傳統機械礦車更加智能應用于露天礦生產的研究

賈 峰，田 野

（神華寶日希勒能源有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021025）

0 引言

露天礦山礦車運輸特點是：重載上坡坡度大、路面坡度不平整，要求運輸效率高，對于百噸級別的礦用翻斗車，要求柴油機道路該柴油機至少需要1000 馬力（735.5kW）以上，露天礦山主流車型北重TR100 礦車，應用的是康明斯K38 機械式的大馬力柴油機，康明斯K38 柴油機，動力強、非使用原因的故障率低，零配件供應充足，正常大修的使用周期長，柴油機全生命周期使用成本低，因而占據了中國露天礦山百噸級別礦用翻斗車90%以上的市場，全國保有量在2000 臺以上。但如果設備使用、管理不好，整機購買價格高，單次柴油機大修費用高。特別是該K38 柴油機是機械控制，對于日常的或者意外瞬時的缺機油、缺冷卻液，對司機操作人員專業性和反應能力要求極高。

1 冷卻液液位傳感器開發、設計的必要性

冷卻液缺失首先會造成發動機缸蓋氣門高溫，進排氣門高溫后粘連卡死，在活塞正常運行的情況下，導致發動機活塞頂到進排氣門（俗稱頂缸），嚴重的缺冷卻液缺失問題會造成發動機粘缸和曲軸抱瓦等嚴重后果。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）某百噸級礦用翻斗車，K38 柴油機無法啟動故障停機，檢查故障原因時僅放出70 L 冷卻液（正常是160 L 冷卻液），進一步檢查發現因缸蓋高溫全部12 個活塞頂到氣門。柴油機需要重新大修。

（2）某礦用水車，缸蓋內部裂紋滲漏，導致冷卻進入缸內，待司機操作員發現上報故障，因機油被冷卻液污染，連桿瓦、曲軸主軸瓦、缸套、活塞缺少機油潤滑而發生了磨損（圖1）。柴油機需要重新進入大修。

（3）某TR100 礦用翻斗車，K38 柴油機自動熄火，維修人員到達現場無法手動盤動曲軸，將卡車拖回車間拆檢發現，冷卻液缺失嚴重，拆卸油底殼發現活塞、缸套全部高溫變色、拉傷，甚至粘傷，再拆檢發現因冷卻液缺失導致冷卻液溫度高，進一步導致機油溫度高而機油黏度下降，致使曲軸軸瓦和連桿軸瓦缺失潤滑而失效，熔化的軸瓦金屬粘結到曲軸軸徑，導致柴油機“抱瓦”而自動熄火，維修人員也無法手動盤動曲軸。柴油除了機需要重新進入大修，還需要購買價格昂貴的曲軸、連桿等非大修必換零件。

圖1 缸套因高溫“拉缸”

2 油液監控系統設計思路及對生產作業的積極意義

機油的長期部分缺失和瞬時的缺失，導致軸瓦因缺油而高溫，導致“化瓦”故障，融化的軸瓦金屬會粘結到曲軸軸徑，導致“抱瓦”故障，若發動機持續運轉沒有停機，連桿將會支出缸體，即“踢缸”故障，這些柴油機的災難性故障，造成了巨大設備價值的損失。下面是近三年的某大型露天礦山使用TR100 礦車的缺、漏機油的意外故障。

（1）某TR100 礦用翻斗卡車，更換機油油尺管時標定錯誤，司機操作人員和維修人員無法檢查到，導致柴油機運行時機油液位長期偏低，特別礦用翻斗車上坡時（坡度多在30°以上），機油液面傾斜，導致軸瓦短期處于缺油狀態，軸瓦與軸徑間油膜短期缺失，導致了軸瓦耐磨層的部分損失，長期的累計，沒有到達正常大修周期的一半時間即發生大多數連桿瓦磨損漏銅“化瓦”故障，需要進行大修。

（2）某百噸級礦用灑水車，裝配K38 柴油機，臨近中午時保養工人進行機油更換保養，排放完機油后午休，待下午加注機油。因現場急需灑水作業，午休沒結束前司機操作員提前到達該礦用灑水車，見舊機油已經排放，啟動車輛，車輛沒有運行10 m 便自動熄火。維修人員現場檢查發現，連桿斷裂支出缸體，發生“踢缸”（圖2），而柴油機中并沒有加注機油，發動機缸體、曲軸等重要部件均損壞，沒有大修價值，需要重新購買新柴油機總成。

（3）某TR100 礦用翻斗車，裝配K38 發動機，白天正在運行中，后車司機在“對講機系統”中呼叫該機立刻熄火停機，因為后車觀察到前車正在漏黑的油。維修人員到達現場檢查發現，渦輪增壓器供油管因長期的干涉磨損而破裂，并噴機油。進一步檢查還發現，機油油底中還剩余一半量的機油，軸瓦沒有發生磨損。但該故障若發生在視野不佳的夜間，或者后面沒有車輛運行，將發動機中的機油大部分噴出后，不僅僅是發生柴油機“化瓦”“抱瓦”“踢缸”等損失，如果機油濺落到高溫的排煙管或者增壓器排氣蝸殼上，將會導致柴油機自燃，損失的就是整個礦車。

