防爆重型電驅動鏟板車安全性能關鍵技術

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有了一定的規模，但重型電驅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動鏟板車的廣泛應用。為此以某防爆重型電驅動鏟板車為例分析了安全制動技術、自動滅火技術、防人員碰撞技術、漏電保護技術[1]。這些技術并在實際應用中已得到成功驗證，對煤礦井下實現綠色開采、保障礦工生命安全具有重要意義。

1 防爆重型電驅動鏟板車系統架構

防爆重型電驅動鏟板車由三段式回轉鉸接式結構組成、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在井下綜采工作面支架的回撤和安裝[2]。

防爆重型電驅動鏟板車主要技術參數為：整車裝備質量11 000 kg，額定裝載質量800 000 kg，車速0～8 km/h，最大爬坡度12°。

2 防爆重型電驅動鏟板車安全性能關鍵技術

2.1 防爆重型電動鏟板車安全制動技術

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。采用安全制動技術可以實現制動的安全性，能夠解決防爆電驅車輛下坡安全制動問題，安全制動技術是指液壓電氣組合制動技術、下坡自動限速、懸停技術。對于重型電動鏟板車，油門踏板輸出電機轉矩控制，這樣在作業工程中，在功率一定的前提下可以發揮電機最大扭矩。在下坡自動限速的過程中，需要有轉速實時反饋，因此需要實時采集電機實時轉速，因此防爆重型電動鏟板車采用轉矩閉環的控制算法。安全制動技術系統圖如圖1。

圖1 安全制動技術系統圖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的加速曲線，生成轉矩電流指令I ，同時根據實時對電動機電流、電壓、轉速進行采集的數據，進行磁鏈計算、轉矩補償、實現閉環調節控制。控制信號通過驅動模塊后控制通過三相IGBT 逆變器驅動電動機[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，整車控制器下發指令給電機控制器，電機控制器調用回饋控制子程序，輸出制動電流，產生制動扭矩，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，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。為盡快實現重型電驅動鏟板車制動停車，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，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，當電機轉速達到設定速度上限時，電機控制器即可自動調用再生制動回饋子程序。控制車輛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，或者在半坡作業過程中可以有效防止車輛溜車。煤礦井下因剎車系統失靈導致的安全事故較為常見，本系統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 防爆電驅動重型鏟板車防人員碰撞技術

煤礦井下環境較為惡劣，視線、路況較差，經常有井下車輛傷人事故。特別是重型作業車在綜采工作面由于噪音較大，更容易發生礦工擠傷，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。該人員防碰撞控制系統安裝在重型電動鏟板車上用于探測其一定范圍內存在的人員和機械，當預先設定的區域內有人員或機器進入時，系統可以根據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 等級報警區域時系統發出警報但不停機；人員進入第2 等級報警區域時，整車控制器控制電機制動，急停動作，緊急停車。

近感探測系統的關鍵技術是確定人與設備的位置，采用測距方式實現位置識別。信息化人員定位標識卡和車載探測器相互發射電磁波，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，系統將識別坐標所在區域，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 等級報警區域時系統停機。

防人員碰撞系統圖如圖2，防人員碰撞系統由主控制器、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 內報警器發出警報，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 內則防碰撞控制器給整車控制器下發指令，顯示器顯示進入停車范圍內礦工的位置，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 防爆重型電驅動鏟板車自動滅火技術

圖2 防人員碰撞系統圖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、著火區域可采煤層封閉、在著火同時引發較大的災害，嚴重的影響著礦工的生命安全和煤礦生產，對經濟帶來極大的傷害。井下重型電驅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，重型電驅動鏟板車在使用過程中，因為巷道狹窄，在作業過程中由于井下復雜路面，很容易與煤壁發生撞擊，大容量鉛酸蓄電池容易在顛簸路面發生打火現象，萬一發生火災，帶來的損失不可估計。重型電驅動鏟板車有液壓油路、大容量鉛酸蓄電池，都有潛在發生重大火災的安全隱患，所以研究防爆重型電驅動鏟板車自動化滅火技術對煤礦安全具有極其重要的意義[7]。自動滅火系統控制系統圖如圖3。

圖3 自動滅火系統控制系統圖Fig.3 Control system diagram of automatic fire extinguishing system

自動滅火系統主要有滅火罐、滅火控制器、噴灑管路、噴頭、火焰傳感器、溫度傳感器、電動球閥組成。自動滅火控制器自動檢測火焰傳感器、溫度傳感器的實時狀態信息，以及各傳感器連接狀態等，當控制器檢測到保護區域溫度異常或火焰信號后，控制器采集傳感器數據并分析處理，發出聲光報警信號，警告現場礦工盡快撤離現場，報警延時2 s，當報警結束后自動滅火控制器控制電磁閥打開滅火瓶，對整車所有保護區域進行全方位的滅火。在特別緊急情況下，現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 無線信息發送終端，在發在火災的同時，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度室，發出報警信號，實現礦方對井下火災的實時監測，統一調度指揮，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的可靠性，經過現場驗證測試結果為：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。

經過多次現場驗證，自動滅火系統可以滿足當重型電動發生火災自動開啟滅火功能，對整車保護區域實施全方位的滅火，對提高防爆重型電驅動鏟板車的使用安全性具有重要意義。

2.4 防爆重型電驅動鏟板車漏電保護技術

煤礦井下工礦惡劣，潮濕，供電設備極易發生漏電事故、短路，人工觸電，防爆重型電驅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動鏟板車的安全性能，研究漏電閉鎖保護技術，可實現當漏電流傳感器監測到漏電信號時，整車控制器控制整車電氣隔離開關跳閘斷電停機[9]，實現對整車電氣件、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已成功應用于多款礦用重型電驅動鏟板車，性能可靠[10]。

3 結 語

1）重型電驅動鏟板車滿載重量會達到近200 t，而且重型電驅動鏟板車經常會有長距離下坡路況，提出的安全節能制動技術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，有效保障了井下礦工的生命安全。

3）重型電驅動鏟板車有液壓油路、大容量鉛酸蓄電池，都有潛在發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以在重型電驅動鏟板車發生火災時，觸發自動滅火系統，進行在保護范圍內全覆蓋滅火，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，在實際應用中性能可靠。