掘進機液壓和電氣系統故障分析與維護

楊 勇

(大同煤礦集團有限責任公司四臺煤礦，山西 大同 037000)

0 引言

井巷掘進是礦井生產中極為重要的一環，掘進機在井巷掘進中應用十分廣泛。一方面，掘進機能夠按照設計快速完成規定尺寸的井巷斷面，相對傳統井巷開鑿方式更加安全、可靠和高效[1]。但是，由于掘進機作業環境較差，設備容易發生故障，而且很多操作人員也沒有深入了解掘進機內部結構及運行機理，導致操作過程易出現混亂和錯誤，引發誤操作降低工作效率也易損壞設備[2]。因此，加強對掘進機故障維護和日常管理，維持掘進機正常運行，對降低故障率能夠起到良好作用。

故障樹分析是一種常用的系統可靠性分析方法，能夠較好的對導致故障的各類因素進行逐層分析，通過樹形結構更方便快捷地判斷故障點，并進行定性定量分析，因此，本文選擇故障樹進行掘進機故障分析。

1 煤礦掘進機工作原理

掘進機由工作機構、轉載機構、行走機構、裝運機構構成。掘進機根據開鑿井巷結構不同分為護盾式掘進機和開蔽式掘進機，可根據不同工作需要進行選擇。掘進機通過行走機構進行移動完成向前推移，工作機構對煤、巖層進行巖體破碎和開鑿最終按設計構成需要的井巷，并通過轉運機構裝運由裝載機完成破碎巖體的運輸，保障井下開采人員活動和開采的工作空間[3]。

相較以前的傳統地下井巷開鑿方式，開鑿過程能夠保持結構穩定，高質量的完成巷道開拓，同時操作流程十分便捷，生產過程安全可靠，工作效率也較高。但是設備構造也較為復雜，加之工作環境復雜惡劣，設備內部各機構及零配件易損耗、損壞，維修難度也較大，及時對隱患進行排查和維護十分必要。

2 煤礦掘進機液壓系統故障分析

2.1 液壓系統溫度過高

礦用掘進機工作環境惡劣，液壓軸、液壓箱等處溫度超限為掘進機液壓故障主要因素之一。掘進機工作對象以伴有大量矸石的煤、巖層為主，例如掘進過程中遇見矸石等堅硬物體會增加掘進機液壓系統傳動力矩，進而引起液壓軸的磨損以及溫度升高。液壓軸以及液壓油正常運轉過程中溫度基本恒定，當轉軸、箱體溫度超出溫度上限時，液壓系統運轉負荷過高、運轉不正常，系統中部分零件磨損及老化加速，液壓油受熱變質潤滑能力下降等多種隱患會出現，伴隨其他環境因素易導致掘進機液壓系統故障。液壓系統高溫的原因涉及到設備設計、加工以及操作方法、流程等方面[4]。去除設備自身缺陷，多數液壓系統高溫因素為人為操作不規范導致設備運轉流程發生錯誤，為了確保液壓系統中液壓油循環冷卻系統正常運轉，除提高作業人員素質之外，應對設備定期巡查，定期和不定期清理系統油路，確保設備清潔便于系統散熱[5]。

2.2 液壓油中含有雜質

液壓系統是礦用掘進機的主要動力驅動裝置，系統通過各緊密原件、零配件緊密結合，并通過控制液壓管路及各原件中控制閥開啟狀態完成掘進設備運轉控制。其中正常條件下各零配件配合緊密，之間間隙較小，但環境中的灰塵及其他雜質可以伴隨液壓油進入液壓系統內部，一方面會影響液壓油的純度和效率，另一方面會進入零配件間和閥門間的間隙中，并且部分如金屬碎屑等的雜質表面堅硬并存在棱角，會造成閥門閥體及零配件表面劃傷，進而影響控制閥和零件性能，嚴重時會導致部分零件故障。同時液壓油中雜質積聚在油泵的油口過濾網，增加油泵阻力，嚴重時影響設備正常運轉。為確保液壓油品質及系統運轉狀態，應定期對液壓油及各配件處密封狀態進行檢查。

2.3 輔助元件的故障以及處理方法

輔助元件的溢流閥狀態對設備運轉十分重要，溢流閥損壞或壓力不穩定會引起對應換向閥故障，導致部分功能操作失靈。例如掘進機行走裝置故障時，行走換向閥的溢流閥無壓力時，溢流閥故障或O型圈密封不嚴，應及時更換故障零件；當該溢流閥有壓力時，故障可能為其他零件引發的，根據管路方向逆向檢查，自馬達、星相轉向閥、減速器直至油泵逐一排查。

2.4 液壓系統故障樹建立

根據前面的分析，建立液壓系統故障樹模型，如圖1所示，各符號意義見表1。

圖1 掘進機液壓系統故障樹模型

符號含義符號含義T1掘進機液壓系統故障x3操作不當M1液壓系統溫度過高x4密封不嚴M2液壓油中含有雜質x5零件磨損M3輔助元件的故障x6溢流閥損壞x1設計缺陷x7O型圈密封不嚴x2負荷過大

