煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)的研究

閔祥晟，趙慧杰，朱曉寧

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦, 山東 濟(jì)寧272100；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城273500）

0 引 言

礦井主通風(fēng)機(jī)承擔(dān)著煤礦井下空氣循環(huán)、溫度調(diào)節(jié)、稀釋有害氣體、改善作業(yè)環(huán)境等諸多功能，其可靠性水平直接影響煤礦生產(chǎn)工作的安全進(jìn)行。同時(shí)，礦井主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行功率大、控制要求嚴(yán)格，因此有必要系統(tǒng)地開展針對礦井主通風(fēng)機(jī)的可靠性維護(hù)工作，編制科學(xué)的維保策略，指導(dǎo)設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)和檢修工作，提前排除安全隱患和設(shè)備故障，確保礦井主通風(fēng)機(jī)可靠、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

本文詳細(xì)介紹了興隆莊煤礦主通風(fēng)機(jī)的可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)的建立，針對現(xiàn)場主通風(fēng)機(jī)的設(shè)備特性和實(shí)際工況環(huán)境，制定了可靠性維護(hù)策略和可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，并以此為基本框架建立礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，充分考慮管理和技術(shù)人員素質(zhì)、主通風(fēng)機(jī)設(shè)備質(zhì)量本身、通風(fēng)現(xiàn)場實(shí)際工況環(huán)境對礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性水平的影響。該套礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)以智能監(jiān)控系統(tǒng)為核心，引入專家級故障診斷系統(tǒng)和故障智能處理系統(tǒng)。通過開發(fā)上述系統(tǒng)，有效維護(hù)和保障了礦井通風(fēng)可靠性，提升通風(fēng)系統(tǒng)的自動化和智能化水平。

1 主通風(fēng)機(jī)可靠性影響因素

總結(jié)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，管理和技術(shù)人員素質(zhì)、主通風(fēng)機(jī)設(shè)備質(zhì)量本身、通風(fēng)現(xiàn)場實(shí)際工況環(huán)境是影響礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性水平主要因素。上述3 項(xiàng)主要因素相互作用，其中任意一方面的因素都可以制約其它因素發(fā)揮作用，也可以推動其它因素最大限度地發(fā)揮自身作用。可靠性維護(hù)工作的目的是有效融合上述因素，激發(fā)各自的積極作用，充分發(fā)揮設(shè)備管理人員、技術(shù)操作人員、維護(hù)保養(yǎng)人員的主觀能動性，選擇適宜現(xiàn)場工況環(huán)境的主通風(fēng)機(jī)，制定和執(zhí)行切實(shí)有效的設(shè)備管理制度和使用維護(hù)制度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除潛在故障源，最大限度地發(fā)揮主通風(fēng)機(jī)的功能，使主通風(fēng)機(jī)能夠在煤礦惡劣的通風(fēng)工況環(huán)境下長期連續(xù)可靠運(yùn)行，確保礦井通風(fēng)工作的可靠性[1]。礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性影響因素的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 可靠性影響因素結(jié)構(gòu)框圖

2 主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)內(nèi)容

煤礦主通風(fēng)機(jī)是整個(gè)井下通風(fēng)系統(tǒng)的動力源，《煤礦安全規(guī)程》對其可靠性和故障維修時(shí)間要求非常嚴(yán)格。為了確保煤礦主通風(fēng)機(jī)性能可靠、故障率低，也為了發(fā)生故障時(shí)能夠迅速捕捉故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行，需要從技術(shù)層面和管理層面制定和開展綜合性的可靠性維護(hù)工作。技術(shù)層面的可靠性維護(hù)工作包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障發(fā)生后的故障及時(shí)檢測、故障的及時(shí)維修和排除、日常設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等貫穿于設(shè)備使用周期內(nèi)的實(shí)質(zhì)性技術(shù)類工作。管理層面的可靠性維護(hù)工作主要是圍繞技術(shù)類工作制定科學(xué)的、切實(shí)可行的管理準(zhǔn)則和執(zhí)行策略，指導(dǎo)和規(guī)范技術(shù)類工作的順利開展，具體包括煤礦主通風(fēng)機(jī)操作和維護(hù)制度的編制，以及相應(yīng)制度和大綱執(zhí)行情況的監(jiān)督，設(shè)備投入運(yùn)行后所有故障信息和維修工作的數(shù)據(jù)存檔等[2]。結(jié)合煤礦主通風(fēng)機(jī)的性能特點(diǎn)和現(xiàn)場工況環(huán)境，有針對性地制定可靠性維護(hù)準(zhǔn)則、完善可靠性維護(hù)策略，是有效開展煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)工作的必要客觀條件。

2.1 可靠性維護(hù)準(zhǔn)則

在制定煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)準(zhǔn)則時(shí)需要充分考慮以下幾項(xiàng)原則：

