礦用架線機車空壓機系統故障分析及預防對策

白春鶴

（首鋼集團有限公司礦業公司杏山鐵礦，河北唐山 064400）

0 引言

電機車運輸系統是井下運輸的大動脈，承載著采區溜井下放的礦石運輸，電機車運輸安全更是井下安全生產的前提和基礎，是礦山的咽喉設備。

空壓機系統的主要功能是提供斬波調速電機車制動、集電弓遠程控制升降的動力，是直流電機車安全制動系統的關鍵部件，其工作可靠性直接關系著電機車運行的安全性能，影響著礦山的安全生產?？諌簷C系統一旦發生故障，輕則影響生產進度，重則導致惡性事故的發生。常見的空壓機系統故障主要表現為空壓機不啟動或空壓機停不下來。從空壓機系統的控制原理和附屬備件，結合典型案例，多角度分析產生故障的原因，提出相應的處理對策及預防措施。

1 空壓機系統工作原理

目前大多數新型地采有軌運輸使用的設備為變頻調速機車，例如：中鋁集團云南迪慶有色金屬有限公司使用的有軌運輸設備為65T 變頻電機車，變頻電機車遠程控制制動方式主要由兩部分組成，一個是利用電機的電制動，另一個是利用空壓機系統的機械制動。杏山鐵礦使用的是斬波調速機車，與變頻電機車相比，斬波調速機車遠程制動方式只能采取氣動控制的機械制動，因此空壓機系統的穩定與否至關重要。

1.1 系統組成

空壓機系統主要由空壓機逆變器、電機車空壓機、空壓機電機、空壓機風路系統、剎車汽缸、集電弓汽缸等部分組成（圖1）。

圖1 空壓機系統組成

如圖1 所示，杏山鐵礦斬波調速機車的供電電源是直流550 V，通過空壓機逆變器將直流550 V 電壓逆變成交流380 V 電壓，為空壓機電機提供電源，空壓機逆變器的啟停通過一對干點進行控制，電機車安裝兩個風缸進行儲氣，通過電磁閥對剎車汽缸以及集電弓汽缸進行控制，執行剎車、松剎車、升、降集電弓動作。

1.2 控制原理

如圖2 所示，空壓機系統控制回路采用的是24 V低壓控制，系統風路管路中安裝一塊電接點壓力表，通過電接點壓力表的高、低壓指針通斷，控制電氣回路兩個中間繼電器K1、K2 的通斷，再將K1 的常開點接入逆變器的控制點中，從而實現空壓機逆變器的自動控制功能。

圖2 空壓機控制原理

系統設置空壓機系統低壓0.4 MPa 啟動，到高壓0.8 MPa 停止。當系統壓力到達0.4 MPa 時電接點壓力表低壓指針接通，低壓繼電器K1 線圈接通，通過輔助點自鎖K1 吸合，同時串接在逆變器控制回路中的K1常開觸點接通，空壓機逆變器工作。當系統中壓力達到0.8 MPa 時，電接點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 常開觸點斷開，逆變器停止工作。

1.3 空壓機風路原理

該系統包括自動、手動兩套控制系統，其中手動控制系統就是電機車在本地使用過程中，在司機室內通過手動截門以及腳踏閥控制集電弓、剎車缸（圖3）。自動控制系統是電機車遠程操作過程中，司機在地表操作臺控制電磁閥實現對集電弓、剎車缸的控制功能。

圖3 空壓機風路系統

（1）遠程剎車控制。手動關閉手自動閥門，當遠程需要剎車時，遠程控制自剎閥線圈得電電磁閥動作（剎車電磁閥使用的是常閉電磁閥），總風缸中的壓力通過管路流向剎車缸，機車制動。當需要松剎車時，控制自松閥得電，將剎車缸中的氣排除達到松剎車的目的。

（2）本地剎車控制。手動打開手自動閥門，通過腳踩腳剎閥，使總風缸內的氣通過管路進入剎車缸，機車制動。當需要松剎車時，將腳踏閥松開，剎車缸內的氣排出、達到松剎車的目的。

（3）遠程升降弓子控制。遠程控制自降弓閥線圈得電，電磁閥打開，總風缸內的氣通過管路進入弓汽缸，集電弓降下，當需要升弓子時，遠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。與遠程控制方法類似，手動搬動手降弓截門，總風缸內的氣通過管路進入弓汽缸，集電弓降下，當需要升弓子時，手動搬動手升弓截門，弓汽缸中的氣通過管路排除，集電弓利用彈簧升起。

2 空壓機系統故障類型及故障原因

空壓機系統的大部分故障是不能按照規定完成泵風及制動任務，或者制動效果達不到規定要求。通常空壓機系統的故障主要分為電機無法有效啟停和制動失效兩大類。

2.1 電機非首次啟動時，無法按照設定值啟動

由于每班對電機車空壓機系統進行排氣，因此電機首次啟動時是空壓機系統內0 氣壓時啟動。電機非首次啟動是指正常轉車過程中空壓機系統內有壓力時啟動。按照設定要求空壓機低壓0.4 MPa 啟動，高壓0.8 MPa 停止，但是經常會出現在運行過程中總汽缸內壓力降到0.4 MPa，但空壓機電機無法正常啟動。造成此問題的主要因素有以下2 個。

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

（2）控制回路接通，電機無法正常轉動

故障現象：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轉動幾圈后停止，然后再次轉動幾圈再次停止。此故障比較典型，由于此套空壓機系統是杏山鐵礦按照杏山電機車本身情況自行改造的，使用的備件有部分為定制產品，如空壓機逆變器（20T）NBD-3 3 kW 380 V。

