礦用架線機(jī)車空壓機(jī)系統(tǒng)故障分析及預(yù)防對(duì)策

白春鶴

（首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司杏山鐵礦，河北唐山 064400）

0 引言

電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)是井下運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，承載著采區(qū)溜井下放的礦石運(yùn)輸，電機(jī)車運(yùn)輸安全更是井下安全生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)，是礦山的咽喉設(shè)備。

空壓機(jī)系統(tǒng)的主要功能是提供斬波調(diào)速電機(jī)車制動(dòng)、集電弓遠(yuǎn)程控制升降的動(dòng)力，是直流電機(jī)車安全制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作可靠性直接關(guān)系著電機(jī)車運(yùn)行的安全性能，影響著礦山的安全生產(chǎn)。空壓機(jī)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，輕則影響生產(chǎn)進(jìn)度，重則導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。常見的空壓機(jī)系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為空壓機(jī)不啟動(dòng)或空壓機(jī)停不下來。從空壓機(jī)系統(tǒng)的控制原理和附屬備件，結(jié)合典型案例，多角度分析產(chǎn)生故障的原因，提出相應(yīng)的處理對(duì)策及預(yù)防措施。

1 空壓機(jī)系統(tǒng)工作原理

目前大多數(shù)新型地采有軌運(yùn)輸使用的設(shè)備為變頻調(diào)速機(jī)車，例如：中鋁集團(tuán)云南迪慶有色金屬有限公司使用的有軌運(yùn)輸設(shè)備為65T 變頻電機(jī)車，變頻電機(jī)車遠(yuǎn)程控制制動(dòng)方式主要由兩部分組成，一個(gè)是利用電機(jī)的電制動(dòng)，另一個(gè)是利用空壓機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)。杏山鐵礦使用的是斬波調(diào)速機(jī)車，與變頻電機(jī)車相比，斬波調(diào)速機(jī)車遠(yuǎn)程制動(dòng)方式只能采取氣動(dòng)控制的機(jī)械制動(dòng)，因此空壓機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否至關(guān)重要。

1.1 系統(tǒng)組成

空壓機(jī)系統(tǒng)主要由空壓機(jī)逆變器、電機(jī)車空壓機(jī)、空壓機(jī)電機(jī)、空壓機(jī)風(fēng)路系統(tǒng)、剎車汽缸、集電弓汽缸等部分組成（圖1）。

圖1 空壓機(jī)系統(tǒng)組成

如圖1 所示，杏山鐵礦斬波調(diào)速機(jī)車的供電電源是直流550 V，通過空壓機(jī)逆變器將直流550 V 電壓逆變成交流380 V 電壓，為空壓機(jī)電機(jī)提供電源，空壓機(jī)逆變器的啟停通過一對(duì)干點(diǎn)進(jìn)行控制，電機(jī)車安裝兩個(gè)風(fēng)缸進(jìn)行儲(chǔ)氣，通過電磁閥對(duì)剎車汽缸以及集電弓汽缸進(jìn)行控制，執(zhí)行剎車、松剎車、升、降集電弓動(dòng)作。

1.2 控制原理

如圖2 所示，空壓機(jī)系統(tǒng)控制回路采用的是24 V低壓控制，系統(tǒng)風(fēng)路管路中安裝一塊電接點(diǎn)壓力表，通過電接點(diǎn)壓力表的高、低壓指針通斷，控制電氣回路兩個(gè)中間繼電器K1、K2 的通斷，再將K1 的常開點(diǎn)接入逆變器的控制點(diǎn)中，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)逆變器的自動(dòng)控制功能。

圖2 空壓機(jī)控制原理

系統(tǒng)設(shè)置空壓機(jī)系統(tǒng)低壓0.4 MPa 啟動(dòng)，到高壓0.8 MPa 停止。當(dāng)系統(tǒng)壓力到達(dá)0.4 MPa 時(shí)電接點(diǎn)壓力表低壓指針接通，低壓繼電器K1 線圈接通，通過輔助點(diǎn)自鎖K1 吸合，同時(shí)串接在逆變器控制回路中的K1常開觸點(diǎn)接通，空壓機(jī)逆變器工作。當(dāng)系統(tǒng)中壓力達(dá)到0.8 MPa 時(shí)，電接點(diǎn)壓力表高壓指針接通，高壓繼電器K2 線圈接通，K2 的常閉觸點(diǎn)斷開，從而使低壓繼電器K1 回路斷開，K1 繼電器線圈失電，串接在逆變器控制回路中的K1 常開觸點(diǎn)斷開，逆變器停止工作。

