MT 系列电动轮自卸卡车制动防火监测系统

刘 洋

（中国神华能源股份有限公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯010300）

目前，国家能源集团准能集团哈尔乌素露天煤矿有MT4400 与MT5500 系列共计55 台电动轮自卸卡车，主要承担哈尔乌素露天煤矿黄土岩石剥离和采煤运输任务，设备已持续运行12 年。因坑下路况颠簸，设备部件出现严重疲劳损耗，电动轮制动系统故障频繁，最严重的就是制动失效导致电动轮着火。近期电动轮自卸卡车制动装置发生火灾事故的次数频繁增加，自卸卡车主机厂家针对该类事故的处理方式，主要靠驾驶员的主观安全注意和定期检查与维护来保障，没有配置相关制动装置防火监测系统。为预防并杜绝此类事故再次发生，维修中心依据事故发生原因研发出卡车防火监测系统，此系统对制动盘出现异常高温、制动装置发生火灾的早期能进行预警提示，可有效避免电动轮制动装置发生火灾事故，将火灾造成的损失降到最小。

1 MT 系列电动轮自卸卡车电动轮制动系统

1.1 MT 系列电动轮自卸卡车电动轮工作原理

MT 系列卡车柴油发动机以发动机转速驱动1台直列式交流发电机[1]。交流发电机产生交流电，此电流在主控制柜内被整流为直流电。经整流的直流电源又被1 组称为“逆变器”的装置转换回交流电，也在主控制柜内完成。各逆变器均包括处于门驱动器电源转换器（GDPC）控制之下的6 个相位模块。2个GDPC 控制各相模块的操作。各相模块均包括成对的正、负极半导体开关，被称作绝缘门双极性晶体管（IGBT）。IGBT 根据变化的频率在ON 和OFF 之间切换，产生一个来自DC 供电的AC 电源信号。由各逆变器产生的AC 电源信号为一个可变电压、可变频率（VVVF）信号。频率和电压可作出改变，以适应作业状况。用于控制/电源组和车轮马达以及交流发电机自身的冷却空气，由安装在交流发电机轴上的双风扇提供交流发电机输出将电能供至安装于后桥壳体的2 个车轮马达。电动轮采用带有全波AC电源的三相AC 感应马达。2 个车轮马达通过内置于车轮马达总成的齿轮系[2]，将电能转换回机械能。车轮马达的方向由一个位于中央控制台的前进或后退手动选择开关控制动力减速装置用来减缓卡车的速度或在下坡行驶时控制速度。直流电气系统的动力减速能力是通过操作人员踩踏位于操作人员驾驶室内的减速踏板（或通过操作转向柱上的一个手柄）设置减速控制系统来进行控制的。若卡车的速度高于预设的最大速度，动力减速装置将会被自动激活。

1．2 电动轮制动工作原理

电动轮自卸卡车液压制动系统主要包括“压力油供给系统”和“动作执行系统”，2 部分协同控制制动卡钳总成来实现卡车的制动。“压力油供给系统”主要包括：转向泵、过滤器、转向集成阀、制动储能器等部分，“压力油供给系统”供给的恒定状态的压力油24 MPa[3]经制动储能器向前制动器及后制动器供油；卡车进行制动动作时，操作人员踩下制动踏板，制动控制先导阀开始动作，制动控制先导阀压力的变化与踏板下行行程成比例，利用制动先导阀的压力变化来控制制动组合阀实现前制动轮及后制动轮的制动动作。

1.3 制动系统易引发着火原因

制动系统易引发着火原因为：①制动器故障或驾驶员操作不当，致使制动器摩擦片长时间摩擦，使制动盘出现异常高温；②电机转子故障出现“环火”现象[4]；③电机轴承损坏、转子槽签及铜条松动或脱落、定子线圈松动等引起电机“扫膛”，产生高温或短路起火；④当制动器密封破损、油管老化或损坏等原因致使液压油泄露，当泄露的液压油遇到上述原因出现的异常高温或明火时，会引发较大的火灾事故。

2 电动轮制动防火监测系统

电动轮防火监测方案包含制动故障造成制动盘高温导致起火的防范、电动轮出现起火现象后的早期报警、电动轮制动部分起火后的及时灭火、引起电动轮起火的机械故障的监测与早期报警、远程监控系统等5 个功能部分，这样设置的方案能有效防止电动轮制动装置部分及其他机械故障引起的起火事故的发生，以及万一发生火灾后及早发现报警并及时灭火。具体为：①实时监测制动盘温度，在监控终端实时显示，出现高温发出报警；②实时监测电动轮制动装置空间内CO 浓度，在监控终端实时显示，在火灾发生早期发出报警；③如果可能，安装自动灭火系统对电动轮制动装置发生的火灾进行灭火；④实时监测牵引电机的轴承及其他机械运行情况，监测轴承磨损、线圈松动等机械故障发生趋势，预估轴承使用寿命，在监控终端用曲线、图表实时显示，在轴承碎裂等机械故障发生时发出报警；⑤对电动轮运行情况采用4 G 远程监控，支持电话或短信通知。

电动轮防火监测系统方案按结构可分为轮边传感、驾驶室防火监测控制、灭火系统等3 个单元，按使用功能可分为电动轮制动装置温度监测及高温报警、电动轮起火报警、电动轮制动部分灭火系统、电动轮电机机械故障监测及报警、远程监控系统等5个功能部分。

