煤礦空壓機(jī)常見故障與風(fēng)險評價

蘭 奇

（同煤集團(tuán)四臺礦，山西 大同 037000）

0 引言

螺桿式空壓機(jī)是礦井生產(chǎn)過程中主要的壓縮空氣產(chǎn)生設(shè)備，為裝巖機(jī)、鑿巖機(jī)等氣動設(shè)備和壓風(fēng)系統(tǒng)提供壓縮空氣［1-3］。空壓機(jī)具有安全、高效、節(jié)能、低碳、多功能、可自動化操作等優(yōu)點(diǎn)，所以保證礦井內(nèi)部空壓設(shè)備正常工作對煤礦生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4-6］。礦井中空壓機(jī)設(shè)備具有諸多優(yōu)勢，并且對礦井生產(chǎn)必不可少，但是由于礦井中惡劣的作業(yè)環(huán)境，難免會出現(xiàn)各類因素導(dǎo)致螺桿式空壓機(jī)無法正常工作。因此，快速查找并處置空壓機(jī)故障因素，為現(xiàn)場提供理論指導(dǎo)是有必要的。

1 螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行機(jī)理與特點(diǎn)

1.1 螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行機(jī)理

空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)其功能的機(jī)理是通過不同的吸氣、壓縮和排氣連續(xù)運(yùn)作產(chǎn)生壓縮空氣用于生產(chǎn)［7-9］。而螺桿式空壓機(jī)相對其他類別的空壓機(jī)，其特點(diǎn)是通過相互咬合的主副轉(zhuǎn)子間的動力傳動來驅(qū)動，電機(jī)傳化的動能由主轉(zhuǎn)子傳遞給副轉(zhuǎn)子，該機(jī)器由于旋轉(zhuǎn)的體積變化而產(chǎn)生壓縮空氣。螺桿式空壓機(jī)運(yùn)作的大致過程是：空氣通過空壓機(jī)進(jìn)氣口后的空氣過濾器去除雜質(zhì)后，進(jìn)入壓縮機(jī)主機(jī)，并與冷卻潤滑油混合后進(jìn)行壓縮，被壓縮的混合物進(jìn)行油氣分離，冷卻潤滑油返回機(jī)頭重新進(jìn)入循環(huán)，而分離出的壓縮氣體由壓縮空氣排氣口供給其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。螺桿式空壓機(jī)由空氣濾芯、螺桿機(jī)頭、油缸、油氣分離器、油過濾器、空氣冷卻器、油冷卻器以及各類不同類別的控制閥門構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 螺桿式空壓機(jī)基本構(gòu)成示意圖

1.2 螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

低噪、穩(wěn)定：螺桿式空壓機(jī)相較于活塞式和離心式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計更加緊湊，在低質(zhì)量和小體積的同時能夠?qū)⒖刂崎_關(guān)、壓縮機(jī)、電機(jī)以及各類儀表配件等集成一體，同時由于螺桿原理，保證運(yùn)轉(zhuǎn)過程中動力平衡無劇烈振動，并且具有隔音設(shè)計，實(shí)現(xiàn)低噪運(yùn)行。

節(jié)能、高效、維護(hù)費(fèi)用低：螺桿式空壓機(jī)的強(qiáng)制輸氣功能，能夠?qū)崿F(xiàn)變轉(zhuǎn)速、變排氣壓力下內(nèi)壓和排氣量恒定，例如：排氣量與排氣壓力呈線性變化，通常1 MPa排氣壓力相對于排氣量調(diào)整量為0.01 m3/min。相比其他類型空壓機(jī)，螺桿式空壓機(jī)易損元件較少，通常只有3個。

安全可靠、自動化：主電機(jī)、風(fēng)扇電機(jī)、異常高溫等都具有安全保護(hù)裝置，能實(shí)現(xiàn)故障自動停車，同時不同類型的螺桿空壓機(jī)都有恒溫調(diào)節(jié)設(shè)置。設(shè)備整體控制通過PLC實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、狀態(tài)提醒、異常報警等功能。

2 空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響因素與常見故障

2.1 影響因素

螺桿式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即氣回路、油回路、水回路及控制回路展開后，將最終能夠影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的各類因素進(jìn)行總結(jié)［10-12］。

進(jìn)氣溫度：空壓機(jī)進(jìn)入空氣壓縮過程，受到環(huán)境溫度影響會很大，隨溫度升高而減少排氣量，通常在3℃會導(dǎo)致設(shè)備功能損耗約為1%，夏季嚴(yán)重時會受溫度影響而頻繁停車或報警。

機(jī)頭效率：空壓機(jī)機(jī)頭是螺桿式空壓機(jī)主要部件之一，是設(shè)備直接進(jìn)行空氣壓縮的部件，除去設(shè)備本身安裝時的間隙問題，大部分情況機(jī)頭主、副轉(zhuǎn)子間可能會產(chǎn)生相互磨損，導(dǎo)致間隙過大，從而引起進(jìn)行空氣體積變化的效率降低。而效率降低會進(jìn)一步造成排氣的壓力和溫度升高。

