防爆重型电驱动铲板车安全性能关键技术_周德华.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 防爆重型电驱动铲板车安全性能关键技术 周德华 （中国煤炭科工集团太原研究院有限公司， 山西 太原 030006） 摘要介绍了防爆重型电驱动铲板车系统架构, 详细论述了防爆重型电驱动铲板车在安全制 动、 自动灭火、 防人员碰撞、 漏电保护方面的安全性能关键技术。在某重型电驱动铲板车的设计 中采用了以上技术， 经过实际工业性验证、 可实现车辆安全、 可靠运行。 关键词 电驱动铲板车； 铲板车安全制动； 铲板车自动灭火； 铲板车防人员碰撞； 铲板车漏电保护 中图分类号 TD525文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0154-04 Key Technologies of Safety Perance of Explosion-proof Heavy-duty Electric Driven Shovel Truck ZHOU Dehua （China Coal Technology and Engineering Group Taiyuan Research Institute, Taiyuan 030006, China） Abstract This paper introduces the system architecture of explosion-proof heavy-duty electric driven shovel truck, and discusses the key technologies of safety perance of explosion-proof heavy-duty electric driven shovel truck in safety braking, automatic fire extinguishing, personnel collision prevention and leakage protection in detail. The above technologies are used in the design of a heavy-duty electric driven shovel truck, which can realize the safe and reliable operation of the vehicle through the actual industrial verification. Key words electric driven shovel truck; safety braking technology of shovel truck; automatic fire extinguishing of shovel truck; personnel collision prevention of shovel truck; leakage protection of shovel truck 目前纯电动重型铲板车在国家能投资集团神东 煤炭集团的使用已经有了一定的规模，但重型电驱 动铲板车在使用过程中也存在一系列安全问题， 制 约着重型电驱动铲板车的进一步推广应用，设备的 使用安全极其重要，一方面可以保障井下矿工的生 命安全，另一方面可以促进井下重型电驱动铲板车 的广泛应用。为此以某防爆重型电驱动铲板车为例 分析了安全制动技术、自动灭火技术、防人员碰撞 技术、 漏电保护技术[1]。这些技术并在实际应用中已 得到成功验证，对煤矿井下实现绿色开采、保障矿 工生命安全具有重要意义。 1防爆重型电驱动铲板车系统架构 防爆重型电驱动铲板车由三段式回转铰接式结 构组成、 前机架主要由铲板、 驾驶室组成， 中机架主 要由电气控制箱、 液压系统等组成， 后机架主要由防 爆特殊型铅酸蓄电池电源装置组成。该重型电动铲 板车能实现在井下综采工作面支架的回撤和安装[2]。 防爆重型电驱动铲板车主要技术参数为整车 装备质量 11 000 kg，额定装载质量 800 000 kg， 车 速 0～8 km/h， 最大爬坡度 12。 