1.3 空壓機(jī)風(fēng)路原理

該系統(tǒng)包括自動(dòng)、手動(dòng)兩套控制系統(tǒng)，其中手動(dòng)控制系統(tǒng)就是電機(jī)車在本地使用過程中，在司機(jī)室內(nèi)通過手動(dòng)截門以及腳踏閥控制集電弓、剎車缸（圖3）。自動(dòng)控制系統(tǒng)是電機(jī)車遠(yuǎn)程操作過程中，司機(jī)在地表操作臺(tái)控制電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)集電弓、剎車缸的控制功能。

圖3 空壓機(jī)風(fēng)路系統(tǒng)

（1）遠(yuǎn)程剎車控制。手動(dòng)關(guān)閉手自動(dòng)閥門，當(dāng)遠(yuǎn)程需要?jiǎng)x車時(shí)，遠(yuǎn)程控制自剎閥線圈得電電磁閥動(dòng)作（剎車電磁閥使用的是常閉電磁閥），總風(fēng)缸中的壓力通過管路流向剎車缸，機(jī)車制動(dòng)。當(dāng)需要松剎車時(shí)，控制自松閥得電，將剎車缸中的氣排除達(dá)到松剎車的目的。

（2）本地剎車控制。手動(dòng)打開手自動(dòng)閥門，通過腳踩腳剎閥，使總風(fēng)缸內(nèi)的氣通過管路進(jìn)入剎車缸，機(jī)車制動(dòng)。當(dāng)需要松剎車時(shí)，將腳踏閥松開，剎車缸內(nèi)的氣排出、達(dá)到松剎車的目的。

（3）遠(yuǎn)程升降弓子控制。遠(yuǎn)程控制自降弓閥線圈得電，電磁閥打開，總風(fēng)缸內(nèi)的氣通過管路進(jìn)入弓汽缸，集電弓降下，當(dāng)需要升弓子時(shí)，遠(yuǎn)程控制自升弓電磁閥線圈得電，弓汽缸中的氣通過管路排除，集電弓利用彈簧升起。

（4）本地升降弓控制。與遠(yuǎn)程控制方法類似，手動(dòng)搬動(dòng)手降弓截門，總風(fēng)缸內(nèi)的氣通過管路進(jìn)入弓汽缸，集電弓降下，當(dāng)需要升弓子時(shí)，手動(dòng)搬動(dòng)手升弓截門，弓汽缸中的氣通過管路排除，集電弓利用彈簧升起。

2 空壓機(jī)系統(tǒng)故障類型及故障原因

空壓機(jī)系統(tǒng)的大部分故障是不能按照規(guī)定完成泵風(fēng)及制動(dòng)任務(wù)，或者制動(dòng)效果達(dá)不到規(guī)定要求。通常空壓機(jī)系統(tǒng)的故障主要分為電機(jī)無法有效啟停和制動(dòng)失效兩大類。

2.1 電機(jī)非首次啟動(dòng)時(shí)，無法按照設(shè)定值啟動(dòng)

由于每班對(duì)電機(jī)車空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行排氣，因此電機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)是空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)0 氣壓時(shí)啟動(dòng)。電機(jī)非首次啟動(dòng)是指正常轉(zhuǎn)車過程中空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)有壓力時(shí)啟動(dòng)。按照設(shè)定要求空壓機(jī)低壓0.4 MPa 啟動(dòng)，高壓0.8 MPa 停止，但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)行過程中總汽缸內(nèi)壓力降到0.4 MPa，但空壓機(jī)電機(jī)無法正常啟動(dòng)。造成此問題的主要因素有以下2 個(gè)。

（1）控制回路未接通逆變器無法正常工作。從圖2空壓機(jī)控制原理中可以看出，由于電接點(diǎn)壓力表低壓指針不通以及高壓繼電器常閉點(diǎn)不通會(huì)造成此故障。

（2）控制回路接通，電機(jī)無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)

故障現(xiàn)象：控制回路全部接通，繼電器吸合正常，逆變器有輸出但是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈后停止，然后再次轉(zhuǎn)動(dòng)幾圈再次停止。此故障比較典型，由于此套空壓機(jī)系統(tǒng)是杏山鐵礦按照杏山電機(jī)車本身情況自行改造的，使用的備件有部分為定制產(chǎn)品，如空壓機(jī)逆變器（20T）NBD-3 3 kW 380 V。