3 電氣系統常見故障及分析

掘進機中電氣系統隨電氣技術發展而不斷改進，在掘進機設計過程中對電氣部分采用集中控制和多級保護裝置，極大簡化了掘進機的結構并提高設備運轉穩定性。通常電氣系統通過可編程控制器PLC對掘進機機械部分進行控制，并對各個回路實現過載、過流及短路等狀況下的保護。因此電氣系統控制單元故障也是影響掘進機正常工作的主要因素。

3.1 PLC輸出故障

PLC輸出無信號會導致設備無法正常操控，雖然影響PLC輸出因素眾多，但PLC整體性能穩定，多數情況下為綜合保護器控制按鈕故障。為判斷PLC輸出故障，應檢查裝置狀態顯示，可通過短接輸入端進一步判斷PLC是否損壞。

3.2 接觸器線圈和繼電器線圈不導通

接觸器線圈回路導通故障主要引發原因為：接觸線圈損毀、回路繼電器損毀、回路交流電源連接問題。線圈不導通可通過萬用表判別。繼電器線圈回路導通故障主要引發原因為：繼電器線圈損毀、回路直流電源連通問題、PLC輸出問題。

3.3 接觸器不能進行可靠吸合

電氣系統接觸器位置通過電壓調節，高電壓下完成吸合動作，低電壓維持。接觸器吸合故障一般由接觸器直接故障和電壓值過低兩類原因導致：綜合保護器錯誤動作所導致的接觸器故障需要及時更換元件進行修理；而低電壓方面，系統供電裝置輸出功率過高后，可能出現瞬間電壓下降、電流升高的現象，電壓無法維持接觸線圈吸合動作，長時間電壓值過低需要對供電電纜電阻進行調節，減少線纜長度或更換電阻率較小的線纜等方面降低輸出電壓過低。

3.4 電氣系統故障樹建立

根據前面的分析，建立電氣系統故障樹模型，如圖2所示，各符號意義見表2。

圖2 掘進機電氣系統故障樹模型

符號含義符號含義T2掘進機液壓系統故障x11回路繼電器損毀M4PLC沒有輸出x12回路交流電源問題M5接觸器線圈不導通x13繼電器線圈損毀M6繼電器線圈不導通x14回路直流電源問題M7接觸器不能吸合x15PLC輸出問題x8控制按鈕故障x16綜合保護器錯誤動作x9PLC故障x17電壓值過低x10接觸線圈損毀

4 基于故障樹的掘進機故障分析與維護

4.1 基于故障樹的故障分析

根據前面對掘進機液壓系統和電氣系統故障的分析，建立掘進機常見故障的故障樹模型，如圖3所示。

對圖3故障樹進行布爾運算，由于邏輯關系均為“或門”，所以計算結果如下

T=x1+x2+x3+x3…+x16+x17

(1)

圖3 掘進機常見故障的故障樹模型

因此，系統最小割集有17個，且都是一階割集，只要有一個發生故障就會導致整個系統故障，所以掘進機系統可靠性較差，需要加強日常的維護和保養。

4.2 掘進機的日常維護和保養

掘進機日常維護：使用礦用掘進機進行煤巖層掘進相對其他方法其工作效率高、工作安全穩定、操作也更為簡單。但掘進機機械系統復雜，為避免機械事故發生，需要加強掘進機日常檢查和維護。①掘進機中齒輪頭處、齒座處、伸縮處、減速機部分等處對整個掘進機運轉十分關鍵，例如掘進機的載割頭處易出現螺絲松弛和齒輪損壞，所以對載割頭檢查十分必要，對截割頭齒輪、螺絲、齒座、伸縮處、減速機、油量情況、溫度情況都要進行檢查，及時更換異常狀態的零件，確保載割頭正常工作；②確保掘進機行走機構狀態，首先需要確定履帶松緊度，隨后對履帶的履帶板、齒輪、鏟裝板鏈接銷進行檢查；③確保刮板輸送機鏈條松緊度適當，鏈條過松易跑脫或無法提供足夠驅動力，同時針對鏈條的檢查，也應觀察鏈輪和從動輪狀態，及時調節鏈條松緊度，對問題零件及時進行替換；④避免過濾器、噴嘴有雜物堵塞，過濾器、噴嘴等處積聚過多雜物會影響液壓流速從而影響掘進機工作狀態。

掘進機使用過程中的維護：掘進機設備故障修復較為繁瑣，因此盡量維持設備穩定性十分重要。①掘進機工作負荷大、承受力矩大，工作機構中的齒輪損耗率較高，也易損壞，應定期進行檢查并及時更換損壞齒輪，并調試好截割頭;②各類零配件間配合間隙間的潤滑狀態會影響整體設備的使用壽命，缺少潤滑及間隙過小會加速零件磨損，進而損壞裝置，應確保潤滑系統工作正常；③影響皮帶跑偏的因素有轉軸安裝偏心，刮板鏈過松或堅固度較不佳等，使用過程中應加強調整維護，避免皮帶跑偏。

5 結語

分析了煤礦掘進機常見的液壓系統和電氣系統故障，建立了由7個中間事件和17個底事件組成的故障樹模型。另外，制定了加強掘進機日常保養和維護的措施，對維持掘進機正常運行、降低故障率能夠起到良好作用。