柜在电铲满负荷运行时会出现极严重的晃动，尤其是三个回转逆变柜在电铲装料时会左右前后摇摆，经监测，三个逆变器均已前倾3度以上。
2）由于晃动严重，各变频柜及辅助柜地脚严重开裂。由于各电器柜晃动严重，该电铲各部重大电气故障频发，电器柜内大量元器件烧损，部分固定角钢受到冲击发乌发黑。由于各电器柜晃动，电铲各部的结构件变形，发生位移，动力部分和控制部分互相干扰。大量故障造成了巨额的经济损失，产生了大量人工成本。 3.2 回转逆变柜内部结构形变
变频器本身安装于电器间狭小的空间内，观察其内部形变并不容易。现场技术人员经过理论分析研究变频器结构和多方面观察，发现变频器柜体内部各连接器已经出现不同程度断裂，变频器有整体向前倾甚至倾倒的趋势，变频柜下部减震结构出现开裂并发生位移导致固定失效，鉴于此技术人员准备将回转逆变柜分解，取下电容组、汇流排、IGBT，将整个变频器提取出来。
4 现场实施
4.1 现场分解回转逆变柜
1）结合现场的实际情况，对回转逆变器系统进行分解。逐一取出回转1#、2#、3#逆变器内电容组、汇流排、IGBT。
2）提出回转1#、2#、3#逆变柜内逆变器。
3）对原逆变柜内连接器进行修复，重新布置回转逆变柜通信连接光缆，校正直流母线固定架。
4）安装回转逆变器，恢复连接控制线路。
5）对逆变器与其柜体重新设计连接，重新做支撑。将连接部分和支撑部分平均分布到整个柜体，力求达到受力均匀。
6）恢复逆变柜柜底减震系统固定连接器，使发生位移的部分复位，对已开裂部分补焊修复。
4.2 現场分解推压逆变柜
推压逆变柜分解方法和回转逆变柜类似。
4.3 为左右行走逆變柜加装固定缓冲器
WK-55电铲在原始设计中没有单独的行走逆变器，后来在改造时新加的逆变柜缺乏固定缓冲，使之在运行时不断晃动有倾倒的危险。考虑到独木难支，现场人员为左右行走逆变柜加装了两个固定缓冲器，以提高柜体稳定性。
4.4 对电器柜上部减震系统重新规划设计
由于原始设计存在漏洞使原有缓冲系统无法发挥功效，缓冲失效造成电器柜受到应力容易产生形变，使电器柜晃动加剧。现场技术人员重新规划设计了电器柜上部减震系统，在电器柜上部加装了整体缓冲块，减小了缓冲间隙，对连接梁进行整体强化，使电器间稳定性得到了极大的改善。
4.5 对AFE连接软线进行重新优化布置
1）解除原先AFE连接软线并拆除固定支架。
2）对新连接线进行绝缘强化处理。
3）重新优化固定AFE连接器支架保护器。
4）连接各AFE母线排。
5 结语
2#WK-55电铲电器柜改造完成后，晃动的状况得到了有效缓解，各类电气故障明显降低。改造在现阶段可认为是成功的，为以后类似问题的解决提供了技术参考并积累了宝贵的现场经验，节约了大量维修成本并取得较好的经济效益，提高了设备的出动率。此后，哈尔乌素露天煤矿的1#WK-55电铲，改造同样也是成功的。
改进技术作为一项降低成本、增加效率的新技术，在WK-55系列电铲领域具有广阔的推广应用前景。尤其值得一提的是，新的电器间缓冲系统，为WK-55电铲正常、安全、稳定运行奠定了基础。
参考文献
[1] 李虹.变频调速在矿山节能中的应用（J）.变频器世界，2003（8）.
[2] 刘永华，孙佳海，王进满.电气控制与PLC，2007（9）.
[3] 刘晓星.WK-55挖掘机技术资料.维修手册.太原重工股份有限公司，2009（12）.
[4] 刘晓星.WK-55挖掘机电气总图.太原重工股份有限公司，2009（5）.