浅析采煤机故障及诊断方法

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摘要：采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，工作环境恶劣，如果出现故障将会导致整个采煤工作面的中断，造成巨大的经济损失。采煤机在长期使用过程中难免会出现液压系统和机械系统等故障，因此及早发现故障及时解决问题是现场工作人员的首要任务。文章对采煤机常见的机械故障和电气故障进行分析研究，并对其诊断方法、发展趋势进行阐述。

关键词：采煤机；故障；机械；液压系统；电气

中图分类号：TH17 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0120-05

1 概述

在煤炭企业生产中，采煤机是煤矿生产的主力设备，采煤机工作环境十分恶劣，在运转时受到来自煤、岩石等巨大的冲击载荷，还受到煤尘、水雾等其他方面的污染。尽管采煤机在设计之初已充分考虑了防止水分及其他污染物侵入油液，但在实际工作中，采煤机的油液经常遭受污染，导致采煤机的液压元件和机械零件过早磨损，达不到使用寿命的情况时有发生。

采煤机是煤矿生产的主力设备，是影响煤矿产能效益的主要因素，其可靠、稳定的运行是生产顺利进行的重要保证。而采煤机如因故障停机，则将造成整个煤矿生产系统的瘫痪。因此，需要建立一套完整的故障诊断系统来准确描述采煤机的运行状态，并对故障进行诊断和预报，以增大采煤机的开机率，提高其可靠性，保证工作面的高效高产。除了对采煤机进行实时监控，掌握运行情况，更需要对监控信号进行故障分析，及时判断是否存在安全隐患，以确保采煤机的无故障运行，尽量避免因采煤机故障停机带来的损失。

2 采煤机系统参数

2.1 采煤机机械部分概述

采煤机在煤矿生产中的作用是不可忽略的，采煤机的故障诊断尤其重要，掌握其诊断办法对生产任务十分重要，要掌握其故障诊断方法首先应了解其性能。现以河南永华能源嵩山煤矿的综采设备为例系统介绍MG132/320-WD型电牵引采煤机。

此MG132/320-WD型电牵引采煤机是鸡西煤矿机械有限公司自主开发研制的中等功率低采高的交流电牵引采煤机。主要用于厚度1.5～2.86米、煤层倾角小于35°、煤质中硬、顶板中等稳定、底板起伏不大、不过于松软的综合机械化采煤工作面，完成落煤与装煤作业。用于高档普采工作面时，采高范围为1.3～2.86米。可在周围空气中的甲烷、煤尘、硫化氢、二氧化碳等不超过《煤矿安全规程》中所规定的安全含量的矿井中使用。整体为多部电机横向布置，电控系统为机载式，采用计算机控制技术。

2.1.1 采煤机主要特点。主要指标：可用于高档普采工作面，又可用于综合机械化采煤工作面；满足产量450t/h的生产指标；传动部分的结构简单、可靠，拆装方便；具有与工作面输送机配套的合理及可靠性；调速系统采用机载“一拖二”交流变频调速型式；变频器采用ABB公司产品，元件合理集成；主控器采用日本松下FP系列PLC，监控器采用工业控制计算机，显示器采用5.7英寸真彩液晶显示屏，操作界面为全中文界面；在保护设置上，合理地减少停机保护，多采用报警方式；整机有故障自检和状态监控，并预留通讯接口，用于远程数据传输。

主要结构特点：整机积木式组合结构，多电机横向布置、多点驱动；机身通过一组丝杠（共5根φ36）形成钢性联接；摇臂壳体带有冷却水套，滚筒内喷雾水与壳体冷却水分开；牵引调速采用机载式交流变频调速、一拖二控制方式；牵引驱动采用摆线轮—销排型式；液压系统采用双联齿轮泵，所有需要操作或调节的元件均布置在油箱外部方便维修，并具有手动换向（应急）功能；电控系统采用工业控制计算机结合PLC组成上、下位机复合形式，可以方便地设定或屏蔽各种监测、检测及显示和保护项目；具有5.7英寸大屏幕集中显示机器的运行工况；控制方式为机身中段集中操作，机身两端操作站控制及无线电离机遥控；具备适应现代化矿井所需的各种检测和监测功能和远程传输接口。

