煤矿主通风机可靠性维护管理系统的研究

闵祥晟，赵慧杰，朱晓宁

（1.兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿, 山东 济宁272100；2.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城273500）

0 引 言

矿井主通风机承担着煤矿井下空气循环、温度调节、稀释有害气体、改善作业环境等诸多功能，其可靠性水平直接影响煤矿生产工作的安全进行。同时，矿井主通风机结构复杂、运行功率大、控制要求严格，因此有必要系统地开展针对矿井主通风机的可靠性维护工作，编制科学的维保策略，指导设备的日常维护保养和检修工作，提前排除安全隐患和设备故障，确保矿井主通风机可靠、平稳、高效运行。

本文详细介绍了兴隆庄煤矿主通风机的可靠性维护管理系统的建立，针对现场主通风机的设备特性和实际工况环境，制定了可靠性维护策略和可靠性维护管理系统，并以此为基本框架建立矿井主通风机可靠性维护管理系统，充分考虑管理和技术人员素质、主通风机设备质量本身、通风现场实际工况环境对矿井主通风机可靠性水平的影响。该套矿井主通风机可靠性维护管理系统以智能监控系统为核心，引入专家级故障诊断系统和故障智能处理系统。通过开发上述系统，有效维护和保障了矿井通风可靠性，提升通风系统的自动化和智能化水平。

1 主通风机可靠性影响因素

总结现场实际应用经验可知，管理和技术人员素质、主通风机设备质量本身、通风现场实际工况环境是影响矿井主通风机可靠性水平主要因素。上述3 项主要因素相互作用，其中任意一方面的因素都可以制约其它因素发挥作用，也可以推动其它因素最大限度地发挥自身作用。可靠性维护工作的目的是有效融合上述因素，激发各自的积极作用，充分发挥设备管理人员、技术操作人员、维护保养人员的主观能动性，选择适宜现场工况环境的主通风机，制定和执行切实有效的设备管理制度和使用维护制度，及时发现和排除潜在故障源，最大限度地发挥主通风机的功能，使主通风机能够在煤矿恶劣的通风工况环境下长期连续可靠运行，确保矿井通风工作的可靠性[1]。矿井主通风机可靠性影响因素的结构系统如图1 所示。

图1 可靠性影响因素结构框图

2 主通风机可靠性维护内容

煤矿主通风机是整个井下通风系统的动力源，《煤矿安全规程》对其可靠性和故障维修时间要求非常严格。为了确保煤矿主通风机性能可靠、故障率低，也为了发生故障时能够迅速捕捉故障点，及时排除故障恢复设备运行，需要从技术层面和管理层面制定和开展综合性的可靠性维护工作。技术层面的可靠性维护工作包括设备运行状态实时监测、故障发生后的故障及时检测、故障的及时维修和排除、日常设备维护保养等贯穿于设备使用周期内的实质性技术类工作。管理层面的可靠性维护工作主要是围绕技术类工作制定科学的、切实可行的管理准则和执行策略，指导和规范技术类工作的顺利开展，具体包括煤矿主通风机操作和维护制度的编制，以及相应制度和大纲执行情况的监督，设备投入运行后所有故障信息和维修工作的数据存档等[2]。结合煤矿主通风机的性能特点和现场工况环境，有针对性地制定可靠性维护准则、完善可靠性维护策略，是有效开展煤矿主通风机可靠性维护工作的必要客观条件。

2.1 可靠性维护准则

在制定煤矿主通风机可靠性维护准则时需要充分考虑以下几项原则：

1）维护时间最短化原则。包括及时发现故障、快速捕捉和检测故障源、迅速采取措施隔离故障源或者开展维修、更换工作，以最快的速度排除故障恢复设备运行。

2）维护工作简单化原则。包括主要易损件采用标准化设计并常备足量的备用件，设备各级软、硬件之间具备良好的兼容性和适当的容错性，有完备的维护制定和维护策略指导维护工作高效开展。

3）维护成本最低化原则。包括采用通用的维修方法和维修设备，减少专用维修设备和维修工具的需求量，减少维修工作对备用件和损耗性材料的需求成本，避免制定过高的维修要求。

4）维护人员素质要求合理化原则。包括培训现有维护人员掌握基本的维护方法和流程，结合设备特点制定完备而简明的维修规程，尽可能降低维修难度大、专业性要求高的维修量所占比重。

以煤矿主通风机在长期应用中统计的故障模式、故障原因、故障排除方式、故障频率等客观数据资料为基础，遵循上述可靠性维护准则，结合目前大型机械设备通用的逻辑决断流程，制定针对煤矿主通风机的可靠性维护策略，结合现场实际工况细化不同故障模式相对应的可靠性预防性对策，并科学、有效地指导维修工作的开展。

