楊 勇

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)煤礦，山西 大同 037000)

0 引言

井巷掘進(jìn)是礦井生產(chǎn)中極為重要的一環(huán)，掘進(jìn)機(jī)在井巷掘進(jìn)中應(yīng)用十分廣泛。一方面，掘進(jìn)機(jī)能夠按照設(shè)計(jì)快速完成規(guī)定尺寸的井巷斷面，相對(duì)傳統(tǒng)井巷開(kāi)鑿方式更加安全、可靠和高效[1]。但是，由于掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境較差，設(shè)備容易發(fā)生故障，而且很多操作人員也沒(méi)有深入了解掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理，導(dǎo)致操作過(guò)程易出現(xiàn)混亂和錯(cuò)誤，引發(fā)誤操作降低工作效率也易損壞設(shè)備[2]。因此，加強(qiáng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)故障維護(hù)和日常管理，維持掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行，對(duì)降低故障率能夠起到良好作用。

故障樹(shù)分析是一種常用的系統(tǒng)可靠性分析方法，能夠較好的對(duì)導(dǎo)致故障的各類因素進(jìn)行逐層分析，通過(guò)樹(shù)形結(jié)構(gòu)更方便快捷地判斷故障點(diǎn)，并進(jìn)行定性定量分析，因此，本文選擇故障樹(shù)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)故障分析。

1 煤礦掘進(jìn)機(jī)工作原理

掘進(jìn)機(jī)由工作機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。掘進(jìn)機(jī)根據(jù)開(kāi)鑿井巷結(jié)構(gòu)不同分為護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)和開(kāi)蔽式掘進(jìn)機(jī)，可根據(jù)不同工作需要進(jìn)行選擇。掘進(jìn)機(jī)通過(guò)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)完成向前推移，工作機(jī)構(gòu)對(duì)煤、巖層進(jìn)行巖體破碎和開(kāi)鑿最終按設(shè)計(jì)構(gòu)成需要的井巷，并通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)裝運(yùn)由裝載機(jī)完成破碎巖體的運(yùn)輸，保障井下開(kāi)采人員活動(dòng)和開(kāi)采的工作空間[3]。

相較以前的傳統(tǒng)地下井巷開(kāi)鑿方式，開(kāi)鑿過(guò)程能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高質(zhì)量的完成巷道開(kāi)拓，同時(shí)操作流程十分便捷，生產(chǎn)過(guò)程安全可靠，工作效率也較高。但是設(shè)備構(gòu)造也較為復(fù)雜，加之工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，設(shè)備內(nèi)部各機(jī)構(gòu)及零配件易損耗、損壞，維修難度也較大，及時(shí)對(duì)隱患進(jìn)行排查和維護(hù)十分必要。

2 煤礦掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析

2.1 液壓系統(tǒng)溫度過(guò)高

礦用掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣，液壓軸、液壓箱等處溫度超限為掘進(jìn)機(jī)液壓故障主要因素之一。掘進(jìn)機(jī)工作對(duì)象以伴有大量矸石的煤、巖層為主，例如掘進(jìn)過(guò)程中遇見(jiàn)矸石等堅(jiān)硬物體會(huì)增加掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)傳動(dòng)力矩，進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫度基本恒定，當(dāng)轉(zhuǎn)軸、箱體溫度超出溫度上限時(shí)，液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷過(guò)高、運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，系統(tǒng)中部分零件磨損及老化加速，液壓油受熱變質(zhì)潤(rùn)滑能力下降等多種隱患會(huì)出現(xiàn)，伴隨其他環(huán)境因素易導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)故障。液壓系統(tǒng)高溫的原因涉及到設(shè)備設(shè)計(jì)、加工以及操作方法、流程等方面[4]。去除設(shè)備自身缺陷，多數(shù)液壓系統(tǒng)高溫因素為人為操作不規(guī)范導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)流程發(fā)生錯(cuò)誤，為了確保液壓系統(tǒng)中液壓油循環(huán)冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，除提高作業(yè)人員素質(zhì)之外，應(yīng)對(duì)設(shè)備定期巡查，定期和不定期清理系統(tǒng)油路，確保設(shè)備清潔便于系統(tǒng)散熱[5]。

2.2 液壓油中含有雜質(zhì)