自动控制系统主要功能：采煤机截割电机、牵引电机和泵站电机的超温保护及绕组温度检测（泵电机无温检）；采煤机左、右截割电机、牵引电机的功率监测和恒功率自动控制及过载保护；总进水压力检测，冷却水流量调节功能及压力保护；瓦斯检测和超量报警保护；供电电压检测；可扩充采煤机位置、滚筒位置检测以及机身倾角（水平、垂直角度）的检测功能；电控系统具有全中文显示，通过5.7英寸显示屏，提供操作步骤的提示，实现人机对话功能。系统分多个画面，主画面可实时显示电机的功率（电流）和温度、油温、油压、采煤机的牵引速度、运行位置等所有工况参数，同时还能以不同颜色显示各主要器件的工作状态，当主控系统或变频器发生故障时显示故障信息及故障代码；可记忆及显示最近28条故障记录；可实现远程通讯功能，即控制系统通过供电电缆的控制芯线将数据传至顺槽控制中心，再与地面站沟通信息。

2.1.2 牵引部。牵引部分为左、右牵引部，为完全对称结构。

牵引传动装置为左右通用结构，主要包括牵引电机和牵引传动系统。其主要工作原理是将电机输入的动力通过牵引传动系统传递给行走箱的驱动轮、行走轮。行走轮与运输机销轨相啮合，实现采煤机的牵引。

同时，为使采煤机能在较大的倾角条件下可靠工作，在牵引部一轴上设有液压制动器，能防止机器下滑，工作面倾角≤10°时，可以不安装液压制动器。

2.1.3 截割机构。截割机构主要完成截煤和装煤作业，其主要组成部分有截割电动机、摇臂减速箱、内外喷雾系统和割煤滚筒等。截割机构减速箱为整体弯摇臂形式，左、右截割机构减速箱完全互换，只有摇臂壳体分左右。

截割机构的传动系统共有三级直齿传动和一级行星减速，其中改变第二级减速齿轮传动副的齿数比，可使滚筒获得两种不同的转速。配套滚筒有三种：φ1.25米、ф1.4米、ф1.6米。

每部截割机构均由一台132kW交流电动机单独驱动，电机动力是通过扭矩轴输出到截割传动系统，扭矩轴不仅起到动力传递和离合器的作用，而且扭起到柔性启动和保护其他机械传动件及电动机的作用。断裂时从煤壁侧（或操作侧）抽出并更换扭矩轴。

2.1.4 行走部。行走部采用开放的壳体外面盖上大盖板结构，左右行走壳体和大盖板不能互换，其余均可互换。左右行走箱的端头安装左右操作站。行走箱内部传动由驱动轮、行走轮组件和导向滑靴组成。驱动轮及行走轮为摆线齿轮。行走轮和导向滑靴的拆卸更换，可将机身抬起，拆下芯轴实现。

2.1.5 液压系统。液压系统原理由调高泵站、液压管路系统、调高油缸和液压制动器等组成。该系统主要包括两部分：调高回路、控制和制动回路。

调高泵站：调高泵站布置在采煤机的电控部壳体的左端。由调高泵电机、调高泵、高压安全阀、低压安全阀、粗过滤器、精过滤器、电磁换向阀、压力表和油池组成。除调高泵电机和电磁换向阀外所有液压元件均可从操作侧抽出，维修方便。

电磁换向阀：其型号分别为XPC34GDEY-H6B-T的三位四通隔爆电磁换向阀和24GDEI1-H6B-T的二位四通隔爆电磁换向阀。它的工作原理是通过采煤机的电控系统发出电信号，使电磁铁带电，电磁力吸住衔铁推动阀芯移动，达到改变电磁阀进出口的目的。当电信号消失时，阀芯在弹簧力作用下恢复在中位位置。

调高油缸：主要由缸体、活塞杆、导向套、铜套等组成。缸体铰接在截割部上，另一端铰接在牵引部上。油缸缩回到极限位置时两铰接点的距离为1145mm，油缸的行程为487mm。

液压锁：液压锁安装在牵引部后面干腔内，液压锁通过软管与调高油缸相联，阀芯为插装式，它具有液压锁和安全阀两种功能，液压锁的阀芯在压力超过27MPa时安全阀开启，油液回油池。

粗滤器：粗滤器安装在电控部壳体的液压油池的前下面，采用网式滤芯，型号为WU-250×100F，过滤精度100μm，流量为250L/min，保证液压系统内部油质的清洁。在过滤器的尾部设有三个单向阀，当更换滤芯时，单向阀关闭，防止油池中油液外流。

精滤器：滤芯材料为玻璃纤维，流量为60L/min，过滤精度为25μm，最大压力为350bar，主要保证控制油源的油质清洁。主要特点是可在线安装，带旁通阀以保护滤芯。向阀外所有液压元件均可从操作侧抽出，维修方便。

