電動缸在P&H2800XPB電鏟登機系統中的應用

孟 平，劉世雄

（國家能源集團準能設備維修中心，內蒙古鄂爾多斯 010300）

P&H2800XPB 電鏟是安家嶺露天礦剝離巖石和坑下煤炭開采的主力軍[1]。電鏟作業前必須將登機梯升起來，否則電鏟設備無法正常工作，登機梯是否正常運行直接決定著電鏟能否順利啟動，開展工作。而安家嶺礦內服役的P&H2800XPB 電鏟登機梯都是依靠空氣系統來控制的。步入冬季后，設備登機梯系統開始經常性地因為氣路管路的水汽形成積水，再遇冷冰凍堵塞管路，造成登機梯無法正常工作；氣動控制系統由于惡劣環境等因素的影響，高壓氣體流動極不穩定，高壓氣體流動急促時，常出現梯子撞擊電鏟平臺和梯子電磁限位閥的現象。高壓氣體流動不暢，氣流較小時，會出現登機梯不歸位，懸浮半空。而電動缸能精準控制速度和提供有效載荷馬力，因此提出電動缸代替氣缸給登機梯系統提供動力，如果電動缸替代氣缸給登機梯提供動力源的方案可行，則這些故障就不存在了[2]。

1 登機梯空氣控制系統和氣缸系統

登機梯空氣控制系統包括空氣系統部件和氣缸，該系統通過氣動方式升起和降下登機梯。壓縮空氣從空壓機出來，可以到達氣動控制閥，操作人員可分別從電鏟和地面上，操作手柄和拉繩控制登機梯。該系統由氣壓調節器、過濾器、氣壓流量控制閥、空氣導向閥、拉繩、手動觸動器、氣管等組件構成。

氣缸系統是通過流經電磁閥或氣動控制閥的氣流來控制氣缸作伸縮動作，由于高壓空氣的不穩定性，氣缸難以精密控制。而且需要流量閥控制梯子快慢，整套組裝下來結構也較復雜。氣動缸的氣動密封是關鍵的部分，密封圈極容易老化磨損，使用壽命因環境和頻率決定，而電鏟現場工作環境比較惡劣，氣動缸的壽命也在大大降低，維修工作量自然增加，維修成本增大。氣動缸系統控制的登機梯，進入冬季經常性地因為氣路管路里的水汽聚集形成積水，再遇冷冰凍堵塞管路，致使登機梯無法正常工作，造成設備故障；冬季因天氣嚴寒，這種故障頻繁發生而且依靠現有條件無法根治，設備會反復發生類似故障，車間維修人員勞動強度因此大大增加[3]。

2 電動缸工作原理及特點

2.1 電動缸的結構和工作原理

電動缸控制比較方便，工業設備上應用很多，比如開門，升降，推拉，推力從102～106N 都可以做到。內部結構為行星滾柱絲杠，滾柱絲杠，梯形絲杠，防反轉裝置[4]。

電動缸是伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將伺服電機最佳優點-精確轉速控制，精確轉數控制，精確扭矩控制轉變成-精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制[5]。電動缸的安裝方式有法蘭式，銷孔式（單耳雙耳），螺紋端，可以與電機平行，垂直，直線，安裝方式非常靈活，并可以連接各式附件，結構緊湊，且很方便與PLC 等控制系統連接，實現高精度控制。

2.2 電動缸的特性和優點

1）可精密控制推力，控制精度可達到1%（控制精度指反饋控制系統中最終的控制參數值與額定值的符合程度，即余差）。

2）很容易與PLC 等控制系統連接，實現高精密運動控制。

3）噪音低，節能，干凈，高剛性，抗沖擊力強，超長壽命，操作維護簡單。

4）電動缸工作環境溫度較廣為-40～120 ℃，適于北方高寒、高冷地區作業使用。電動缸可在惡劣環境下作業無故障，防護等級可以達到IP66。

5）維護簡單方便，電動缸在復雜的環境下工作只需要定期的注脂潤滑，并無易損件需要維護更換。

電動缸跟液壓缸和氣缸相比，不需要液壓源和氣源，只要給普通的交流電，控制伺服電機的運動就能控制電動缸的運動了。可實現環保、節能、干凈的優點，所以電動缸作為液壓缸和氣缸的替代產品，在電鏟登機梯系統中極具應用推廣價值。

2.3 電動缸的選型計算

電動缸主要來承受沿推桿方向的軸向負載，可產生軸向的拉力和推力、對于徑向負載（即垂直于推桿方向的負載），承載較小，并且隨著推桿的伸出而降低。推桿全都伸出時，側向承載最小[6]。

式中：Fa為推桿最大推力，N；T 為輸入電機矩，N·m；L 為絲杠導程，m；A 為減速比；η 為傳動效率，0.90～0.95。

登機梯通過電動缸的推桿，軸向作用于登機梯一端的配重塊。通常設備平臺高處的電動缸推桿推出最長時，推桿作用于配重塊的推力使登機梯保持在與電動缸同一水平高度，此時登機梯電磁閥閉合，反饋到設備控制系統，設備可正常工作。相反，當有工作人員等需要上下電鏟設備時，手動操作電動缸控制按鈕或拉線，電動缸推桿收縮，作用于登機梯配重塊的力減小，登機梯依靠自重，梯子另一端緩慢下降，直至另一端降到地面，人員便可爬梯上下設備。此時登機梯電磁閥常開，電鏟設備不能進行挖掘等作業。登機梯受力分析圖如圖1。

圖1 登機梯受力分析圖

圖1 中LAB為登機梯整體的力矩長度，m；A 為登機梯可升降一端，BC 端為登機梯配重端，電動缸推桿推力F 作用于登機梯配重端BC，G 為登機梯自重[7]，N；O 為登機梯升降過程中移動的重心，L1、L2為垂直地面方向的力臂長，m。