造成此故障現(xiàn)象的主要原因是空壓機(jī)汽缸后安裝的壓力開關(guān)在機(jī)車正常泵氣到0.7 MPa 時(shí)，壓力開關(guān)卸荷針未動(dòng)作，達(dá)到0.8 MPa 停機(jī)時(shí)，空壓機(jī)機(jī)頭風(fēng)管內(nèi)壓力無法排除，造成二次啟動(dòng)時(shí)屬于重負(fù)荷啟動(dòng)，逆變器的系統(tǒng)保護(hù)造成電機(jī)無法正常啟動(dòng)。壓力開關(guān)卸荷針無法動(dòng)作的主要原因是在安裝時(shí)壓力開關(guān)沒有調(diào)整好，因此達(dá)到壓力時(shí)沒有正常卸荷。出現(xiàn)此類故障且現(xiàn)場(chǎng)無法修理時(shí)，只能通過遠(yuǎn)程放氣，將系統(tǒng)內(nèi)部的氣壓排到0.2 MPa 時(shí)，電機(jī)會(huì)再次啟動(dòng)。

2.2 空壓機(jī)電機(jī)、逆變器等主要備件燒損

空壓機(jī)電機(jī)、逆變器損壞的主要原因是備件質(zhì)量問題和使用不當(dāng)。

（1）備件質(zhì)量問題，無法達(dá)到使用周期。該系統(tǒng)逆變器是定制的非標(biāo)準(zhǔn)配件，備件制作過程中人員水平不同造成配件使用壽命不同。2019 年1 月，由于逆變器故障連續(xù)造成3 臺(tái)次電機(jī)車故障。將損壞逆變器返廠進(jìn)行修復(fù)，并且與廠家技術(shù)人員進(jìn)行聯(lián)系，反饋逆變器在修復(fù)過程中由于采購(gòu)不到標(biāo)準(zhǔn)的配件，臨時(shí)選用他配件造成使用無法達(dá)到周期。

（2）節(jié)能型電機(jī)同功率存在“小馬拉大車”現(xiàn)象。2020 年年初，20T-5#電機(jī)車連續(xù)損壞3 臺(tái)電機(jī)，在更換第二臺(tái)電機(jī)時(shí)對(duì)空壓機(jī)逆變器、空壓機(jī)負(fù)載進(jìn)行詳細(xì)檢查，都沒有發(fā)現(xiàn)問題，但電機(jī)在半個(gè)月內(nèi)連續(xù)燒損。電機(jī)車改造時(shí)的原廠電機(jī)使用6 年未出現(xiàn)過故障，后經(jīng)廠家聯(lián)系得知，由于節(jié)能要求，采購(gòu)的電機(jī)均為高效能電機(jī)，原廠電機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)能效電機(jī)。將損壞電機(jī)解體后發(fā)現(xiàn)電機(jī)繞組全部燒損，說明電機(jī)均為過電流燒損。

（3）電機(jī)頻繁啟動(dòng)造成逆變器過熱燒損。空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造時(shí)，遠(yuǎn)程制動(dòng)4～6 次可以將汽缸內(nèi)壓力由0.8 MPa 消耗到0.4 MPa，空壓機(jī)系統(tǒng)再次泵氣。實(shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)由于電機(jī)頻繁啟動(dòng)造成逆變器燒損現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)遠(yuǎn)程剎車時(shí)，電接點(diǎn)壓力表指針會(huì)從0.8 MPa 瞬間降至0.5 MPa，然后氣壓會(huì)逐漸回升至0.7MPa，當(dāng)再次剎車時(shí)氣壓會(huì)從0.7 MPa瞬間降至0.3 MPa，然后在逐漸回升置0.6 MPa。由于兩次剎車就可以使控制回路達(dá)到0.4 MPa 接通，也就是每天空壓機(jī)比正常多啟動(dòng)66%。根據(jù)圖3 空壓機(jī)風(fēng)路系統(tǒng)分析，由于總風(fēng)缸管路不通暢，當(dāng)自剎電磁閥動(dòng)作時(shí)管路內(nèi)的氣壓全部沖向剎車風(fēng)缸，造成電接點(diǎn)壓力表壓力瞬間下降，總風(fēng)缸壓力逐漸供到管路內(nèi)造成電接點(diǎn)壓力表壓力再逐步恢復(fù)。

