張 剛

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來，煤礦井下坑道鉆機(jī)控制系統(tǒng)已逐步由傳統(tǒng)的全液壓向電液雙控控制過渡發(fā)展，而由于煤礦井下鉆機(jī)使用工況惡劣，存在粉塵、濕熱及長時間高壓運(yùn)行等不利因素影響，其液壓及電氣元件故障率與地面電液鉆機(jī)相比要高很多[1-3]。由于鉆機(jī)電液控制系統(tǒng)液壓元件及電氣元件多，油液及元件都處于密封的殼體和管道內(nèi)，不能從外部直接觀察，無法準(zhǔn)確、及時地診斷出故障發(fā)生的位置及原因，往往僅憑施工人員經(jīng)驗，在井下惡劣環(huán)境下采用排查操作法找到故障點再進(jìn)行維修，效率低，勞動強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響鉆機(jī)的綜合施工效率，因此如何監(jiān)控坑道鉆機(jī)電液控制系統(tǒng)的故障位置及類型，及時維修處理，是提高煤礦井下電液雙控鉆機(jī)的綜合效率的關(guān)鍵[4-6]。

1 鉆機(jī)電液控制系統(tǒng)概述

鉆機(jī)電液控制系統(tǒng)主要由液控系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，其主要元件包括油泵、電磁比例控制閥、電磁換向閥、邏輯控制集成閥塊、本安傳感器、電控柜、遙控器、馬達(dá)、油缸、油管接頭及通信線纜等，當(dāng)其中1個元件出現(xiàn)故障，便會出現(xiàn)鉆機(jī)執(zhí)行器端或操作端無動作、誤動作或動作緩慢無力等無法正常施工的狀況，而其中僅油管接頭破損漏油故障顯而易見，其余故障無法判斷是液控系統(tǒng)元件故障，還是電控系統(tǒng)元件故障或通信故障，如能監(jiān)控到具體故障元件點，對其直接更換或維修保證鉆機(jī)正常運(yùn)行，將顯著提高鉆機(jī)的智能化水平，保證施工連續(xù)性[7-10]。

2 液控系統(tǒng)故障特征和故障診斷

液控系統(tǒng)為鉆機(jī)提供動力，包括流量和壓力，其油液在各元件組成的回路中，是1個單向流動循環(huán)的過程，當(dāng)組成其回路的某個元件出現(xiàn)故障時，則會引起自身及循環(huán)油路下油的元件壓力或流量的顯著變化，利用這一變化特征，可在關(guān)鍵液壓元件進(jìn)出口，增設(shè)本安型壓力及流量傳感器，適時監(jiān)控各元件進(jìn)出口壓力與流量值，將其轉(zhuǎn)化為模擬量傳送給控制柜，在程序中對其進(jìn)出口絕對差值與程序設(shè)定預(yù)警值進(jìn)行比對，當(dāng)絕對差值小于程序設(shè)定值時，鉆機(jī)正常工作，當(dāng)絕對差值大于程序設(shè)定值時，程序報警并在遙控器或控制柜顯示器上指示檢查維修該元件。

目前坑道鉆機(jī)液控系統(tǒng)大多采用恒功率負(fù)載敏感控制系統(tǒng)，即恒功率負(fù)載敏感油泵匹配負(fù)載敏感換向閥，加之邏輯控制集成閥組的液控系統(tǒng)，特點是提供系統(tǒng)需求的流量，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能且發(fā)熱量小的目的。恒功率負(fù)載敏感油泵有4個參數(shù)點，分別為:初始壓力點、切斷壓力點、恒功率點及最大流量點，當(dāng)其中1個參數(shù)與設(shè)定值不符，都會引起油泵的異常工作，從而影響鉆進(jìn)壓力及轉(zhuǎn)速，實時監(jiān)控比對泵初始設(shè)置參數(shù)，可知油泵具體故障類型。負(fù)載敏感換向閥一般控制鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器正反轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)后退、履帶行走等動作，特點是隨著閥芯不同的開度，向泵閥出需求流量信號，從而供給相應(yīng)的流量，其也包括4個參數(shù)監(jiān)控點，分別為:總輸入壓力、總輸入流量、單聯(lián)輸出流量、單聯(lián)輸出壓力，實時監(jiān)控比對進(jìn)出口絕對差值，可知負(fù)載敏感閥故障點。邏輯控制集成閥組控制鉆機(jī)起下鉆及夾轉(zhuǎn)聯(lián)動等聯(lián)動動作，主要控制夾持器與卡盤的聯(lián)動，特點是流量小，壓力大，其參數(shù)監(jiān)控點可分單聯(lián)進(jìn)口壓力與單聯(lián)出口壓力，實時監(jiān)控比對進(jìn)出口絕對差值，可知集成閥組故障點。出于減少測量點的目的，對鉆機(jī)執(zhí)行端控制元件馬達(dá)、油缸等可依據(jù)油泵、換向閥以及集成閥組的監(jiān)控結(jié)果，采用邏輯排除法判斷其是否故障。液控系統(tǒng)故障監(jiān)控邏輯模型如圖1。

圖1 液控系統(tǒng)故障監(jiān)控邏輯模型Fig.1 Fault monitoring logic model of hydraulic control system