1）电动轮制动装置温度监测及高温报警。电动轮制动装置温度测量有非接触和接触测量2 种方式：非接触式测温传感器是采用的辐射测量原理，测量精度受灰尘等环境影响较大。接触式测量传感器是测温原件直接与被测量物体精密接触，基本不受环境影响。考虑到制动装置附近灰尘和油污影响严重，采用接触式无源温度传感器。将传感器装在制动盘上不与制动钳干涉的地方，若考虑对制动盘动平衡影响[5]，可在制动盘对称位置各安装1 个。因测温传感器装在制动盘上，传感器采用无源供电，不需要外接电源或电池供电，因此不用新增电源连接线及更换电池，检测到的温度信号以无线方式发送至司机室内的防火监测控制单元，对制动盘的温度进行适时记录、分析与显示，当检测到制动盘的温度超过设定值时，发出报警信号，提示驾驶员制动盘超温。对于有电机温度监测传感器[6]的车辆，可将传感器温度信息接入驾驶室内的防火监测控制单元，进行适时记录、分析与显示。

2）电动轮起火报警。火灾报警传感器有多种形式，考虑到在有外罩的电动轮制动装置的阴暗多灰尘的空间环境使用，象光电感烟探测、红外光束感烟探测等方式均不适合该环境中使用，因此此次方案采用CO 传感器[7]检测方式。火灾发生时，燃烧产生的气体产物主要为CO、CO2、H2O，CO 产生比燃烧烟要早得多，而且不同于火灾烟气中的烟雾颗粒，气体需要更少的热量驱动就可以快速上升，这样便于探测。由于一般情况下，CO 在空气中的含量极低，即使在CO 含量较高的厨房等环境里，CO 的含量也均在20×10-6以下。但是，在火灾过程中，几乎每种物质均要产生不充分燃烧的CO，特别是阴燃阶段的火灾更是如此，由火灾孕育到剧烈燃烧，CO 经历从无到有，由小到大，然后逐渐减小的规律性变化过程。因此CO 是极早期火灾的特有标志，适合于火灾早期探测。针对一氧化碳火灾报警器目前国家有相应的产品标准，GB l5631—200 特种火灾探测器，其中的4.5 条款(点型一氧化碳探测器)中，对其技术要求已有明确规定。该传感器方式使用也比较成熟。在电动轮轮边制动装置空间内安装CO 传感器。检测到的CO 浓度信号发送至驾驶室内的防火监测控制单元，对轮边制动装置空间内的CO 浓度进行适时记录、分析与显示，当检测到空间内CO 浓度超过起火设定值时，发出报警信号，提示驾驶员电动轮有火情。

3）电动轮制动部分灭火系统。改造的自卸车车型电动轮结构中能穿过灭火器的灭火管道，新增电动轮制动部分自动灭火系统。自动灭火系统的灭火器装置安装在右夹板上，控制组件安装在驾驶室，喷头组件安装在电动轮制动部分空间内。当司机发现电动轮火灾报警，即压下驾驶室的控制手柄，自动灭火系统即开始自动灭火。

4）电动轮电机机械故障监测及报警。为预防牵引电机的轴承碎裂等机械故障引发的电动轮起火情况发生，需要对电机的机械运动进行实时监测与分析，对电机轴承的磨损、疲劳引起的变形等情况进行跟踪和早期预报，对轴承碎裂、槽签或铜条甩出以及线圈松动等故障及时报警。目前对滚动轴承故障的监测与诊断，有基于振动信号、声音、温度、油膜电阻、光纤等的诊断方法，其中基于振动信号的诊断方法具有实用性强、效果好、测试和信号处理简单等优势，因而被广泛采用，本方案即采用基于振动信号分析的特征频率故障诊断方式。在牵引电机轴端安装三维振动、转速和温度传感器各1 个，对电机的振动、转速及电机轴端温度进行实时监测，如果利用原车的转速信号，可不用再装转速传感器。传感器检测到的振动频率、转速和轴端温度信号，传送至驾驶室内的防火监测控制单元，控制单元对电机的振动频率、转速和轴端温度信号进行实时计算分析处理，将各故障特征频率的分析结果，以图表等方式显示出轴承的磨损、线圈松动等机械故障的发生趋势以及轴承预计的使用寿命，对电机轴承损坏、转子槽签及铜条松动脱落、定子线圈松动等引起电机异常振动的故障进行报警。

5）远程监控系统。为确保对起火故障的监测及报警及时有效，故障第一时间得到处理，还规划了4G远程监控系统[8]。驾驶室中的防火监测控制单元，将牵引电机及制动盘的温度、振动等监测和分析的信息通过4G 网络实时传送至云端服务器，远程监控程序可进行实时监控。当防火监测控制单元检测到故障信息时，云端服务器将自动通过电话或短信方式实时通知驾驶员和远程监控人员，及时对故障进行处理。

3 结 语

分析了MT 系列卡车电动轮制动故障引发着火原因及原理，详细阐述了矿用电动轮自卸卡车电动轮制动防火监测系统设计，通过本设计可有效实时监测制动盘温度、监测轴承磨损、线圈松动等机械故障发生趋势，超前预警着火，及时采取灭火等措施，保障电动轮故障及时消除，避免火灾事故的发生，提升设备出动率，减少检修成本支出。实施之后预计可每年节约成本200 万元。