液壓系統(tǒng)是礦用掘進(jìn)機(jī)的主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)裝置，系統(tǒng)通過(guò)各緊密原件、零配件緊密結(jié)合，并通過(guò)控制液壓管路及各原件中控制閥開(kāi)啟狀態(tài)完成掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)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(huán)境中的灰塵及其他雜質(zhì)可以伴隨液壓油進(jìn)入液壓系統(tǒng)內(nèi)部，一方面會(huì)影響液壓油的純度和效率，另一方面會(huì)進(jìn)入零配件間和閥門(mén)間的間隙中，并且部分如金屬碎屑等的雜質(zhì)表面堅(jiān)硬并存在棱角，會(huì)造成閥門(mén)閥體及零配件表面劃傷，進(jìn)而影響控制閥和零件性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分零件故障。同時(shí)液壓油中雜質(zhì)積聚在油泵的油口過(guò)濾網(wǎng)，增加油泵阻力，嚴(yán)重時(shí)影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為確保液壓油品質(zhì)及系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)定期對(duì)液壓油及各配件處密封狀態(tài)進(jìn)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(tài)對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要，溢流閥損壞或壓力不穩(wěn)定會(huì)引起對(duì)應(yīng)換向閥故障，導(dǎo)致部分功能操作失靈。例如掘進(jìn)機(jī)行走裝置故障時(shí)，行走換向閥的溢流閥無(wú)壓力時(shí)，溢流閥故障或O型圈密封不嚴(yán)，應(yīng)及時(shí)更換故障零件；當(dāng)該溢流閥有壓力時(shí)，故障可能為其他零件引發(fā)的，根據(jù)管路方向逆向檢查，自馬達(dá)、星相轉(zhuǎn)向閥、減速器直至油泵逐一排查。

2.4 液壓系統(tǒng)故障樹(shù)建立

根據(jù)前面的分析，建立液壓系統(tǒng)故障樹(shù)模型，如圖1所示，各符號(hào)意義見(jiàn)表1。

圖1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)故障樹(shù)模型

符號(hào)含義符號(hào)含義T1掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)故障x(chóng)3操作不當(dāng)M1液壓系統(tǒng)溫度過(guò)高x4密封不嚴(yán)M2液壓油中含有雜質(zhì)x5零件磨損M3輔助元件的故障x(chóng)6溢流閥損壞x1設(shè)計(jì)缺陷x7O型圈密封不嚴(yán)x2負(fù)荷過(guò)大

3 電氣系統(tǒng)常見(jiàn)故障及分析

掘進(jìn)機(jī)中電氣系統(tǒng)隨電氣技術(shù)發(fā)展而不斷改進(jìn)，在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電氣部分采用集中控制和多級(jí)保護(hù)裝置，極大簡(jiǎn)化了掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)并提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。通常電氣系統(tǒng)通過(guò)可編程控制器PLC對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)械部分進(jìn)行控制，并對(duì)各個(gè)回路實(shí)現(xiàn)過(guò)載、過(guò)流及短路等狀況下的保護(hù)。因此電氣系統(tǒng)控制單元故障也是影響掘進(jìn)機(jī)正常工作的主要因素。

3.1 PLC輸出故障

PLC輸出無(wú)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常操控，雖然影響PLC輸出因素眾多，但PLC整體性能穩(wěn)定，多數(shù)情況下為綜合保護(hù)器控制按鈕故障。為判斷PLC輸出故障，應(yīng)檢查裝置狀態(tài)顯示，可通過(guò)短接輸入端進(jìn)一步判斷PLC是否損壞。

3.2 接觸器線圈和繼電器線圈不導(dǎo)通

接觸器線圈回路導(dǎo)通故障主要引發(fā)原因?yàn)椋航佑|線圈損毀、回路繼電器損毀、回路交流電源連接問(wèn)題。線圈不導(dǎo)通可通過(guò)萬(wàn)用表判別。繼電器線圈回路導(dǎo)通故障主要引發(fā)原因?yàn)椋豪^電器線圈損毀、回路直流電源連通問(wèn)題、PLC輸出問(wèn)題。

3.3 接觸器不能進(jìn)行可靠吸合

電氣系統(tǒng)接觸器位置通過(guò)電壓調(diào)節(jié)，高電壓下完成吸合動(dòng)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(guò)低兩類原因?qū)е拢壕C合保護(hù)器錯(cuò)誤動(dòng)作所導(dǎo)致的接觸器故障需要及時(shí)更換元件進(jìn)行修理；而低電壓方面，系統(tǒng)供電裝置輸出功率過(guò)高后，可能出現(xiàn)瞬間電壓下降、電流升高的現(xiàn)象，電壓無(wú)法維持接觸線圈吸合動(dòng)作，長(zhǎng)時(shí)間電壓值過(guò)低需要對(duì)供電電纜電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少線纜長(zhǎng)度或更換電阻率較小的線纜等方面降低輸出電壓過(guò)低。