2.3 電機(jī)車制動(dòng)達(dá)不到效果

電機(jī)車氣制動(dòng)是杏山鐵礦電機(jī)車遠(yuǎn)程運(yùn)行的主要制動(dòng)方式，由于遠(yuǎn)程制動(dòng)效果不明顯會(huì)造成電機(jī)車運(yùn)行安全隱患。主要表現(xiàn)是遠(yuǎn)程剎不住車，本地剎車正常。導(dǎo)致此類故障的原因主要有2 個(gè)：①自松閥線圈異常，造成自松閥長(zhǎng)期得電，自松閥線圈長(zhǎng)期得電后，電磁閥處于常開狀態(tài)，當(dāng)遠(yuǎn)程剎車自剎車閥給剎車汽缸供氣時(shí)，系統(tǒng)中壓力會(huì)隨著自松閥跑出，造成遠(yuǎn)程制動(dòng)效果差的現(xiàn)象；②機(jī)械漏風(fēng)現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在自松閥、手自動(dòng)閥門等管路接頭處有漏風(fēng)現(xiàn)象。另外，自松閥內(nèi)密封皮墊破損，造成閥本體漏氣，也會(huì)造成電機(jī)車遠(yuǎn)程制動(dòng)效果差的現(xiàn)象。

3 預(yù)防對(duì)策

對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，就是要通過設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的蛛絲馬跡，在故障未出現(xiàn)前，通過科學(xué)合理的維護(hù)，將故障消除在萌芽狀態(tài)。通過分析空壓機(jī)系統(tǒng)常見故障類型及原因，提出日常維護(hù)過程中預(yù)防系統(tǒng)故障的措施如下：

（1）按照《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，定期檢測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)車閘瓦磨損情況，發(fā)現(xiàn)閘閥磨損超過1/2 或閘瓦偏磨時(shí)及時(shí)停車進(jìn)行調(diào)整。

（2）每周對(duì)一臺(tái)電機(jī)車進(jìn)行保養(yǎng)，在保養(yǎng)過程中定期檢查空壓機(jī)系統(tǒng)電機(jī)、壓力開關(guān)、繼電器接線情況，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)及時(shí)緊固。

（3）在檢查電機(jī)車時(shí)對(duì)壓力開關(guān)進(jìn)行調(diào)整，將壓力開關(guān)卸荷閥壓力值調(diào)整到0.6～0.7 MPa 時(shí)卸荷閥泄壓，避免空壓機(jī)系統(tǒng)非首次啟動(dòng)時(shí)重負(fù)荷啟車。

（4）關(guān)于逆變器備件質(zhì)量問題，與逆變器廠家進(jìn)行溝通，提高逆變器內(nèi)部原件標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)電機(jī)車逆變器進(jìn)行改造，使用DLDQ-1000-05K5 型輔助變頻器進(jìn)行替換，2020 年年底在一臺(tái)電機(jī)車上安裝使用到目前沒有出現(xiàn)過逆變器故障，后期將推廣至其他電機(jī)車使用。

（5）通過使用摸索，合理選擇空壓機(jī)電機(jī)型號(hào)，對(duì)能效提高的電機(jī)合理選用，更換同型號(hào)3 kW 電機(jī)。

（6）每班對(duì)電機(jī)車空壓機(jī)系統(tǒng)風(fēng)缸進(jìn)行排氣處理，保證空壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)空氣干燥無水氣。

（7）每半年對(duì)總風(fēng)缸管路中的油水分離器進(jìn)行檢查更換，保證油水分離并且及時(shí)清理油污，保證總風(fēng)缸氣路通暢。

（8）每個(gè)月對(duì)電機(jī)車內(nèi)部電磁閥線圈進(jìn)行空載檢查實(shí)驗(yàn)，將線圈通電、斷電檢驗(yàn)線圈吸合情況，發(fā)現(xiàn)接線松動(dòng)及線圈通電后沒有吸合磁力的，及時(shí)處理接線或更換線圈。

（9）每個(gè)月對(duì)電機(jī)車電磁閥閥體拆除一次，檢查閥體內(nèi)密封墊情況及管路接頭情況，發(fā)現(xiàn)有漏氣點(diǎn)位及時(shí)更換密封墊。

（10）定期對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)部件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)處理，避免隱患變成故障，影響電機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

雖然空壓機(jī)系統(tǒng)故障雖多種多樣，但只要合理使用，加強(qiáng)日常管理維護(hù)，就能及時(shí)了解系統(tǒng)的使用狀況和存在的問題，做到心中有數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地排除隱患，保證電機(jī)車安全可靠運(yùn)行，防止事故的發(fā)生，確保礦山的安全生產(chǎn)。