煤矿空压机常见故障与风险评价

兰 奇

（同煤集团四台矿，山西 大同 037000）

0 引言

螺杆式空压机是矿井生产过程中主要的压缩空气产生设备，为装岩机、凿岩机等气动设备和压风系统提供压缩空气［1-3］。空压机具有安全、高效、节能、低碳、多功能、可自动化操作等优点，所以保证矿井内部空压设备正常工作对煤矿生产具有重要的现实意义［4-6］。矿井中空压机设备具有诸多优势，并且对矿井生产必不可少，但是由于矿井中恶劣的作业环境，难免会出现各类因素导致螺杆式空压机无法正常工作。因此，快速查找并处置空压机故障因素，为现场提供理论指导是有必要的。

1 螺杆式空压机运行机理与特点

1.1 螺杆式空压机运行机理

空压机实现其功能的机理是通过不同的吸气、压缩和排气连续运作产生压缩空气用于生产［7-9］。而螺杆式空压机相对其他类别的空压机，其特点是通过相互咬合的主副转子间的动力传动来驱动，电机传化的动能由主转子传递给副转子，该机器由于旋转的体积变化而产生压缩空气。螺杆式空压机运作的大致过程是：空气通过空压机进气口后的空气过滤器去除杂质后，进入压缩机主机，并与冷却润滑油混合后进行压缩，被压缩的混合物进行油气分离，冷却润滑油返回机头重新进入循环，而分离出的压缩气体由压缩空气排气口供给其他设备运转。螺杆式空压机由空气滤芯、螺杆机头、油缸、油气分离器、油过滤器、空气冷却器、油冷却器以及各类不同类别的控制阀门构成，如图1所示。

图1 螺杆式空压机基本构成示意图

1.2 螺杆式空压机运行特点

低噪、稳定：螺杆式空压机相较于活塞式和离心式空压机结构设计更加紧凑，在低质量和小体积的同时能够将控制开关、压缩机、电机以及各类仪表配件等集成一体，同时由于螺杆原理，保证运转过程中动力平衡无剧烈振动，并且具有隔音设计，实现低噪运行。

节能、高效、维护费用低：螺杆式空压机的强制输气功能，能够实现变转速、变排气压力下内压和排气量恒定，例如：排气量与排气压力呈线性变化，通常1 MPa排气压力相对于排气量调整量为0.01 m3/min。相比其他类型空压机，螺杆式空压机易损元件较少，通常只有3个。

安全可靠、自动化：主电机、风扇电机、异常高温等都具有安全保护装置，能实现故障自动停车，同时不同类型的螺杆空压机都有恒温调节设置。设备整体控制通过PLC实现人机对话、状态提醒、异常报警等功能。

2 空压机运行状态影响因素与常见故障

2.1 影响因素

螺杆式空压机的结构特点，即气回路、油回路、水回路及控制回路展开后，将最终能够影响设备运转稳定性的各类因素进行总结［10-12］。

进气温度：空压机进入空气压缩过程，受到环境温度影响会很大，随温度升高而减少排气量，通常在3℃会导致设备功能损耗约为1%，夏季严重时会受温度影响而频繁停车或报警。

机头效率：空压机机头是螺杆式空压机主要部件之一，是设备直接进行空气压缩的部件，除去设备本身安装时的间隙问题，大部分情况机头主、副转子间可能会产生相互磨损，导致间隙过大，从而引起进行空气体积变化的效率降低。而效率降低会进一步造成排气的压力和温度升高。

空压机温度：空压机本身各部分温度应维持在一个恒定状态才能保证设备的正常效能，而设备温度易发生异常的部分主要有4类，即机油、轴承、电机、排气温度。而温度异常一般会影响设备正常运转，即使不会直接造成故障停车，也会加大设备损耗，减少设备本身及其配件的寿命。

冷却器状态：螺杆式空压机的冷却分为水冷型和风冷型，风冷型螺杆式空压机冷却受到环境温度影响很大，而水冷型会受到冷却水温度的影响，温度传导介质过高，冷却效果也不会理想，设备高温会加大部件的磨损、变形，导致润滑油变质等问题。

润滑油状态：润滑油是螺杆式空压机的主要工作介质，会直接影响设备运转状态，润滑油油质变化、有杂质、油位过高或过低都对设备运行造成严重的影响。而配套的过滤器、各类回路控制阀一旦出现故障也应及时更换。

2.2 常见故障

螺杆式空压机受上述各类因素的影响，可能导致的主要故障类型有设备突然停车、机头异常抱死、冷却水缺水、排气温度异常跳车、设备启动电流过大跳车、电机过载停车、气路、油路压力异常、电源控制器故障、进气阀无法正常进气等。

3 失效故障树模型与分析

根据各类因素对螺杆式空压机的影响，以及螺杆式空压机的结构特征，将影响螺杆式空压机运转的因素分为4类：内压过高、内压过低、油位下降、液压油异常高温。并将4类因素的基本事件再次展开为传感器失效、油气分离器芯堵塞、最小压力止回阀无法开启等17个基本影响因素，见表1。由此将导致螺杆式空压机故障的因素构成一个3层故障树分析模型，如图2所示。

表1 空压机常见故障的故障树模型符号说明

图2 空压机常见故障的故障树模型

螺杆式空压机故障失效模型中，各类因素之间都为逻辑或门，通过最小割集法对模型中的各类基础事件进行计算。

故障树中x1、x2、x3、x4、…、x17等17个基础事件互为最小割集，即当各类因素或故障发生会导致螺杆式空压机运转效率降低或故障停机。

4 螺杆式空压机的风险性评价

故障模式和影响分析法（Failure Mode and Effects Analysis，以下简写为FMEA）是一种可以根据故障因素、危害性、发生概率、发现概率等指标对系统进行风险性分析的方法。

利用FMEA进行风险性分析时，需要对故障因素的危害性、发生概率、发现概率等指标进行量化。其中，危害性量化标准为1～5，危害度越来越高；发生概率量化标准为0～1，数值越高代表越有可能发生；发现概率量化标准为0～1，数值越高代表越有可能被发现。最终的风险性是计算危害度、发生概率和发现概率的乘积大小。

根据上述故障因素分析，进行FMEA评价，结果见表2。

表2 空压机的FMEA分析结果

对表2中空压机的FMEA评价结果进行分析，可以发现，各类阀体的发生概率和危害度较大，导致风险性较高；因此，空气滤芯、油气分离器以及各类控制阀应定期检查，对达到使用上限和损坏部件及时进行替换。液压油温度异常的风险性较大，而且其发生概率也较大；这是由于受各种因素影响，矿井温度较高，因此对环境温度的控制十分必要。此外，冷却水温过高风险性较大，应对冷却水的温度和水质进行管控，避免高温和杂质堵塞。

5 结语

螺杆式空压机对矿井日益增加的设备需求是必不可少的辅助设备之一，通过对螺杆式空压机的结构构成和易导致故障的因素进行分析，采用故障树分析法将各类因素建立为故障树模型。根据故障树分析的结果，进一步进行了基于FMEA的风险性评价，并提出了一些针对性措施。