1）維護(hù)時(shí)間最短化原則。包括及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、快速捕捉和檢測故障源、迅速采取措施隔離故障源或者開展維修、更換工作，以最快的速度排除故障恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行。

2）維護(hù)工作簡單化原則。包括主要易損件采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)并常備足量的備用件，設(shè)備各級軟、硬件之間具備良好的兼容性和適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)性，有完備的維護(hù)制定和維護(hù)策略指導(dǎo)維護(hù)工作高效開展。

3）維護(hù)成本最低化原則。包括采用通用的維修方法和維修設(shè)備，減少專用維修設(shè)備和維修工具的需求量，減少維修工作對備用件和損耗性材料的需求成本，避免制定過高的維修要求。

4）維護(hù)人員素質(zhì)要求合理化原則。包括培訓(xùn)現(xiàn)有維護(hù)人員掌握基本的維護(hù)方法和流程，結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)制定完備而簡明的維修規(guī)程，盡可能降低維修難度大、專業(yè)性要求高的維修量所占比重。

以煤礦主通風(fēng)機(jī)在長期應(yīng)用中統(tǒng)計(jì)的故障模式、故障原因、故障排除方式、故障頻率等客觀數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，遵循上述可靠性維護(hù)準(zhǔn)則，結(jié)合目前大型機(jī)械設(shè)備通用的邏輯決斷流程，制定針對煤礦主通風(fēng)機(jī)的可靠性維護(hù)策略，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況細(xì)化不同故障模式相對應(yīng)的可靠性預(yù)防性對策，并科學(xué)、有效地指導(dǎo)維修工作的開展。

2.2 可靠性維護(hù)策略

煤礦主通風(fēng)機(jī)的可靠性維護(hù)工作需要根據(jù)設(shè)備特性和差異化要求，制定和落實(shí)科學(xué)合理的維護(hù)策略，以設(shè)備性能監(jiān)測反饋信息和設(shè)備自身使用維護(hù)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確把握最佳維修維護(hù)時(shí)機(jī)，合理選擇最佳維修維護(hù)方式，合理調(diào)配和使用維修維護(hù)資源。堅(jiān)持預(yù)防為主、防修結(jié)合的原則，通過故障的提前預(yù)警和預(yù)防性維修及時(shí)排除故障隱患，通過精準(zhǔn)捕捉故障點(diǎn)及時(shí)采取合理的維修方式，以最快的速度、最小的成本恢復(fù)設(shè)備正常工作狀態(tài)[3]。煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)的核心是主通風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測信息對設(shè)備可靠性進(jìn)行評估和預(yù)測。編制預(yù)防性維修策略，依據(jù)監(jiān)測信息在日常維護(hù)和例行檢測工作中對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的潛在故障點(diǎn)進(jìn)行篩選排查，并依據(jù)維修維護(hù)規(guī)程采取有效措施及時(shí)排除安全隱患。同時(shí)，還要編制修復(fù)性維修和搶修性維修策略，由于煤礦工作環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性，主通風(fēng)機(jī)不允許發(fā)生故障停機(jī)，所以要求融入智能化故障診斷技術(shù)和故障下備用設(shè)備自投入技術(shù)，確保主通風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行。

3 主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)

圖2 煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)框圖

煤礦主通風(fēng)機(jī)屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁瑣的可修復(fù)設(shè)備，其可靠性直接影響礦井通風(fēng)安全和生產(chǎn)安全，因此，要確保煤礦主通風(fēng)機(jī)能夠持續(xù)可靠運(yùn)行，就必須對煤礦主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)化的可靠性維護(hù)管理，建立如圖2 所示的煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)。該可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)基于成熟的大型機(jī)械設(shè)備可靠性維護(hù)策略，以煤礦主通風(fēng)機(jī)實(shí)際工況環(huán)境、設(shè)備自身性能特點(diǎn)和維護(hù)保養(yǎng)要求為依據(jù)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備維修維護(hù)系統(tǒng)化地融合起來，實(shí)現(xiàn)煤礦主通風(fēng)機(jī)日常維護(hù)保養(yǎng)和故障維修的信息化、智能化管理。一方面，通過預(yù)防性維修工作可以提前發(fā)現(xiàn)和消除潛在的故障隱患，減少故障發(fā)生的概率；另一方面，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)故障源并及時(shí)預(yù)警，分析故障具體信息后，通過既定的維修方案和維修策略及時(shí)排除設(shè)備故障，恢復(fù)設(shè)備正常工作狀態(tài)[4]。

