大型挖掘机电力传动系统探究

在矿山采矿生产中，大型挖掘机是主要的装卸设备之一。由于其受到较为强烈的振动，再加上作业环境恶劣、粉尘大，对系统安全、可靠运行带来威胁。挖掘机中的电铲动力主要来自电网，通过电力传动功效，实现挖掘机的行走、回转、提升以及推压作业等，其中以提升机的功效最大，单台传动装置的直流电流可达到1 800 A，因此可以说传动系统是大型挖掘机运行的核心所在。以下将对具体内容进行分析。

1电力传动系统的构成

在电力传动系统中，电铲取电为AC6000V的电网，经过集电环送到断路器中，其中主变压器和辅变压器分别为系统中的高压辅助电源与低压辅助电源。完成四套主流装置的切换之后，完成电机供电过程。其中两台行走电机，经过减速箱作用之后，分别用来推动两侧履带运行，完成行走过程。经过减速箱之后，推压电机再次通过齿条驱动和齿轮，完成整个推压动作；通过两台提升电机的并联作用，可实现下放与提升铲斗作用。对于大型挖掘机中的两台回转电机，采取分别独立安装方式，经过减速箱之后，共同实现转盘的齿轮驱动，完成回转过程。

2电力传动系统在提升机中的应用

2.1负荷分配

对于大型挖掘机的提升系统来说，两台电机并联工作，实现刚性连接，共同使用一套完整的传动装置驱动，两部电机的运行速度持平。如果负荷分配不均匀，可能造成某一台的电机过载现象，或者另外一台电机处于发电模式下，具体分配负荷的方案如下所述。

1）速度与转矩环的独立运行。通过一个相同的速度实现，同时注意速度的给定应随着转矩的不断增大或者减小而进行调整，呈现下垂特性，并根据负载特性的硬度情况，自行分配转矩。

2）某台电机的速度在软化环境下呈现下垂特性，则另外一台电机的转矩可作为补偿作用。在工作过程中，由具有软特性的一台实现平移补偿量，而特性硬的一台则根据实际负载状况，确定转矩，完成两台负载的自动分配过程。

2.2双闭环调节

在现代化大型挖掘机械运行中，如何提高工况的静动态性能非常重要。由于大型挖掘机的容量大、拓扑复杂，因此普通的双闭环调节很难满足基本运行要求，对改进与优化提出更高要求。

1）转速微分反馈。在挖掘机的双闭环调速系统中，转速超调是普遍存在的问题；再加上抗扰性的限制，转速超调可能引发钢缆的震荡与抖动，难以符合提升工艺。当转速出现动态速降、超调等趋势，则开始调节微分负反馈，和速度反馈实现相抵，有效控制转速超调问题，增强抗扰性。只有这样，与普通的双闭环系统相比，才能更快、更好地实现平衡。

2）电流的变化率。采取双闭环调速，可有效确保系统效率，以此提高电流的变化率。但是由于电流变化率的提高，会使直流电机产生较大的电动势，此时换向器中可能出现火花；而转矩变化过快，则造成传动机械冲击，加速磨损速度。因此，在电流环中设置电流的变化率，以此优化电流，将最大值控制在允许范围内，形成转速、电流与电流变化的三环系统，同时优化控制最大电流情况。

2.3弱磁的控制

当铲斗向下放动时，制动的转矩变小，通过适当的弱磁处理，当给定相同的电动势时，适当提高速度，增强作业效率；在同等的速度下，加大电流，确保电流持续性，增强机械特性的硬度，可有效缓和谐波污染问题。

2.4预紧力的控制

当挖掘机的铲斗置放在地上，钢缆可能由于不受力而松弛，甚至脱离卷筒。在启动时，由于出现剧烈是伸缩现象，以此引发冲击力和抖动感。在系统中设置钢缆的预紧力，提高启动过程的平稳性，避免出现冲击或振动。

3电力传动系统在挖掘中的应用

3.1挖土机的特性分析

由于大型挖掘机的阻力不确定，应充分利用挖掘机的特征，通过电流截止负反馈，加强对电流的保护作用；如果负载的阻力超过了截止点，那么随着负载阻力的不断增大，电动机转速也会有所下降，发挥对电动机的保护作用。在电动机的实际运行过程中，系统采取曲线形式，方便控制、效率高。在挖掘机作业过程中，系统处于额定转速中运行，当铲斗铲出物料之后，系统就可以实现恒功率的调速运行，且速度始终保持在与负载大小相一致的工作点位置。

3.2提升力的协调作用

转矩的提升是保障挖掘机性能的基础所在，构建推压转矩与提升转矩之间的控制模型，可实现推压转矩和提升转矩的良好配合，尤其对于产品的机械运行效率、运行性能等相匹配。如果提升转矩在1/2以下，则推压转矩的限定值约为60%；如果提升转矩在1/2以上，则推压转矩的限幅随着转矩的提升而加大。那么在挖掘作业过程中，推压转矩的限幅值，可有效提升转矩函数。这样，既可以避免铲斗挖掘根部物料时不会产生重臂顶起现象，也可确保挖掘物料过程中，推压机的力矩，确保满斗率。

3.3减振作用

由于考虑到减速器的齿隙影响作用，为了避免由此问题造成的反向机械冲击或者启动问题，在正式给定转矩环之前，加入较大的圆弧与斜坡，同时设置S形的速度启停曲线，逐渐提升加速段的速度，避免出现冲击现象；在系统减速阶段，由于速度在最后阶段会减小，更利于迅速停车，以满足设备运行的可靠性与动态性，避免由于加速度或减速度过大而造成冲击振动、机架变形和应力突变等。为了进一步控制振动问题，当推压结构处于零速度，可将控制方式从速度控制转变成大力矩状态，进而避免由于退压力而引发的震动。

3.4回转与侧向力

一方面，大型挖掘机中的回转机构是较为典型的大惯性负载机械，为了避免启停冲击，延长机械的使用寿命，则系统的制动较为平稳，回转机构的低速启停，采取转矩控制方法，其主令为转矩，高速是转速控制形式、转矩限幅，更加符合机械的操作习惯；另一方面，加强侧向力的保护能力，由于受到回转的转矩限制，当提升机与推压转矩在75%以上，则回转的转矩限幅为5%，避免在挖掘过程中出现大转矩回转现象，以保障起重臂和抖杆不会受到侧向力影响。

4保护装置

由于大型挖掘机的工作环境十分恶劣，将受到严重的电磁干扰，需要完善的保护功能，如电机的过压、欠压、超速、过热、过流过载、失磁、定位故障分析等。为了提高冗余的可靠性能，应独立分析压差与分流保护装置。有关压差的保护，主要用来避免负荷分配不均，造成电机设备的损坏。分流保护功能，针对传动系统可能出现的晶闸管触发故障、电机换向故障、短路与负荷分配不均、缓流故障、回馈制动故障等，可能引发过流问题。这时候，就需要立即启动相应的分流装备，关闭整流器的反压，同时将电机中的储能分流到制动电阻，以消耗热能，避免出现电机失火现象。

参考文献

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作者简介

吴发兵（1982―），男，职称：助理工程师，单位：中铁十二局集团第二工程有限公司。