2.2 可靠性维护策略

煤矿主通风机的可靠性维护工作需要根据设备特性和差异化要求，制定和落实科学合理的维护策略，以设备性能监测反馈信息和设备自身使用维护准则为基础，准确把握最佳维修维护时机，合理选择最佳维修维护方式，合理调配和使用维修维护资源。坚持预防为主、防修结合的原则，通过故障的提前预警和预防性维修及时排除故障隐患，通过精准捕捉故障点及时采取合理的维修方式，以最快的速度、最小的成本恢复设备正常工作状态[3]。煤矿主通风机可靠性维护的核心是主通风机及其附属设备运行状态的实时监测，并依据监测信息对设备可靠性进行评估和预测。编制预防性维修策略，依据监测信息在日常维护和例行检测工作中对监测数据异常的潜在故障点进行筛选排查，并依据维修维护规程采取有效措施及时排除安全隐患。同时，还要编制修复性维修和抢修性维修策略，由于煤矿工作环境的复杂性和恶劣性，主通风机不允许发生故障停机，所以要求融入智能化故障诊断技术和故障下备用设备自投入技术，确保主通风机可靠运行。

3 主通风机可靠性维护管理系统

图2 煤矿主通风机可靠性维护管理系统框图

煤矿主通风机属于结构复杂、功能繁琐的可修复设备，其可靠性直接影响矿井通风安全和生产安全，因此，要确保煤矿主通风机能够持续可靠运行，就必须对煤矿主通风机进行系统化的可靠性维护管理，建立如图2 所示的煤矿主通风机可靠性维护管理系统。该可靠性维护管理系统基于成熟的大型机械设备可靠性维护策略，以煤矿主通风机实际工况环境、设备自身性能特点和维护保养要求为依据，将设备运行状态监测和设备维修维护系统化地融合起来，实现煤矿主通风机日常维护保养和故障维修的信息化、智能化管理。一方面，通过预防性维修工作可以提前发现和消除潜在的故障隐患，减少故障发生的概率；另一方面，设备监控系统可实时发现故障源并及时预警，分析故障具体信息后，通过既定的维修方案和维修策略及时排除设备故障，恢复设备正常工作状态[4]。

基于矿井主通风机的实际工矿和自身特性，以制定的可靠性维护策略和可靠性维护管理系统为基本框架，建立矿井主通风机可靠性维护管理系统，充分考虑管理和技术人员素质、主通风机设备质量本身、通风现场实际工况环境对矿井主通风机可靠性水平的影响。该套矿井主通风机可靠性维护管理系统以智能监控系统为核心，引入专家级故障诊断系统和故障智能处理系统（含故障下主通风机自动倒机系统、故障下电源自动快速切换系统等核心功能模块），该套系统既具备良好的人机互动功能，又通过冗余设计和逻辑闭锁设计实现了“无人值守”的智能化控制模式，除了易于操控和检修维护方便以外，还有效杜绝了因为操作人员素质差或者误操作导致的人为故障。通过对主通风机及附属设备的智能监控，可以实现主通风机开关的电流、电压、频率、相位角等参数进行实时监测；能够对轴承温度、径向和轴向振动、电机绕组温度、通风机风压、风量和轴功率等参数进行实时监控；能在线同步显示风机及风门系统的模拟运行画面，实时显示风机启停信号、正反风信号、风门启闭信号，异常状态下的实时报警。基于上述功能可以实时掌握主通风机自身运行状态、评估工矿环境对主通风机的影响和干扰程度，进而评估主通风机的可靠性水平，评估结果将作为主通风机日常例行检修和故障排除的直接参考依据。

矿井主通风机可靠性维护管理系统主要包括高性能的模拟量和数字量输入输出通道、串口通信模块，大型通风机流量监测专用装置、压力变送器、差压变送器、电量变送器和温度巡检仪。其中大型通风机流量监测装置安装在风道上、风量及风压变送器在主扇风机一侧就近安装，电量变送器安装在风机的启动柜内，温度巡检仪内嵌在操作台上通过现场总线与PLC 通讯，并与上位机的集中监测一起形成两级可靠显示。同时，在系统设备选型过程中，信号输入、输出通道都适当留出一些备用余量，即通过通道冗余来保证系统的可扩展性。矿井主通风机可靠性维护管理系统的系统结构图如图3 所示。

矿井主通风机可靠性维护管理系统针对主通风机主要故障，编制了相应的智能化控制策略，当故障发生时，系统会自动切换至故障模式，在故障模式下按预先编制的程序和控制策略启动应急措施，确保主通风机在故障下不停机、不停风。该套系统主要包含故障模式下主通风机电源自动切换和系统故障模式下主通风机自动倒机2 种主要的可靠性保障策略。以系统故障模式下主通风机自动倒机为例：

