賈 峰，田 野

（神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(jù)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(shè)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(yè)性和反應(yīng)能力要求極高。

1 冷卻液液位傳感器開發(fā)、設(shè)計的必要性

冷卻液缺失首先會造成發(fā)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(dǎo)致發(fā)動機活塞頂?shù)竭M排氣門（俗稱頂缸），嚴重的缺冷卻液缺失問題會造成發(fā)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(fā)現(xiàn)因缸蓋高溫全部12 個活塞頂?shù)綒忾T。柴油機需要重新大修。

（2）某礦用水車，缸蓋內(nèi)部裂紋滲漏，導(dǎo)致冷卻進入缸內(nèi)，待司機操作員發(fā)現(xiàn)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(fā)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(xiàn)場無法手動盤動曲軸，將卡車拖回車間拆檢發(fā)現(xiàn)，冷卻液缺失嚴重，拆卸油底殼發(fā)現(xiàn)活塞、缸套全部高溫變色、拉傷，甚至粘傷，再拆檢發(fā)現(xiàn)因冷卻液缺失導(dǎo)致冷卻液溫度高，進一步導(dǎo)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(jié)到曲軸軸徑，導(dǎo)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路及對生產(chǎn)作業(yè)的積極意義

機油的長期部分缺失和瞬時的缺失，導(dǎo)致軸瓦因缺油而高溫，導(dǎo)致“化瓦”故障，融化的軸瓦金屬會粘結(jié)到曲軸軸徑，導(dǎo)致“抱瓦”故障，若發(fā)動機持續(xù)運轉(zhuǎn)沒有停機，連桿將會支出缸體，即“踢缸”故障，這些柴油機的災(zāi)難性故障，造成了巨大設(shè)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(dǎo)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(dǎo)致軸瓦短期處于缺油狀態(tài)，軸瓦與軸徑間油膜短期缺失，導(dǎo)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(fā)生大多數(shù)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(yǎng)工人進行機油更換保養(yǎng)，排放完機油后午休，待下午加注機油。因現(xiàn)場急需灑水作業(yè)，午休沒結(jié)束前司機操作員提前到達該礦用灑水車，見舊機油已經(jīng)排放，啟動車輛，車輛沒有運行10 m 便自動熄火。維修人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，連桿斷裂支出缸體，發(fā)生“踢缸”（圖2），而柴油機中并沒有加注機油，發(fā)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(fā)動機，白天正在運行中，后車司機在“對講機系統(tǒng)”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(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，機油油底中還剩余一半量的機油，軸瓦沒有發(fā)生磨損。但該故障若發(fā)生在視野不佳的夜間，或者后面沒有車輛運行，將發(fā)動機中的機油大部分噴出后，不僅僅是發(fā)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(dǎo)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(yǎng)導(dǎo)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(yǎng)和操作意識，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在“智能”礦山的理念和實際狀況的使用，應(yīng)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(tài)，第一時間掌握冷卻液、機油發(fā)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(tài)，即便發(fā)生故障，也是初期故障初期狀態(tài)，避免礦車柴油機在缺機油缺冷卻液狀態(tài)下繼續(xù)進行，將故障進一步擴展，演變成為災(zāi)難性故障，甚至不可修復(fù)的故障。

項目的必要性已經(jīng)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(fā)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(chǔ)上加裝性能可靠的液位傳感器和報警系統(tǒng)，相對于方案，研發(fā)成本、配件的生產(chǎn)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(yè)環(huán)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(zhì)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(chǎn)商在電控或者電噴柴油機應(yīng)用的傳感器，經(jīng)過反復(fù)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(zhì)要求為CZ128 黃銅，電極部分外部的材質(zhì)為聚四氟乙烯。

難點2：機油、冷卻液液位傳感器的位置設(shè)置在何處，液位傳感器位置設(shè)置過低，報警過晚，機油或者冷卻液已經(jīng)缺失過多，柴油機內(nèi)部需要潤滑或者冷卻的零部件已經(jīng)磨損或者高溫；液位傳感器位置設(shè)置過高，正常情況，報警系統(tǒng)運行正常，運輸作業(yè)期間上坡下坡，機油液面發(fā)生傾斜，頻繁誤報警，必然導(dǎo)致操作人員的反感和對新報警系統(tǒng)的不接受。經(jīng)過反復(fù)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(fā)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(shè)備管理關(guān)鍵數(shù)據(jù)準確性的有效解決方案

在TR100 礦用卡車生產(chǎn)作業(yè)中，因其設(shè)備運行小時（計）表是機械式的，當發(fā)動機小時計損壞或大修后，無法進行重置，導(dǎo)致小時數(shù)統(tǒng)計不準確。需設(shè)計一套電子車輛小時計表，當車輛或者發(fā)動機大修時，可以將小時數(shù)歸零，計算下一次的大修周期的運行實際小時數(shù)。當小時計表故障損壞時，更換新的電子表后，可以設(shè)置成表故障時的小時數(shù)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(dǎo)致設(shè)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(jīng)明確，如果能兼容到TR100 油液監(jiān)控系統(tǒng)中，則無需再設(shè)置一套系統(tǒng)，可以有效降低研發(fā)、采購、改裝人工成本，同時還可以避免系統(tǒng)過多、占據(jù)駕駛室狹小空間的問題。經(jīng)過多個小時計信號采集點測試，保證設(shè)計的小時（記）表顯示為礦車的運行時間，并開發(fā)了與處理器連接的通信適配器（線），和設(shè)置小時數(shù)的管理軟件（授權(quán)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(jié)束語

通過24 h 全時智能監(jiān)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(tài)，可以有效避免設(shè)備機油和冷卻液無論是長期或者是意外發(fā)生時，導(dǎo)致了柴油機故障而產(chǎn)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(shè)備運行小時數(shù)，為設(shè)備的科學管理和統(tǒng)計，提供準確的數(shù)據(jù)支撐，有效避免了“多統(tǒng)計小時數(shù)”造成提前維護保養(yǎng)大修的資源費用浪費和滯后維修保養(yǎng)大修而設(shè)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(shè)計、測試、開發(fā)、應(yīng)用，讓傳統(tǒng)的機械礦用卡車有了先進的智能的油液監(jiān)控系統(tǒng)和智能小時計管理系統(tǒng)，使其露天礦的生產(chǎn)作業(yè)中具有更低的全生命周期使用成本。