矿用架线机车空压机系统故障分析及预防对策

白春鹤

（首钢集团有限公司矿业公司杏山铁矿，河北唐山 064400）

0 引言

电机车运输系统是井下运输的大动脉，承载着采区溜井下放的矿石运输，电机车运输安全更是井下安全生产的前提和基础，是矿山的咽喉设备。

空压机系统的主要功能是提供斩波调速电机车制动、集电弓远程控制升降的动力，是直流电机车安全制动系统的关键部件，其工作可靠性直接关系着电机车运行的安全性能，影响着矿山的安全生产。空压机系统一旦发生故障，轻则影响生产进度，重则导致恶性事故的发生。常见的空压机系统故障主要表现为空压机不启动或空压机停不下来。从空压机系统的控制原理和附属备件，结合典型案例，多角度分析产生故障的原因，提出相应的处理对策及预防措施。

1 空压机系统工作原理

目前大多数新型地采有轨运输使用的设备为变频调速机车，例如：中铝集团云南迪庆有色金属有限公司使用的有轨运输设备为65T 变频电机车，变频电机车远程控制制动方式主要由两部分组成，一个是利用电机的电制动，另一个是利用空压机系统的机械制动。杏山铁矿使用的是斩波调速机车，与变频电机车相比，斩波调速机车远程制动方式只能采取气动控制的机械制动，因此空压机系统的稳定与否至关重要。

1.1 系统组成

空压机系统主要由空压机逆变器、电机车空压机、空压机电机、空压机风路系统、刹车汽缸、集电弓汽缸等部分组成（图1）。

图1 空压机系统组成

如图1 所示，杏山铁矿斩波调速机车的供电电源是直流550 V，通过空压机逆变器将直流550 V 电压逆变成交流380 V 电压，为空压机电机提供电源，空压机逆变器的启停通过一对干点进行控制，电机车安装两个风缸进行储气，通过电磁阀对刹车汽缸以及集电弓汽缸进行控制，执行刹车、松刹车、升、降集电弓动作。

1.2 控制原理

如图2 所示，空压机系统控制回路采用的是24 V低压控制，系统风路管路中安装一块电接点压力表，通过电接点压力表的高、低压指针通断，控制电气回路两个中间继电器K1、K2 的通断，再将K1 的常开点接入逆变器的控制点中，从而实现空压机逆变器的自动控制功能。

图2 空压机控制原理

系统设置空压机系统低压0.4 MPa 启动，到高压0.8 MPa 停止。当系统压力到达0.4 MPa 时电接点压力表低压指针接通，低压继电器K1 线圈接通，通过辅助点自锁K1 吸合，同时串接在逆变器控制回路中的K1常开触点接通，空压机逆变器工作。当系统中压力达到0.8 MPa 时，电接点压力表高压指针接通，高压继电器K2 线圈接通，K2 的常闭触点断开，从而使低压继电器K1 回路断开，K1 继电器线圈失电，串接在逆变器控制回路中的K1 常开触点断开，逆变器停止工作。

1.3 空压机风路原理

该系统包括自动、手动两套控制系统，其中手动控制系统就是电机车在本地使用过程中，在司机室内通过手动截门以及脚踏阀控制集电弓、刹车缸（图3）。自动控制系统是电机车远程操作过程中，司机在地表操作台控制电磁阀实现对集电弓、刹车缸的控制功能。

图3 空压机风路系统

（1）远程刹车控制。手动关闭手自动阀门，当远程需要刹车时，远程控制自刹阀线圈得电电磁阀动作（刹车电磁阀使用的是常闭电磁阀），总风缸中的压力通过管路流向刹车缸，机车制动。当需要松刹车时，控制自松阀得电，将刹车缸中的气排除达到松刹车的目的。

（2）本地刹车控制。手动打开手自动阀门，通过脚踩脚刹阀，使总风缸内的气通过管路进入刹车缸，机车制动。当需要松刹车时，将脚踏阀松开，刹车缸内的气排出、达到松刹车的目的。

（3）远程升降弓子控制。远程控制自降弓阀线圈得电，电磁阀打开，总风缸内的气通过管路进入弓汽缸，集电弓降下，当需要升弓子时，远程控制自升弓电磁阀线圈得电，弓汽缸中的气通过管路排除，集电弓利用弹簧升起。

（4）本地升降弓控制。与远程控制方法类似，手动搬动手降弓截门，总风缸内的气通过管路进入弓汽缸，集电弓降下，当需要升弓子时，手动搬动手升弓截门，弓汽缸中的气通过管路排除，集电弓利用弹簧升起。

2 空压机系统故障类型及故障原因

空压机系统的大部分故障是不能按照规定完成泵风及制动任务，或者制动效果达不到规定要求。通常空压机系统的故障主要分为电机无法有效启停和制动失效两大类。

2.1 电机非首次启动时，无法按照设定值启动

由于每班对电机车空压机系统进行排气，因此电机首次启动时是空压机系统内0 气压时启动。电机非首次启动是指正常转车过程中空压机系统内有压力时启动。按照设定要求空压机低压0.4 MPa 启动，高压0.8 MPa 停止，但是经常会出现在运行过程中总汽缸内压力降到0.4 MPa，但空压机电机无法正常启动。造成此问题的主要因素有以下2 个。

（1）控制回路未接通逆变器无法正常工作。从图2空压机控制原理中可以看出，由于电接点压力表低压指针不通以及高压继电器常闭点不通会造成此故障。

（2）控制回路接通，电机无法正常转动

故障现象：控制回路全部接通，继电器吸合正常，逆变器有输出但是电机转动几圈后停止，然后再次转动几圈再次停止。此故障比较典型，由于此套空压机系统是杏山铁矿按照杏山电机车本身情况自行改造的，使用的备件有部分为定制产品，如空压机逆变器（20T）NBD-3 3 kW 380 V。