2防爆重型电驱动铲板车安全性能关键技术 2.1防爆重型电动铲板车安全制动技术 煤矿井下常有长距离下坡路矿， 在下坡过程中， 如果重型电驱车辆仅使用机械刹车，容易造成刹车 失灵，有较大的安全隐患。采用安全制动技术可以 实现制动的安全性，能够解决防爆电驱车辆下坡安 全制动问题，安全制动技术是指液压电气组合制动 技术、 下坡自动限速、 悬停技术。对于重型电动铲板 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.034 周德华. 防爆重型电驱动铲板车安全性能关键技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 154-157. ZHOU Dehua. Key Technologies of Safety Perance of Explosion-proof Heavy-duty Electric Driven Shovel Truck ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 154-157. 移动扫码阅读 基金项目 山西省重点研发计划资助项目 （201803 D121121） ； 中国 煤炭科工重点资助项目 （2018- TD- ZD011） 154 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 车，油门踏板输出电机转矩控制，这样在作业工程 中，在功率一定的前提下可以发挥电机最大扭矩。 在下坡自动限速的过程中，需要有转速实时反馈， 因此需要实时采集电机实时转速，因此防爆重型电 动铲板车采用转矩闭环的控制算法。安全制动技术 系统图如图 1。 驾驶员通过油门给定加速信号，整车控制器对 输入的电压信号进行处理分析，通过不同的工况选 择最优的加速曲线， 生成转矩电流指令 I ， 同时根据 实时对电动机电流、 电压、 转速进行采集的数据， 进 行磁链计算、 转矩补偿、 实现闭环调节控制。控制信 号通过驱动模块后控制通过三相 IGBT 逆变器驱动 电动机[3]。制动时， 整车控制器采集制动踏板的信 号， 对信号进行分析， 处理， 闭锁加速给定， 整车控 制器下发指令给电机控制器，电机控制器调用回馈 控制子程序， 输出制动电流， 产生制动扭矩， 由于电 机控制器可以四象限运行，在制动同时，电机处于 再生制动状态，将回馈能量以电流的形式回馈至铅 酸蓄电池。为了减少机械刹车磨损、确保长距离重 载下坡安全，重型电动铲板车的制动形式采用液压 制动跟电制动的组合制动[4]。具体分为以下 3 种制 动形式 1 ） 紧急制动。在紧急制动过程中， 安全为第一 位。为尽快实现重型电驱动铲板车制动停车，用力 踩下制动踏板，此时制动为液压制动，紧急情况下 可拍下急停开关， 以最快的响应抱闸停车， 确保安全。 2） 行车过程中车辆只减速不停车。在制动过程 中， 轻踩刹车， 这时制动方式主要为电制动， 避免了 刹车磨损， 同时实现能量回收。 3 ） 车辆在下坡时， 设定速度上限。在下坡过程 中即使不操作制动踏板，当电机转速达到设定速度 上限时，电机控制器即可自动调用再生制动回馈子 程序。控制车辆按照设定速度上限定速下坡，这样 既可以防止飞车， 又可以防止机械刹车磨损， 确保车 辆在重载下坡过程中的安全性。同时车辆具备悬停 功能， 该功能适合车辆在半坡停车， 或者在半坡作业 过程中可以有效防止车辆溜车。煤矿井下因刹车系 统失灵导致的安全事故较为常见，本系统具有的下 坡自动限速功能和悬停功能可以保障防爆重型电驱 动铲板车在使用过程中特别是长距离重载下坡时的 安全性[5]。 2.2防爆电驱动重型铲板车防人员碰撞技术 煤矿井下环境较为恶劣， 视线、 路况较差， 经常 有井下车辆伤人事故。特别是重型作业车在综采工 作面由于噪音较大， 更容易发生矿工挤伤， 撞伤等事 故。为了保护矿工的生命安全，防爆重型电动铲板 车采用防碰撞技术。该人员防碰撞控制系统安装在 重型电动铲板车上用于探测其一定范围内存在的人 员和机械，当预先设定的区域内有人员或机器进入 时，系统可以根据人员接近的距离作出相应的控制 指令， 接近距离分为 2 个等级 人员进入第 1 等级报 警区域时系统发出警报但不停机；人员进入第 2 等 级报警区域时，整车控制器控制电机制动，急停动 作， 紧急停车。 