基于礦井主通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工礦和自身特性，以制定的可靠性維護(hù)策略和可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)為基本框架，建立礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，充分考慮管理和技術(shù)人員素質(zhì)、主通風(fēng)機(jī)設(shè)備質(zhì)量本身、通風(fēng)現(xiàn)場實(shí)際工況環(huán)境對礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性水平的影響。該套礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)以智能監(jiān)控系統(tǒng)為核心，引入專家級故障診斷系統(tǒng)和故障智能處理系統(tǒng)（含故障下主通風(fēng)機(jī)自動倒機(jī)系統(tǒng)、故障下電源自動快速切換系統(tǒng)等核心功能模塊），該套系統(tǒng)既具備良好的人機(jī)互動功能，又通過冗余設(shè)計(jì)和邏輯閉鎖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“無人值守”的智能化控制模式，除了易于操控和檢修維護(hù)方便以外，還有效杜絕了因?yàn)椴僮魅藛T素質(zhì)差或者誤操作導(dǎo)致的人為故障。通過對主通風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)備的智能監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)開關(guān)的電流、電壓、頻率、相位角等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；能夠?qū)S承溫度、徑向和軸向振動、電機(jī)繞組溫度、通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量和軸功率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；能在線同步顯示風(fēng)機(jī)及風(fēng)門系統(tǒng)的模擬運(yùn)行畫面，實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)啟停信號、正反風(fēng)信號、風(fēng)門啟閉信號，異常狀態(tài)下的實(shí)時(shí)報(bào)警。基于上述功能可以實(shí)時(shí)掌握主通風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行狀態(tài)、評估工礦環(huán)境對主通風(fēng)機(jī)的影響和干擾程度，進(jìn)而評估主通風(fēng)機(jī)的可靠性水平，評估結(jié)果將作為主通風(fēng)機(jī)日常例行檢修和故障排除的直接參考依據(jù)。

礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)主要包括高性能的模擬量和數(shù)字量輸入輸出通道、串口通信模塊，大型通風(fēng)機(jī)流量監(jiān)測專用裝置、壓力變送器、差壓變送器、電量變送器和溫度巡檢儀。其中大型通風(fēng)機(jī)流量監(jiān)測裝置安裝在風(fēng)道上、風(fēng)量及風(fēng)壓變送器在主扇風(fēng)機(jī)一側(cè)就近安裝，電量變送器安裝在風(fēng)機(jī)的啟動柜內(nèi)，溫度巡檢儀內(nèi)嵌在操作臺上通過現(xiàn)場總線與PLC 通訊，并與上位機(jī)的集中監(jiān)測一起形成兩級可靠顯示。同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)備選型過程中，信號輸入、輸出通道都適當(dāng)留出一些備用余量，即通過通道冗余來保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)針對主通風(fēng)機(jī)主要故障，編制了相應(yīng)的智能化控制策略，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會自動切換至故障模式，在故障模式下按預(yù)先編制的程序和控制策略啟動應(yīng)急措施，確保主通風(fēng)機(jī)在故障下不停機(jī)、不停風(fēng)。該套系統(tǒng)主要包含故障模式下主通風(fēng)機(jī)電源自動切換和系統(tǒng)故障模式下主通風(fēng)機(jī)自動倒機(jī)2 種主要的可靠性保障策略。以系統(tǒng)故障模式下主通風(fēng)機(jī)自動倒機(jī)為例：

圖3 礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中如發(fā)生單電機(jī)故障或雙電機(jī)停機(jī)故障，礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)中的監(jiān)控子系統(tǒng)首先報(bào)警，并自動切入故障倒機(jī)界面，提示即將啟用故障自動倒機(jī)程序。值班人員接到故障停機(jī)報(bào)警后，需首先到現(xiàn)場檢查故障是否屬實(shí)，如果發(fā)現(xiàn)是由于反饋信號造成的系統(tǒng)誤報(bào)，應(yīng)該消音，并排除信號故障；如果故障屬實(shí)，應(yīng)該遵照故障倒機(jī)策略提示立刻進(jìn)行倒機(jī)前準(zhǔn)備工作。在確定倒機(jī)前所有準(zhǔn)備工作完成后，為了方便操作員進(jìn)行人工干預(yù)，監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留“故障自動倒機(jī)”選擇。故障狀態(tài)下倒機(jī)可以借助監(jiān)控系統(tǒng)的按鈕進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，倒換方式被設(shè)計(jì)成采用傳統(tǒng)的“停機(jī)倒機(jī)”方式（即把原運(yùn)行風(fēng)風(fēng)機(jī)停下來，主風(fēng)門關(guān)閉，打開備用風(fēng)機(jī)主風(fēng)門，關(guān)閉備用風(fēng)機(jī)副風(fēng)門后，再逐級啟動備用風(fēng)機(jī)）。具體操作如下：

1）現(xiàn)場合備用風(fēng)機(jī)電機(jī)的正轉(zhuǎn)隔離刀閘，送真空開關(guān)的操作電源，將風(fēng)門操作控制權(quán)置于遠(yuǎn)控狀態(tài)。