造成此故障現象的主要原因是空壓機汽缸后安裝的壓力開關在機車正常泵氣到0.7 MPa 時，壓力開關卸荷針未動作，達到0.8 MPa 停機時，空壓機機頭風管內壓力無法排除，造成二次啟動時屬于重負荷啟動，逆變器的系統保護造成電機無法正常啟動。壓力開關卸荷針無法動作的主要原因是在安裝時壓力開關沒有調整好，因此達到壓力時沒有正常卸荷。出現此類故障且現場無法修理時，只能通過遠程放氣，將系統內部的氣壓排到0.2 MPa 時，電機會再次啟動。

2.2 空壓機電機、逆變器等主要備件燒損

空壓機電機、逆變器損壞的主要原因是備件質量問題和使用不當。

（1）備件質量問題，無法達到使用周期。該系統逆變器是定制的非標準配件，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造成3 臺次電機車故障。將損壞逆變器返廠進行修復，并且與廠家技術人員進行聯系，反饋逆變器在修復過程中由于采購不到標準的配件，臨時選用他配件造成使用無法達到周期。

（2）節能型電機同功率存在“小馬拉大車”現象。2020 年年初，20T-5#電機車連續損壞3 臺電機，在更換第二臺電機時對空壓機逆變器、空壓機負載進行詳細檢查，都沒有發現問題，但電機在半個月內連續燒損。電機車改造時的原廠電機使用6 年未出現過故障，后經廠家聯系得知，由于節能要求，采購的電機均為高效能電機，原廠電機為標準能效電機。將損壞電機解體后發現電機繞組全部燒損，說明電機均為過電流燒損。

（3）電機頻繁啟動造成逆變器過熱燒損?？諌簷C系統設計改造時，遠程制動4～6 次可以將汽缸內壓力由0.8 MPa 消耗到0.4 MPa，空壓機系統再次泵氣。實際生產過程中會出現由于電機頻繁啟動造成逆變器燒損現象。通過現場觀察發現，當遠程剎車時，電接點壓力表指針會從0.8 MPa 瞬間降至0.5 MPa，然后氣壓會逐漸回升至0.7MPa，當再次剎車時氣壓會從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到0.4 MPa 接通，也就是每天空壓機比正常多啟動66%。根據圖3 空壓機風路系統分析，由于總風缸管路不通暢，當自剎電磁閥動作時管路內的氣壓全部沖向剎車風缸，造成電接點壓力表壓力瞬間下降，總風缸壓力逐漸供到管路內造成電接點壓力表壓力再逐步恢復。

2.3 電機車制動達不到效果

電機車氣制動是杏山鐵礦電機車遠程運行的主要制動方式，由于遠程制動效果不明顯會造成電機車運行安全隱患。主要表現是遠程剎不住車，本地剎車正常。導致此類故障的原因主要有2 個：①自松閥線圈異常，造成自松閥長期得電，自松閥線圈長期得電后，電磁閥處于常開狀態，當遠程剎車自剎車閥給剎車汽缸供氣時，系統中壓力會隨著自松閥跑出，造成遠程制動效果差的現象；②機械漏風現象，主要體現在自松閥、手自動閥門等管路接頭處有漏風現象。另外，自松閥內密封皮墊破損，造成閥本體漏氣，也會造成電機車遠程制動效果差的現象。

3 預防對策

對設備進行維護保養，就是要通過設備運行過程中出現的蛛絲馬跡，在故障未出現前，通過科學合理的維護，將故障消除在萌芽狀態。通過分析空壓機系統常見故障類型及原因，提出日常維護過程中預防系統故障的措施如下：

（1）按照《金屬非金屬礦山安全規程》，定期檢測制動系統執行機構，機車閘瓦磨損情況，發現閘閥磨損超過1/2 或閘瓦偏磨時及時停車進行調整。

（2）每周對一臺電機車進行保養，在保養過程中定期檢查空壓機系統電機、壓力開關、繼電器接線情況，發現松動及時緊固。

（3）在檢查電機車時對壓力開關進行調整，將壓力開關卸荷閥壓力值調整到0.6～0.7 MPa 時卸荷閥泄壓，避免空壓機系統非首次啟動時重負荷啟車。

（4）關于逆變器備件質量問題，與逆變器廠家進行溝通，提高逆變器內部原件標準化，對電機車逆變器進行改造，使用DLDQ-1000-05K5 型輔助變頻器進行替換，2020 年年底在一臺電機車上安裝使用到目前沒有出現過逆變器故障，后期將推廣至其他電機車使用。

（5）通過使用摸索，合理選擇空壓機電機型號，對能效提高的電機合理選用，更換同型號3 kW 電機。

（6）每班對電機車空壓機系統風缸進行排氣處理，保證空壓機系統內空氣干燥無水氣。

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

（8）每個月對電機車內部電磁閥線圈進行空載檢查實驗，將線圈通電、斷電檢驗線圈吸合情況，發現接線松動及線圈通電后沒有吸合磁力的，及時處理接線或更換線圈。

（9）每個月對電機車電磁閥閥體拆除一次，檢查閥體內密封墊情況及管路接頭情況，發現有漏氣點位及時更換密封墊。

（10）定期對制動系統的相關部件進行檢查，發現隱患及時處理，避免隱患變成故障，影響電機車穩定運行。

4 結束語

雖然空壓機系統故障雖多種多樣，但只要合理使用，加強日常管理維護，就能及時了解系統的使用狀況和存在的問題，做到心中有數，及時準確地排除隱患，保證電機車安全可靠運行，防止事故的發生，確保礦山的安全生產。