3.4 電氣系統(tǒng)故障樹(shù)建立

根據(jù)前面的分析，建立電氣系統(tǒng)故障樹(shù)模型，如圖2所示，各符號(hào)意義見(jiàn)表2。

圖2 掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)故障樹(shù)模型

符號(hào)含義符號(hào)含義T2掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)故障x(chóng)11回路繼電器損毀M4PLC沒(méi)有輸出x12回路交流電源問(wèn)題M5接觸器線圈不導(dǎo)通x13繼電器線圈損毀M6繼電器線圈不導(dǎo)通x14回路直流電源問(wèn)題M7接觸器不能吸合x(chóng)15PLC輸出問(wèn)題x8控制按鈕故障x(chóng)16綜合保護(hù)器錯(cuò)誤動(dòng)作x9PLC故障x(chóng)17電壓值過(guò)低x10接觸線圈損毀

4 基于故障樹(shù)的掘進(jìn)機(jī)故障分析與維護(hù)

4.1 基于故障樹(shù)的故障分析

根據(jù)前面對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)故障的分析，建立掘進(jìn)機(jī)常見(jiàn)故障的故障樹(shù)模型，如圖3所示。

對(duì)圖3故障樹(shù)進(jìn)行布爾運(yùn)算，由于邏輯關(guān)系均為“或門(mén)”，所以計(jì)算結(jié)果如下

T=x1+x2+x3+x3…+x16+x17

(1)

圖3 掘進(jìn)機(jī)常見(jiàn)故障的故障樹(shù)模型

因此，系統(tǒng)最小割集有17個(gè)，且都是一階割集，只要有一個(gè)發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障，所以掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)可靠性較差，需要加強(qiáng)日常的維護(hù)和保養(yǎng)。

4.2 掘進(jìn)機(jī)的日常維護(hù)和保養(yǎng)

掘進(jìn)機(jī)日常維護(hù)：使用礦用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行煤巖層掘進(jìn)相對(duì)其他方法其工作效率高、工作安全穩(wěn)定、操作也更為簡(jiǎn)單。但掘進(jìn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜，為避免機(jī)械事故發(fā)生，需要加強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)日常檢查和維護(hù)。①掘進(jìn)機(jī)中齒輪頭處、齒座處、伸縮處、減速機(jī)部分等處對(duì)整個(gè)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)十分關(guān)鍵，例如掘進(jìn)機(jī)的載割頭處易出現(xiàn)螺絲松弛和齒輪損壞，所以對(duì)載割頭檢查十分必要，對(duì)截割頭齒輪、螺絲、齒座、伸縮處、減速機(jī)、油量情況、溫度情況都要進(jìn)行檢查，及時(shí)更換異常狀態(tài)的零件，確保載割頭正常工作；②確保掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)狀態(tài)，首先需要確定履帶松緊度，隨后對(duì)履帶的履帶板、齒輪、鏟裝板鏈接銷進(jìn)行檢查；③確保刮板輸送機(jī)鏈條松緊度適當(dāng)，鏈條過(guò)松易跑脫或無(wú)法提供足夠驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)針對(duì)鏈條的檢查，也應(yīng)觀察鏈輪和從動(dòng)輪狀態(tài)，及時(shí)調(diào)節(jié)鏈條松緊度，對(duì)問(wèn)題零件及時(shí)進(jìn)行替換；④避免過(guò)濾器、噴嘴有雜物堵塞，過(guò)濾器、噴嘴等處積聚過(guò)多雜物會(huì)影響液壓流速?gòu)亩绊懢蜻M(jìn)機(jī)工作狀態(tài)。

掘進(jìn)機(jī)使用過(guò)程中的維護(hù)：掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障修復(fù)較為繁瑣，因此盡量維持設(shè)備穩(wěn)定性十分重要。①掘進(jìn)機(jī)工作負(fù)荷大、承受力矩大，工作機(jī)構(gòu)中的齒輪損耗率較高，也易損壞，應(yīng)定期進(jìn)行檢查并及時(shí)更換損壞齒輪，并調(diào)試好截割頭;②各類零配件間配合間隙間的潤(rùn)滑狀態(tài)會(huì)影響整體設(shè)備的使用壽命，缺少潤(rùn)滑及間隙過(guò)小會(huì)加速零件磨損，進(jìn)而損壞裝置，應(yīng)確保潤(rùn)滑系統(tǒng)工作正常；③影響皮帶跑偏的因素有轉(zhuǎn)軸安裝偏心，刮板鏈過(guò)松或堅(jiān)固度較不佳等，使用過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)調(diào)整維護(hù)，避免皮帶跑偏。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了煤礦掘進(jìn)機(jī)常見(jiàn)的液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)故障，建立了由7個(gè)中間事件和17個(gè)底事件組成的故障樹(shù)模型。另外，制定了加強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)日常保養(yǎng)和維護(hù)的措施，對(duì)維持掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行、降低故障率能夠起到良好作用。