2）將監(jiān)控系統(tǒng)操作臺上的“操作狀態(tài)選擇”置于手動方式，準(zhǔn)備倒機(jī)。

3）停原運(yùn)行風(fēng)機(jī)1#電機(jī)，停原運(yùn)行風(fēng)機(jī)2#電機(jī)。

4）關(guān)閉原運(yùn)行風(fēng)機(jī)的主風(fēng)門，打開原運(yùn)行風(fēng)機(jī)的副風(fēng)門，打開備用風(fēng)機(jī)的主風(fēng)門，關(guān)閉備用風(fēng)機(jī)副風(fēng)門，并檢查到位狀態(tài)。

5）啟動備用風(fēng)機(jī)電機(jī)，檢查確認(rèn)電機(jī)已正常啟動，等待電機(jī)啟動沖擊電流回落。

6）倒機(jī)完畢。

7）拉開原運(yùn)行風(fēng)機(jī)的電機(jī)的隔離刀閘，形成明顯的電氣隔離。

通過礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)開發(fā)的專家故障診斷系統(tǒng)，當(dāng)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，能進(jìn)行正確判斷，并輸出報(bào)警信號和自動診斷結(jié)論，在發(fā)生故障停機(jī)時(shí)，根據(jù)故障狀態(tài)采用“無人值守”式自動控制或者提示操作人員按故障排除規(guī)程進(jìn)行人工處理，具備故障時(shí)自動倒機(jī)功能，確保主通風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行持續(xù)供風(fēng)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦于2019 年3 月引入主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，該套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對主通風(fēng)機(jī)及其附屬通風(fēng)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障處理和設(shè)備日常維保的系統(tǒng)化管理，有效提升了煤礦主通風(fēng)機(jī)的可靠性管理水平，借助專家故障診斷系統(tǒng)和系統(tǒng)化維護(hù)策略，降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備維護(hù)維修效率。

該可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖4 所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的起停狀態(tài)、工作電壓、電流，風(fēng)機(jī)的振動幅度、風(fēng)機(jī)軸承和定子溫度，風(fēng)量和負(fù)壓，風(fēng)門開、閉狀態(tài)等眾多參數(shù)的集中動態(tài)顯示，界面友好、用戶使用非常方便。通過該控制界面可以實(shí)時(shí)顯示主通風(fēng)機(jī)及其主要附件的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，顯示和存儲設(shè)備故障信息、維修維護(hù)信息。

圖4 主監(jiān)控界面

為方便用戶了解通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)和變化趨勢，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將運(yùn)行風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)和風(fēng)量、負(fù)壓實(shí)時(shí)曲線分別在圖5 和圖6 中以曲線形式形象地實(shí)時(shí)顯示。

可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)倒機(jī)過程中設(shè)備無動作或誤動作報(bào)警、風(fēng)門開閉過程中的過轉(zhuǎn)矩和開閉不到位報(bào)警、正常運(yùn)行中突發(fā)的單機(jī)和雙機(jī)停機(jī)故障的報(bào)警、風(fēng)量、負(fù)壓和溫度超限的報(bào)警等常見故障的實(shí)時(shí)報(bào)警。當(dāng)主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)除了具備響鈴報(bào)警功能，還可以同步將報(bào)警時(shí)間、日期和故障類別等相關(guān)信息自動記錄、存儲到圖7 所示的報(bào)警顯示存檔窗口，用于指引用戶方便地查詢故障詳情，進(jìn)而幫助工作人員及時(shí)排除故障。

圖5 主通風(fēng)機(jī)性能實(shí)時(shí)監(jiān)測界面

圖6 主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能界面

圖7 主通風(fēng)機(jī)故障報(bào)警顯示界面

投入運(yùn)行1 年多來，借助該可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，興隆莊煤礦對主通風(fēng)機(jī)的日常使用和維護(hù)工作進(jìn)行系統(tǒng)化管理，利用先進(jìn)的檢測、調(diào)控、通訊設(shè)備、技術(shù)對礦井主通風(fēng)機(jī)以及風(fēng)門等附屬設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障及時(shí)預(yù)警、故障信息及時(shí)傳遞、合理選擇故障處理方案、及時(shí)排除故障等一系列功能，大大提升了煤礦主通風(fēng)機(jī)的可靠性管理效率，降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備維護(hù)維修效率，對于確保礦井通風(fēng)安全具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié) 論

礦井主通風(fēng)機(jī)的可靠性是礦井安全生產(chǎn)的重要保障，系統(tǒng)地深入研究礦井主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)工作，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備故障處理、設(shè)備日常維保的系統(tǒng)化、智能化、高效化管理。現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐證明，該套煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，提升了主通風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)備的維保效率，降低了設(shè)備故障率，大大提高的設(shè)備可靠性水平，具有良好的推廣前景。