近感探测系统的关键技术是确定人与设备的位 置，采用测距方式实现位置识别。信息化人员定位 标识卡和车载探测器相互发射电磁波，电磁波飞行 时间和光速的乘积计算出精确距离，根据多个距离 可以唯一确定信息化人员定位标识卡的坐标位置， 系统将识别坐标所在区域，并在探测器和信息化人 员标识卡上给出双向声光告警信息，并在人员进入 第 2 等级报警区域时系统停机。 防人员碰撞系统图如图 2，防人员碰撞系统由 主控制器、 探测器、 报警器、 显示器、 人员标识卡组 成。 当人员进入车辆 1.5 m 内报警器发出警报， 同时 显示器显示矿工进入的报警范围的位置，且伴随声 光信号。当人员进入 1.5～3.5 m 内则防碰撞控制器 给整车控制器下发指令，显示器显示进入停车范围 内矿工的位置，整车控制器控制电机控制器闭锁电 机输出， 同时控制急停开关动作， 抱闸， 断电。确保 整车停机， 保障矿工的生命安全[6]。 2.3防爆重型电驱动铲板车自动灭火技术 矿井火灾是煤矿井下 5 大灾害之一，可引起瓦 斯爆炸、 着火区域可采煤层封闭、 在着火同时引发较 大的灾害，严重的影响着矿工的生命安全和煤矿生 产，对经济带来极大的伤害。井下重型电驱动铲板 图 1安全制动技术系统图 Fig.1Safety braking technology system diagram 155 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 4漏电保护原理图 Fig.4Schematic diagram of leakage protection 车主要工作在综采工作面负责搬家与回撤，在使用 过程中，重型电驱动铲板车在使用过程中，因为巷 道狭窄，在作业过程中由于井下复杂路面，很容易 与煤壁发生撞击，大容量铅酸蓄电池容易在颠簸路 面发生打火现象，万一发生火灾，带来的损失不可 估计。重型电驱动铲板车有液压油路、大容量铅酸 蓄电池，都有潜在发生重大火灾的安全隐患，所以 研究防爆重型电驱动铲板车自动化灭火技术对煤矿 安全具有极其重要的意义[7]。自动灭火系统控制系 统图如图 3。 自动灭火系统主要有灭火罐、 灭火控制器、 喷洒 管路、 喷头、 火焰传感器、 温度传感器、 电动球阀组 成。自动灭火控制器自动检测火焰传感器、温度传 感器的实时状态信息，以及各传感器连接状态等， 当控制器检测到保护区域温度异常或火焰信号后， 控制器采集传感器数据并分析处理，发出声光报警 信号，警告现场矿工尽快撤离现场，报警延时 2 s， 当报警结束后自动灭火控制器控制电磁阀打开灭火 瓶，对整车所有保护区域进行全方位的灭火。在特 别紧急情况下， 现场矿工可以采用人工开启方式， 手 动打开灭火装置，对整车进行全方位的灭火。自动 灭火控制器通过 CAN 通信跟整车控制器进行信息 交互，当检测到火灾时，整车控制器控制整车断电 停机， 确保矿工的生命安全。整车配备有 4G 无线信 息发送终端，在发在火灾的同时， 4G 无线通信模块 收到整车控制器指令， 4G 无线通信模块将火灾信息 采用 4G 无线通信方式传输至地面调度室，发出报 警信号，实现矿方对井下火灾的实时监测，统一调 度指挥， 提高矿井的安全性， 全力保障矿工的生命安 全[8]。为了确保自动灭火系统的可靠性， 经过现场验 证测试结果为 探测距离≥5 m、 探测角度大于等于 120、 温度检测范围 150～200 ℃、 喷洒范围 90、 探 测时间≤0.2 ms、 电动球阀开启时间≤0.2 s。 经过多次现场验证，自动灭火系统可以满足当 重型电动发生火灾自动开启灭火功能，对整车保护 区域实施全方位的灭火，对提高防爆重型电驱动铲 板车的使用安全性具有重要意义。 2.4防爆重型电驱动铲板车漏电保护技术 煤矿井下工矿恶劣， 潮湿， 供电设备极易发生漏 电事故、 短路， 人工触电， 防爆重型电驱动铲板车采 用动力源为大容量防爆特殊型铅酸蓄电池，瞬间放 电电流可以达到 DC800 A， 有较大的潜在安全隐患， 为了提高防爆重型电驱动铲板车的安全性能，研究 漏电闭锁保护技术，可实现当漏电流传感器监测到 漏电信号时，整车控制器控制整车电气隔离开关跳 闸断电停机[9]， 实现对整车电气件、 人身的保护。