圖2 柴油機“踢缸”故障

上述的3 個案例需要大修的K38 柴油機，需要進行大修，每臺需要50 萬元左右費用，如果有曲軸等高單價配件需要更換，就需要70 萬左右。若購買新柴油機總成，需要100 多萬元。面對如上這些錯誤或者不足的維護操作保養導致的大故障，僅對提高礦車操作人員和維修人員的日常保養和操作意識，已經不能滿足現在“智能”礦山的理念和實際狀況的使用，應該更加直觀和便捷地讓礦車的操作者去了解、檢查柴油機的運行狀態，第一時間掌握冷卻液、機油發生變化的情況，一旦低于正常液位時，司機操作者收到報警信息后，立即熄火停車，可以讓隱患消滅在萌芽狀態，即便發生故障，也是初期故障初期狀態，避免礦車柴油機在缺機油缺冷卻液狀態下繼續進行，將故障進一步擴展，演變成為災難性故障，甚至不可修復的故障。

項目的必要性已經確立，項目的可行性方案確立：

（1）直接更換帶有機油液位傳感器和冷卻液液位傳感器的電控發動機或者電噴柴油機，單臺柴油機價格在200 萬元以上，外加改裝人工費用成本大，該方案的可行性排除。

（2）在原有柴油機基礎上加裝性能可靠的液位傳感器和報警系統，相對于方案，研發成本、配件的生產成本和改裝的人工成本對比方案1，大幅度降低，并可達到項目需要的效果，研究的主要難點如下：

難點1：面對露天礦山作業環境溫度最低-40 ℃，機油、冷卻液最高110 ℃的，溫差幅度變化大，采用何種材質可以保證液位傳感器的準確性和耐用性？選擇普通電阻二線式的液位傳感器，故障率高、誤報率高，并了解國際知名柴油機生產商在電控或者電噴柴油機應用的傳感器，經過反復測試和對比，使用三線式液位傳感器，測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警，機油液位傳感器及冷卻液位傳感器螺紋部分材質要求為CZ128 黃銅，電極部分外部的材質為聚四氟乙烯。

難點2：機油、冷卻液液位傳感器的位置設置在何處，液位傳感器位置設置過低，報警過晚，機油或者冷卻液已經缺失過多，柴油機內部需要潤滑或者冷卻的零部件已經磨損或者高溫；液位傳感器位置設置過高，正常情況，報警系統運行正常，運輸作業期間上坡下坡，機油液面發生傾斜，頻繁誤報警，必然導致操作人員的反感和對新報警系統的不接受。經過反復驗證，確定了合理的液位傳感器安裝位置。

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

3 智能礦車小時計是保證露天礦設備管理關鍵數據準確性的有效解決方案

在TR100 礦用卡車生產作業中，因其設備運行小時（計）表是機械式的，當發動機小時計損壞或大修后，無法進行重置，導致小時數統計不準確。需設計一套電子車輛小時計表，當車輛或者發動機大修時，可以將小時數歸零，計算下一次的大修周期的運行實際小時數。當小時計表故障損壞時，更換新的電子表后，可以設置成表故障時的小時數進行累計，避免大修周期小時丟失的情況而延長了大修周期，導致設備存在機械高周疲勞的隱患。

小時（計）表項目的必要性和目標已經明確，如果能兼容到TR100 油液監控系統中，則無需再設置一套系統，可以有效降低研發、采購、改裝人工成本，同時還可以避免系統過多、占據駕駛室狹小空間的問題。經過多個小時計信號采集點測試，保證設計的小時（記）表顯示為礦車的運行時間，并開發了與處理器連接的通信適配器（線），和設置小時數的管理軟件（授權給了維修人員級別可以使用，司機操作人員不可以改動）。

4 結束語

通過24 h 全時智能監測柴油機機油、冷卻液的液位變化，讓礦用卡車操作者實時掌握柴油機機油液位和冷卻液液位的狀態，可以有效避免設備機油和冷卻液無論是長期或者是意外發生時，導致了柴油機故障而產生的巨額維修費用。通過智能小時（計）表的安裝，可以正確管理設備運行小時數，為設備的科學管理和統計，提供準確的數據支撐，有效避免了“多統計小時數”造成提前維護保養大修的資源費用浪費和滯后維修保養大修而設備機械性高周疲勞損壞。通過以上對實際故障和實際需求進行有效的研究、設計、測試、開發、應用，讓傳統的機械礦用卡車有了先進的智能的油液監控系統和智能小時計管理系統，使其露天礦的生產作業中具有更低的全生命周期使用成本。