制动器：主要由外壳、活塞、内外摩擦片等组成。在采煤机没给牵引时，活塞在弹簧力作用下，压紧内外摩擦片产生制动力矩，使采煤机制动。当发出牵引信号时，通过电气系统使二位四通电磁阀动做，由阀组来的低压力油进入液压制动器的外接油口，活塞在压力油作用下压紧弹簧组，使内外摩擦片脱离接触，制动器轴空转，采煤机正常牵引。

2.2 采煤机电气部分概述

KXJT1-132/320BP采煤机用隔爆兼本质安全型电控箱装载着MG132/320-WD型电牵引采煤机的电控系统。电控系统由主回路、主控系统、交流变频调速系统等组成。电控系统的额定工作电压为1.14kV。

主回路主要是由隔离开关、真空接触器、截割电机和泵电机等组成的高压回路。

主控系统由工控机、PLC主控器、操作站、遥控器元件组成。该系统在其他同类产品的基础上本着简单、可靠、便维修、便维护、便操作的原则进行设计制造。主控器部分选用日本松下可编程控制器，工控机选用5.7寸大屏幕彩显POD显示器，操作站部分通过串行通信方式把数据传给PLC主控器，操作简单，便于维护。变频调速系统由一台中压变频器和两台牵引电机组成，一台变频器拖两台牵引电机方式形成一拖二式驱动系统。

3 采煤机故障分析

3.1 机械系统故障

机械系统故障主要有：联接松动，引起载荷分布发生变化，使某些部件受载恶化，发生断裂或损伤；齿轮传动系统和联接处发生故障，如磨损、疲劳破坏或过载损坏等。这些故障往往都不同程度产生发热，引起温度升高。其他像安装、制造和使用等方面的原因都会引起机械系统出现故障或零部件缺陷导致发生故障等。

3.2 轴承故障

采煤机牵引行走链轮负荷大，载荷不均，其支承轴承很容易发生磨损或滚动体碎裂等。这种支承轴承的严重损坏可能会影响到链轮及与其相啮合的其他零件，进而导致其他零件的损伤。采煤机摇臂部位各传动轴承受力很大，由于摇臂频繁升降，状况较差，也极易发生轴承损伤故障。这些是采煤机在正常工作中经常发生的轴承故障。当然引起轴承故障的原因不仅仅是轴承过载，如系统发生污染，不良；轴承安装不正；载荷较大时与轴承相配合的轴、支承座发生变形等，均会导致轴承发生故障。还有设计、制造等方面的问题和轴

承本身的缺陷等，都对轴承的使用和寿命有影响。

3.3 电气系统故障

断路现象在井下经常出现，电路断路产生的原因主要有：设备长期震动导致的接插座松动，接点、触头氧化，线路及零部件内部断路；设备作业现

场干扰信号大，屏蔽效果差；零部件老化、损坏。

3.4 液压系统故障

采煤机液压系统是故障率最高的部分。采煤机牵引部液压系统，虽有自动调速、过载保护等装置，但仍免不了发生故障。其发生故障的原因、现象和故障部位及相互关系很复杂，不易被及时发现和准确诊断。在煤矿井下，工作环境很差，不宜将液压系统拆开检查，拆开易使系统污染。液压系统是最容易被污染而发生故障的，如液压泵出现故障常常是油中浸入了杂质，引起泵的磨损和泄漏，造成系统流量不足、压力降低、温度升高。液压马达与泵有相类似的情况。系统的控制阀类受污染会发生动作失灵、阀受到卡阻、移动不到位，引起系统压力、流量发生不正常的变化。还有液压系统的密封问题引起系统的泄漏和外界杂物的侵入，导致系统发生故障。

4 故障诊断方法

4.1 机械系统故障诊断方法

对采煤机来说，机械系统占到了绝大部分，机械系统故障的出现对采煤生产来说影响是比较大的。采煤机机械故障进行诊断的方法有多种，如振动诊断法、油液分析法、噪声诊断法、温度监测诊断法等。温度监测诊断法是使用最广泛的一种监测手段，它能正确、快速和灵敏地反映设备的工况状态。如系统中摩擦副零件一旦发生异常，磨损速率会大大增加，油样分析与磨损判定还需有一个过程，但温度却是最直接的反应。以定点在线温度监测诊断，可以准确定位，直观快速反映监测处状态。对于采煤机，选择温度检测作为在线监测比较实用。

4.2 轴承故障诊断方法

对于机械传动系统，以轴承温度和传动箱油温及油位作为在线连续监测，并记录温度的历史变化，以便分析其变化趋势。同时辅之以定期的油样分析，这样既可以及时发现故障，又能预测故障的状态和发展趋势。