對鉆機(jī)恒功率負(fù)載敏感控制故障監(jiān)控系統(tǒng)搭建邏輯模型，分別在油泵出口及換向閥出口管路上，增設(shè)本安壓力傳感器及流量傳感器，實時監(jiān)控泵閥進(jìn)出口壓力流量變化，將數(shù)據(jù)傳輸會控制器進(jìn)行數(shù)值比對判斷。當(dāng)負(fù)載敏感泵開始待機(jī)工作，其待機(jī)壓力p1應(yīng)至少大于油泵最小開啟壓力，否則泵未正常啟動；當(dāng)負(fù)載敏感泵正常工作，其工作壓力p1應(yīng)始終在油泵最大限壓范圍內(nèi)工作，超壓時存在安全隱患，需重新設(shè)定油泵限壓后繼續(xù)工作；當(dāng)工作壓力p1未達(dá)到油泵功率變量點，油泵提前變量，輸出流量減小，不能滿足鉆機(jī)轉(zhuǎn)速需求，需重新設(shè)定油泵功率變量點后繼續(xù)工作；當(dāng)回轉(zhuǎn)手柄推至最大為，油泵最大排量輸出，測量輸出流量Q1需達(dá)到油泵最大排量標(biāo)準(zhǔn)，鉆機(jī)最高轉(zhuǎn)速需求，需重新設(shè)定油泵排量繼續(xù)工作。對于負(fù)載敏感閥，油泵的出口壓力p1與流量Q1即為閥的進(jìn)口壓力與流量，僅需在其各單聯(lián)動作出口增設(shè)本安壓力傳感器及流量傳感器，測量其給回轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)及行各單聯(lián)動作的壓降及流量損失，當(dāng)大于電磁閥自身設(shè)定壓力差值△p與流量差值△Q，提示存在壓力卸荷或流量損失等故障，需檢查維修閥體相應(yīng)控制聯(lián)。對于系統(tǒng)的邏輯控制集成閥組，僅需在去夾持器與去卡盤的工作油路上增設(shè)本安壓力傳感器，監(jiān)控實時壓力，便可判斷邏輯控制集成閥組是否正常工作。

3 電控系統(tǒng)故障特征和故障診斷

鉆機(jī)電控系統(tǒng)硬件包括遙控器、接收器、控制柜、各類電磁閥及傳感器等元件，遙控器發(fā)出通信信號給接收器，接收器動作指令傳遞給控制柜，控制柜向各電閥元件發(fā)出指令，產(chǎn)生指令動作，動作過程中傳感器將采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)反向傳回控制器，在控制器內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算判斷，顯示監(jiān)控結(jié)果在遙控器界面，將傳統(tǒng)手動操作且依靠觀察幾個壓力表獲取鉆機(jī)狀態(tài)的方式，變?yōu)檫h(yuǎn)距離遙控且實時監(jiān)控顯示鉆機(jī)的工況。電控系統(tǒng)的通信是通過電信號，當(dāng)出現(xiàn)故障時必然會反饋不同的電信號，利用反饋的不同電信號便可判斷是否電控元件是否正常工作。

鉆機(jī)電控系統(tǒng)中，需加強(qiáng)線路故障監(jiān)控，可以在程序中設(shè)定，周期性的對每一條通信回路發(fā)送通信檢測指令，依據(jù)檢測指令的發(fā)出與接受情況自行判斷是否通信正常，無故障則正常運(yùn)行，故障則發(fā)送故障信息顯示于遙控器顯示界面，提示維修。針對電磁閥，程序設(shè)計應(yīng)具備檢測回路，檢測電控元件指令執(zhí)行與否，檢測內(nèi)容包括短路、開路及漏電等故障，并及時發(fā)送故障信息提示檢修。針對傳感器，其用于傳遞鉆機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)，應(yīng)實時監(jiān)控并統(tǒng)計其監(jiān)控數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的變化幅度，得出其精度、損壞等情況。電控系統(tǒng)故障監(jiān)控邏輯模型如圖2。

圖2 電控系統(tǒng)故障監(jiān)控邏輯模型Fig.2 Logic model of fault monitoring of electronic control system

電控系統(tǒng)故障監(jiān)控搭建邏輯模型中，由控制柜向負(fù)載電磁閥各類傳感器、遙控器以及接收器等發(fā)出周期性檢測信號，確認(rèn)通信線路是否正常通信，如果通信中斷將提示具體那一路回路通信故障；同時由遙控器發(fā)出的控制信號，控制電磁閥的動作，也可將電磁閥的故障信息傳回給控制柜；各類傳感器的故障，可以通過控制柜記錄統(tǒng)計的傳感器監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計對比，當(dāng)傳感器出現(xiàn)大幅度測量值變化時，傳感器就可能存在故障，這時就需要維修更換。

4結(jié)語

針對遙控鉆機(jī)復(fù)雜的電液控制系統(tǒng)故障難以快速排查的難題，提出建立其電液控制系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用對關(guān)鍵液壓元件進(jìn)出口壓力與流量實時監(jiān)控的方法，對電控元件通信、控制及精度周期性監(jiān)控的方法，并對監(jiān)控值與設(shè)定值在控制器內(nèi)判斷比對，監(jiān)測監(jiān)控元件的故障狀態(tài)，無需人為排查故障位置，提高遙控鉆機(jī)的綜合施工效率。