图3 矿井主通风机可靠性维护管理系统结构图

在主通风机运行过程中如发生单电机故障或双电机停机故障，矿井主通风机可靠性维护管理系统中的监控子系统首先报警，并自动切入故障倒机界面，提示即将启用故障自动倒机程序。值班人员接到故障停机报警后，需首先到现场检查故障是否属实，如果发现是由于反馈信号造成的系统误报，应该消音，并排除信号故障；如果故障属实，应该遵照故障倒机策略提示立刻进行倒机前准备工作。在确定倒机前所有准备工作完成后，为了方便操作员进行人工干预，监控系统预留“故障自动倒机”选择。故障状态下倒机可以借助监控系统的按钮进行远程控制，倒换方式被设计成采用传统的“停机倒机”方式（即把原运行风风机停下来，主风门关闭，打开备用风机主风门，关闭备用风机副风门后，再逐级启动备用风机）。具体操作如下：

1）现场合备用风机电机的正转隔离刀闸，送真空开关的操作电源，将风门操作控制权置于远控状态。

2）将监控系统操作台上的“操作状态选择”置于手动方式，准备倒机。

3）停原运行风机1#电机，停原运行风机2#电机。

4）关闭原运行风机的主风门，打开原运行风机的副风门，打开备用风机的主风门，关闭备用风机副风门，并检查到位状态。

5）启动备用风机电机，检查确认电机已正常启动，等待电机启动冲击电流回落。

6）倒机完毕。

7）拉开原运行风机的电机的隔离刀闸，形成明显的电气隔离。

通过矿井主通风机可靠性维护管理系统开发的专家故障诊断系统，当主通风机运行出现异常状态时，能进行正确判断，并输出报警信号和自动诊断结论，在发生故障停机时，根据故障状态采用“无人值守”式自动控制或者提示操作人员按故障排除规程进行人工处理，具备故障时自动倒机功能，确保主通风机可靠运行持续供风。

4 现场应用效果

兖矿集团兴隆庄煤矿于2019 年3 月引入主通风机可靠性维护管理系统，该套系统实现了对主通风机及其附属通风设备工作状态的实时监测、实现了设备故障处理和设备日常维保的系统化管理，有效提升了煤矿主通风机的可靠性管理水平，借助专家故障诊断系统和系统化维护策略，降低了设备故障率，提高了设备维护维修效率。

该可靠性维护管理系统的监控主界面如图4 所示，系统设计实现了对电机的起停状态、工作电压、电流，风机的振动幅度、风机轴承和定子温度，风量和负压，风门开、闭状态等众多参数的集中动态显示，界面友好、用户使用非常方便。通过该控制界面可以实时显示主通风机及其主要附件的运行状态和运行参数，显示和存储设备故障信息、维修维护信息。

图4 主监控界面

为方便用户了解通风机运行的工况点和变化趋势，监控系统实现了将运行风机的性能参数和风量、负压实时曲线分别在图5 和图6 中以曲线形式形象地实时显示。

可靠性维护管理系统可实现倒机过程中设备无动作或误动作报警、风门开闭过程中的过转矩和开闭不到位报警、正常运行中突发的单机和双机停机故障的报警、风量、负压和温度超限的报警等常见故障的实时报警。当主通风机在运行中出现异常情况，监控系统除了具备响铃报警功能，还可以同步将报警时间、日期和故障类别等相关信息自动记录、存储到图7 所示的报警显示存档窗口，用于指引用户方便地查询故障详情，进而帮助工作人员及时排除故障。

图5 主通风机性能实时监测界面

图6 主通风机运行性能界面

图7 主通风机故障报警显示界面

投入运行1 年多来，借助该可靠性维护管理系统，兴隆庄煤矿对主通风机的日常使用和维护工作进行系统化管理，利用先进的检测、调控、通讯设备、技术对矿井主通风机以及风门等附属设备实现实时动态监控，实现故障及时预警、故障信息及时传递、合理选择故障处理方案、及时排除故障等一系列功能，大大提升了煤矿主通风机的可靠性管理效率，降低了设备故障率，提高了设备维护维修效率，对于确保矿井通风安全具有极大的现实意义。

5 结 论

矿井主通风机的可靠性是矿井安全生产的重要保障，系统地深入研究矿井主通风机可靠性维护工作，在此基础上构建煤矿主通风机可靠性维护管理系统，实现了对通风设备状态监测、设备故障处理、设备日常维保的系统化、智能化、高效化管理。现场应用实践证明，该套煤矿主通风机可靠性维护管理系统，提升了主通风机及其附属设备的维保效率，降低了设备故障率，大大提高的设备可靠性水平，具有良好的推广前景。