4.3 电气系统故障诊断方法

对采煤机电气系统，可观察其故障指示及摇测电阻进行诊断，其诊断方法和一般电气系统诊断方法一样。

4.4 液压系统故障诊断方法

对于采煤机液压系统，可检测系统各部分的温度、压力和流量。按液压系统各部分的功能，元件的位置分布设置温度和压力的在线监测点，这样可建立诊断故障的温度监测场和压力监测场。有了这样两个监测场，可以根据温度、压力的场分布查寻故障，快速、准确地诊断确定液压系统的故障源，判定故障原因。同时采用油样分析来定期检查系统污染情况，以便在还未引起严重故障前，便能采取措施清除污染，保证系统安全、正常地工作。

5 故障诊断方法的发展趋势及注意事项

5.1 故障诊断方法的发展趋势

人工神经网络和专家系统相结合的智能故障诊断方法将是以后研究与应用的热点，这种智能诊断的方法能最大限度地发挥两者的优势。神经网络擅长数值计算，适合进行浅层次的经验推理；专家系统的特点是符号推理，适合进行深层次的逻辑推理。神经网络和专家系统用于故障诊断的结合方式有多种形式，大致可分为以下3种集成方式：

5.1.1 专家系统为诊断系统的中心，神经网络提供辅助支持。专家系统实现诊断系统的主要功能，如知识获取、知识表示、推理判断等；而神经网络可用于合理剔除、修改规则，对知识库进行维护等辅助功能。

5.1.2 神经网络为诊断系统的中心，由专家系统提供辅助支持。专家系统的辅助功能主要体现在两方面：一是为神经网络提供所需的预处理，二是为神经网络提供专家解释。

5.1.3 并列协调式。神经网络、专家系统作为独立的模块，分别执行诊断系统的某些功能，再经过组合得到诊断结果。同时，由于神经网络具有自学习的功能，在诊断过程中，神经网络能不断归纳出新的诊断规则，充实专家系统知识库的内容。神经网络专家系统是一类新的知识表达体系，与传统专家系统的高层逻辑模型不同，它是一种低层数值模型，信息处理是通过大量的简单处理单元（节点）之间的相互作用而进行的，由于它的分布式信息保持方式，为专家系统知识的获取与表达以及推理提供了全新的方式。它将逻辑推理与数值运算相结合，利用神经网络的学习功能、联想记忆功能、分布式并行信息处理功能，来解决诊断系统中的不确定性知识的表示、获取和并行推理等问题。通过对经验样本的学习，将专家知识以权值和阈值的形式存储在网络中，并且利用网络的信息保持性来完成不精确诊断推理，能较好模拟专家凭经验、直觉而不是复杂的计算推理过程。这种神经网络专家系统不仅适用于复杂的采煤机的故障诊断，而且也能广泛适用于其他复杂系统的故障诊断。

5.2 故障诊断方法的诊断注意事项

5.2.1 检修时必须彻底停掉整机电源。在切断输入电源之后，应至少等待5分钟，待变频器中间电路电容放电完毕后再进行操作，否则电容器组贮存的残余高压会引发触电事故。

5.2.2 为方便维护，变频器的所有动力线均布在前侧，但由此带来触电危险，因此，即使在地面试车时，也禁止开盖送电。

5.2.3 隔离开关只起隔离作用，不能带负荷操作（通、断）。

5.2.4 正常情况下不要靠按“急停”键来执行停牵引操作，应使用操作站或遥控器的“停牵引”键，或控制盘的“启/停”键。因为变频器的直流电容器组的最大允许充电次数是每10分钟内

5次。

5.2.5 检修时必须彻底停掉整机电源。在切断输入电源之后，应至少等待5分钟，待变频器中间电路电容放电完毕后再进行操作，否则电容器组贮存的残余高压会引发触电事故。

6 结语

采煤机是煤矿生产中非常关键的设备，是一个集机械、电子电气、液压传动系统于一体的复杂系统。因工作环境复杂恶劣，载荷变化很大，一些关键部位在正常工作中很容易发生过载，出现异常，在轻度损伤情况下，工作人员不易发现，等故障发展到严重不能工作时才有觉察，造成很大的人力、财力浪费，因此，通过本文的论述，对采煤机故障做到提前诊断是对生产十分有利的。

参考文献

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作者简介：张建伟（1975-），男，山东东明人，河南煤化集团永华能源嵩山煤矿机电工程师，注册安全工程师，研究方向：机电技术。