漏 电保护原理图如图 4。 正负直流母线穿过漏电流传感器，漏电保护控 制器通过电压变换器将 DC24 V 转换成12 V,给漏 电流流传感器供电，当整车漏电时，漏电流传感器 图 2防人员碰撞系统图 Fig.2Personnel collision prevention system diagram 图 3自动灭火系统控制系统图 Fig.3Control system diagram of automatic fire extinguishing system 156 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 输出电压信号，漏电保护控制器对该电压信号处理 后输出控制信号，断路器监测到该跳闸信号，跳闸 断电。漏电保护控制器原理图如图 5。 如图 5， 漏电流传感器输出电压信号从 IN 端子 输入，输入电压比较器，当漏电流传感器输入信号 大于 2 V 时电压比较器输出高电平，三极管导通， 继电器线圈得电，常开触点闭合，断路器脱扣线圈 得电跳闸。该漏电保护控制系统已成功应用于多款 矿用重型电驱动铲板车， 性能可靠[10]。 3结语 1） 重型电驱动铲板车满载重量会达到近 200 t， 而且重型电驱动铲板车经常会有长距离下坡路况， 提出的安全节能制动技术使电动重型铲板车在下坡 过程中可以减少刹车机械磨损，增加车辆的可靠 性。特别是车辆下坡自动限速功能，防溜车悬停功 能可以确保车辆在运行过程中的安全性。 2 ） 由于煤矿井下的恶劣工矿， 矿工很容易被可 移动设备挤伤，采用防人员碰撞保护技术，有效保 障了井下矿工的生命安全。 3） 重型电驱动铲板车有液压油路、 大容量铅酸 蓄电池， 都有潜在发生重大火灾的安全隐患， 针对上 述问题，提出的自动灭火技术以在重型电驱动铲板 车发生火灾时， 触发自动灭火系统， 进行在保护范围 内全覆盖灭火， 确保井下矿工和设备安全。 4） 针对防爆重型电驱动铲板车采用大容量铅酸 蓄电池， 有潜在的漏电安全隐患， 介绍了漏电保护技 术， 在实际应用中性能可靠。 参考文献 ［1］ 王步康， 金江， 袁晓明.矿用电动无轨运输车辆发展现 状与关键技术 ［J］ .煤炭科学技术 2015， 43 （1） 74-76. ［2］ 郝明锐.防爆锂离子蓄电池无轨车辆节能控制技术研 究 ［J］ .煤炭工程， 2019， 51 （5） 16-19. ［3］ 武瑞兵.防爆电驱动无轨胶轮车永磁电机回馈制动研 究 ［J］ .工矿自动化， 2015， 41 （6） 44-48. ［4］ 李强， 雷建国， 陶华堂.回馈能量可控型再生控制策略 研究 ［J］ .电气传动， 2017， 47 （1） 13-17. ［5］ 张雷， 于良耀， 宋键， 等.电动汽车再生制动与液压制 动防抱协调控制 ［J］ .清华大学学报， 2016， 56 （2） 152-159． ［6］ 包建军.煤矿井下装备接近探测方法研究 ［J］ .工矿自 动化， 2017， 43 （1） 1-4. ［7］ 何景强.矿用防爆无轨胶轮车火灾预防对策及自动灭 火系统 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （4） 191-194. ［8］ 徐晓明.煤矿井下胶带输送机火灾事故分析及预防对 策 ［J］ .煤矿安全， 2010， 41 （9） 132-134． ［9］ 赵利．一种矿井 IT 系统漏电保护电路 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （10） 122-124． ［10］ 赵建文， 李科， 随晓娜， 等．矿井电网漏电保护新方法 ［J］ .工矿自动化， 2016 （2） 47-50． 作者简介 周德华 （1985） ， 山西太原人， 助理研究员， 硕士， 2012 年毕业于中国矿业大学，从事煤矿防爆电气系 统开发设计工作。 （收稿日期 2020-04-02； 责任编辑 李力欣） 图 5漏电保护控制器原理图 Fig.5Schematic diagram of leakage protection controller 157 ChaoXing