空壓機(jī)溫度：空壓機(jī)本身各部分溫度應(yīng)維持在一個恒定狀態(tài)才能保證設(shè)備的正常效能，而設(shè)備溫度易發(fā)生異常的部分主要有4類，即機(jī)油、軸承、電機(jī)、排氣溫度。而溫度異常一般會影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，即使不會直接造成故障停車，也會加大設(shè)備損耗，減少設(shè)備本身及其配件的壽命。

冷卻器狀態(tài)：螺桿式空壓機(jī)的冷卻分為水冷型和風(fēng)冷型，風(fēng)冷型螺桿式空壓機(jī)冷卻受到環(huán)境溫度影響很大，而水冷型會受到冷卻水溫度的影響，溫度傳導(dǎo)介質(zhì)過高，冷卻效果也不會理想，設(shè)備高溫會加大部件的磨損、變形，導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)等問題。

潤滑油狀態(tài)：潤滑油是螺桿式空壓機(jī)的主要工作介質(zhì)，會直接影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，潤滑油油質(zhì)變化、有雜質(zhì)、油位過高或過低都對設(shè)備運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。而配套的過濾器、各類回路控制閥一旦出現(xiàn)故障也應(yīng)及時更換。

2.2 常見故障

螺桿式空壓機(jī)受上述各類因素的影響，可能導(dǎo)致的主要故障類型有設(shè)備突然停車、機(jī)頭異常抱死、冷卻水缺水、排氣溫度異常跳車、設(shè)備啟動電流過大跳車、電機(jī)過載停車、氣路、油路壓力異常、電源控制器故障、進(jìn)氣閥無法正常進(jìn)氣等。

3 失效故障樹模型與分析

根據(jù)各類因素對螺桿式空壓機(jī)的影響，以及螺桿式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，將影響螺桿式空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的因素分為4類：內(nèi)壓過高、內(nèi)壓過低、油位下降、液壓油異常高溫。并將4類因素的基本事件再次展開為傳感器失效、油氣分離器芯堵塞、最小壓力止回閥無法開啟等17個基本影響因素，見表1。由此將導(dǎo)致螺桿式空壓機(jī)故障的因素構(gòu)成一個3層故障樹分析模型，如圖2所示。

表1 空壓機(jī)常見故障的故障樹模型符號說明

圖2 空壓機(jī)常見故障的故障樹模型

螺桿式空壓機(jī)故障失效模型中，各類因素之間都為邏輯或門，通過最小割集法對模型中的各類基礎(chǔ)事件進(jìn)行計算。

故障樹中x1、x2、x3、x4、…、x17等17個基礎(chǔ)事件互為最小割集，即當(dāng)各類因素或故障發(fā)生會導(dǎo)致螺桿式空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率降低或故障停機(jī)。

4 螺桿式空壓機(jī)的風(fēng)險性評價

故障模式和影響分析法（Failure Mode and Effects Analysis，以下簡寫為FMEA）是一種可以根據(jù)故障因素、危害性、發(fā)生概率、發(fā)現(xiàn)概率等指標(biāo)對系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險性分析的方法。

利用FMEA進(jìn)行風(fēng)險性分析時，需要對故障因素的危害性、發(fā)生概率、發(fā)現(xiàn)概率等指標(biāo)進(jìn)行量化。其中，危害性量化標(biāo)準(zhǔn)為1～5，危害度越來越高；發(fā)生概率量化標(biāo)準(zhǔn)為0～1，數(shù)值越高代表越有可能發(fā)生；發(fā)現(xiàn)概率量化標(biāo)準(zhǔn)為0～1，數(shù)值越高代表越有可能被發(fā)現(xiàn)。最終的風(fēng)險性是計算危害度、發(fā)生概率和發(fā)現(xiàn)概率的乘積大小。

根據(jù)上述故障因素分析，進(jìn)行FMEA評價，結(jié)果見表2。

表2 空壓機(jī)的FMEA分析結(jié)果

對表2中空壓機(jī)的FMEA評價結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，各類閥體的發(fā)生概率和危害度較大，導(dǎo)致風(fēng)險性較高；因此，空氣濾芯、油氣分離器以及各類控制閥應(yīng)定期檢查，對達(dá)到使用上限和損壞部件及時進(jìn)行替換。液壓油溫度異常的風(fēng)險性較大，而且其發(fā)生概率也較大；這是由于受各種因素影響，礦井溫度較高，因此對環(huán)境溫度的控制十分必要。此外，冷卻水溫過高風(fēng)險性較大，應(yīng)對冷卻水的溫度和水質(zhì)進(jìn)行管控，避免高溫和雜質(zhì)堵塞。

5 結(jié)語

螺桿式空壓機(jī)對礦井日益增加的設(shè)備需求是必不可少的輔助設(shè)備之一，通過對螺桿式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和易導(dǎo)致故障的因素進(jìn)行分析，采用故障樹分析法將各類因素建立為故障樹模型。根據(jù)故障樹分析的結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行了基于FMEA的風(fēng)險性評價，并提出了一些針對性措施。