造成此故障现象的主要原因是空压机汽缸后安装的压力开关在机车正常泵气到0.7 MPa 时，压力开关卸荷针未动作，达到0.8 MPa 停机时，空压机机头风管内压力无法排除，造成二次启动时属于重负荷启动，逆变器的系统保护造成电机无法正常启动。压力开关卸荷针无法动作的主要原因是在安装时压力开关没有调整好，因此达到压力时没有正常卸荷。出现此类故障且现场无法修理时，只能通过远程放气，将系统内部的气压排到0.2 MPa 时，电机会再次启动。

2.2 空压机电机、逆变器等主要备件烧损

空压机电机、逆变器损坏的主要原因是备件质量问题和使用不当。

（1）备件质量问题，无法达到使用周期。该系统逆变器是定制的非标准配件，备件制作过程中人员水平不同造成配件使用寿命不同。2019 年1 月，由于逆变器故障连续造成3 台次电机车故障。将损坏逆变器返厂进行修复，并且与厂家技术人员进行联系，反馈逆变器在修复过程中由于采购不到标准的配件，临时选用他配件造成使用无法达到周期。

（2）节能型电机同功率存在“小马拉大车”现象。2020 年年初，20T-5#电机车连续损坏3 台电机，在更换第二台电机时对空压机逆变器、空压机负载进行详细检查，都没有发现问题，但电机在半个月内连续烧损。电机车改造时的原厂电机使用6 年未出现过故障，后经厂家联系得知，由于节能要求，采购的电机均为高效能电机，原厂电机为标准能效电机。将损坏电机解体后发现电机绕组全部烧损，说明电机均为过电流烧损。

（3）电机频繁启动造成逆变器过热烧损。空压机系统设计改造时，远程制动4～6 次可以将汽缸内压力由0.8 MPa 消耗到0.4 MPa，空压机系统再次泵气。实际生产过程中会出现由于电机频繁启动造成逆变器烧损现象。通过现场观察发现，当远程刹车时，电接点压力表指针会从0.8 MPa 瞬间降至0.5 MPa，然后气压会逐渐回升至0.7MPa，当再次刹车时气压会从0.7 MPa瞬间降至0.3 MPa，然后在逐渐回升置0.6 MPa。由于两次刹车就可以使控制回路达到0.4 MPa 接通，也就是每天空压机比正常多启动66%。根据图3 空压机风路系统分析，由于总风缸管路不通畅，当自刹电磁阀动作时管路内的气压全部冲向刹车风缸，造成电接点压力表压力瞬间下降，总风缸压力逐渐供到管路内造成电接点压力表压力再逐步恢复。

2.3 电机车制动达不到效果

电机车气制动是杏山铁矿电机车远程运行的主要制动方式，由于远程制动效果不明显会造成电机车运行安全隐患。主要表现是远程刹不住车，本地刹车正常。导致此类故障的原因主要有2 个：①自松阀线圈异常，造成自松阀长期得电，自松阀线圈长期得电后，电磁阀处于常开状态，当远程刹车自刹车阀给刹车汽缸供气时，系统中压力会随着自松阀跑出，造成远程制动效果差的现象；②机械漏风现象，主要体现在自松阀、手自动阀门等管路接头处有漏风现象。另外，自松阀内密封皮垫破损，造成阀本体漏气，也会造成电机车远程制动效果差的现象。

3 预防对策

对设备进行维护保养，就是要通过设备运行过程中出现的蛛丝马迹，在故障未出现前，通过科学合理的维护，将故障消除在萌芽状态。通过分析空压机系统常见故障类型及原因，提出日常维护过程中预防系统故障的措施如下：

（1）按照《金属非金属矿山安全规程》，定期检测制动系统执行机构，机车闸瓦磨损情况，发现闸阀磨损超过1/2 或闸瓦偏磨时及时停车进行调整。

（2）每周对一台电机车进行保养，在保养过程中定期检查空压机系统电机、压力开关、继电器接线情况，发现松动及时紧固。

（3）在检查电机车时对压力开关进行调整，将压力开关卸荷阀压力值调整到0.6～0.7 MPa 时卸荷阀泄压，避免空压机系统非首次启动时重负荷启车。

（4）关于逆变器备件质量问题，与逆变器厂家进行沟通，提高逆变器内部原件标准化，对电机车逆变器进行改造，使用DLDQ-1000-05K5 型辅助变频器进行替换，2020 年年底在一台电机车上安装使用到目前没有出现过逆变器故障，后期将推广至其他电机车使用。

（5）通过使用摸索，合理选择空压机电机型号，对能效提高的电机合理选用，更换同型号3 kW 电机。

（6）每班对电机车空压机系统风缸进行排气处理，保证空压机系统内空气干燥无水气。

（7）每半年对总风缸管路中的油水分离器进行检查更换，保证油水分离并且及时清理油污，保证总风缸气路通畅。

（8）每个月对电机车内部电磁阀线圈进行空载检查实验，将线圈通电、断电检验线圈吸合情况，发现接线松动及线圈通电后没有吸合磁力的，及时处理接线或更换线圈。

（9）每个月对电机车电磁阀阀体拆除一次，检查阀体内密封垫情况及管路接头情况，发现有漏气点位及时更换密封垫。

（10）定期对制动系统的相关部件进行检查，发现隐患及时处理，避免隐患变成故障，影响电机车稳定运行。

4 结束语

虽然空压机系统故障虽多种多样，但只要合理使用，加强日常管理维护，就能及时了解系统的使用状况和存在的问题，做到心中有数，及时准确地排除隐患，保证电机车安全可靠运行，防止事故的发生，确保矿山的安全生产。