根據杠桿原理知：

設備登機梯質量約為1.5 t，登機梯降到地面時，F 最大力為自重的1.5 倍，則杠桿推力F＞31 183.4 N 的電動缸即可滿足要求。

3 氣缸系統和電動缸系統對比

3.1 氣缸的工作原理

空氣系統控制氣缸圖如圖2，空壓機壓縮空氣，氣體經過幾道過濾裝置，然后流到登機梯氣動控制閥，通過拉繩閥或者手動控制閥對登機梯氣動閥作用，進而控制登機梯的升降；梯子完全升起，梯子端的接觸鐵片與電子閥接觸，電磁閥吸合，反饋到控制系統，再經過控制系統，梯子定位信號傳輸至駕駛室PC 端，駕駛室人員可以通過PC 端，直接獲取登機梯的停留狀態。電磁閥未吸合不工作，即為梯子未起到位或者梯子處于落地狀態。

圖2 空氣系統控制氣缸圖

3.2 電動缸的工作原理

交流電源控制電動缸圖如圖3，電鏟電路分流出來的220 V 電源連接到電機控制器，電機控制器直接控制電動缸的伸縮動作（電機控制器通過連接線路將開關接到拉繩和手動控制閥），進來控制登機梯的升降。梯子完全升起，梯子端的接觸鐵片與電子閥接觸，電磁閥吸合，反饋到控制系統，再經過控制系統，梯子定位信號傳輸至駕駛室PC 端，駕駛室人員可以通過PC 端，直接獲取登機梯的停留狀態。電磁閥未吸合不工作，即為梯子未起到位或者梯子處于落地狀態。

3.3 氣缸和電動缸的對比

1）電動缸系統結構設計更為合理簡單。電動缸工作時性能更加穩定，能實現高強度、高精度定位，梯子不歸位現象將極大地降低。

圖3 交流電源控制電動缸圖

2）電動缸故障率低。氣缸系統冬季氣路堵塞的情況頻繁發生，設備故障率較大；而電動缸系統可在較復雜、較惡劣的環境下作業，避免前者的情況，大幅度減輕和減少了冬季工作人員的勞動強度和工作量，降低了工作的重復性，提高了設備的經濟效益。

3）電動缸控制性能好。氣缸系統中氣缸活塞運動速度較快時，在行程的末端將會猛烈撞擊氣缸的前后端蓋，氣缸內有橡膠墊兒會起到一定緩沖作用，但是運動中的梯子沒有緩沖裝置，往往會猛烈撞向電鏟平臺，梯子限位電磁閥經常被撞壞；而電動缸通過微處理器實時檢測位置，精確控制其速度的大小。當運動到端部位置時迅速降低其運行速度，實現終點緩沖控制，避免撞擊現象發生。

4）電動缸作業的安全性好。電動缸后期維護簡單且成本較低，只需注脂潤滑；而空氣系統控制裝置得查看梯子氣動閥的正常與否，及時排除氣動閥內的積水，查看整套裝置是否漏氣，工作量大，安全注意事項多，操作起來較為繁雜。相對的電動缸系統能有效地改善現場電鏟設備維護作業的安全條件。

4 改造前后故障分析

安家嶺礦7 臺PH2800XPB 電鏟，進入冬季，因登機梯氣缸裝置故障停機時間增多。登機梯系統改造前，登機梯氣缸裝置故障停機時間統計，將氣缸密封零部件老化漏氣，造成設備低氣壓、登機梯氣動控制閥出來到氣缸的管路出現結冰，氣管堵塞有關的故障都統計為登機梯氣缸裝置故障。

登機梯控制系統為氣缸時故障停機時間統計表見表1，登機梯系統改造前登機梯控制系統為氣缸，故障停機時間統計周期以2018 年11 月—2019 年4月，共計6 個月，每個月單獨跟蹤的平均每臺鏟登機梯氣缸裝置故障停機時間，每月以30 d 計算，然后通過跟蹤的平均每臺鏟登機梯氣缸裝置故障停機時間總和，得出月平均和天平均每臺鏟故障時間。

表1 登機梯控制系統為氣缸時故障停機時間統計表

登機梯控制系統為電動缸時故障停機時間統計表見表2，登機梯系統改造后登機梯控制系統為電動缸，故障停機時間統計周期以2019 年11 月—2020 年4 月，共計6 個月，每個月單獨跟蹤的平均每臺鏟登機梯氣缸裝置故障停機時間以30 d 計算，然后通過跟蹤的平均每臺鏟登機梯氣缸裝置故障停機時間總和，得出月平均和天平均每臺故障時間[8]。

表2 登機梯控制系統為電動缸時故障停機時間統計表

由表1 可以得出，按照每月30 d 計算，每臺鏟每天停機時間為3.5 h；由表2 可以得出，每臺鏟每天停機時間為0.5 h（30 min），可見改造后因登機梯動力裝置停機時間縮短到原來的0.142，粗略估計每臺鏟創造經濟效益為4 萬元/d，每個月至少可多創造17.5 萬元，節省了維修成本的同時極大降低了安全風險。

5 結語

1）P&H2800XPB 電鏟登機梯控制系統改為電動缸系統后，電鏟設備因登機梯系統引發的故障時間平均每天縮短3 h，可以減輕工人的勞動強度以及工作量。

2）通過改造電鏟登機梯控制系統，冬季因登機梯系統故障減少，隨之而來的生產及經濟效益十分可觀，每月每臺電鏟可以多創造經濟效益17.5 萬元，為企業的持續高效發展提供了有力保障。