煤矿掘进机机电系统故障诊断与安全保障研究

牛红伟、张强

内蒙古仲泰能源集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000

摘 要：井下掘进机是煤矿巷道开拓的核心装备，其机电系统长期处于高粉尘、高湿、强振动及重载冲击的恶劣工况中，各功能部件易出现性能衰减与各类故障，严重影响掘进效率与井下作业安全。本文以掘进机机电系统为研究对象，系统梳理机械、液压、电气控制等系统的典型故障类型，从环境侵蚀、载荷冲击、装配精度、运维质量等方面剖析故障诱因与演化规律。结合现场运维经验，构建直观排查与仪器检测相结合的分层故障诊断体系，明确关键部件标准化维修工艺。从状态监测、规范操作、预防性维护、安全防护与应急建设维度搭建全周期安全运行保障体系。研究成果可有效提升设备故障诊断精度、降低故障率，保障井下掘进作业安全稳定，为掘进机精细化运维提供工程参考。

关键词：井下掘进机；机电系统；故障诊断；维修工艺；安全保障

Research on Fault Diagnosis and Safety Guarantee of Electromechanical System of Underground Roadheader

Abstract:Roadheaders are core equipment for roadway excavation in coal mines. Their electromechanical systems operate long-term under harsh working conditions featuring heavy dust, high humidity, intense vibration and heavy load impacts, which easily cause performance degradation and various faults in functional components, seriously undermining excavation efficiency and underground operation safety. Taking the electromechanical system of roadheaders as the research object, this paper systematically sorts out typical fault types of mechanical, hydraulic, electrical control and other subsystems, and analyzes fault causes and evolution rules from the perspectives of environmental erosion, load impact, assembly accuracy and operation & maintenance quality. Combined with on-site maintenance experience, a hierarchical fault diagnosis system integrating visual inspection and instrument detection is established, and standardized maintenance procedures for key components are formulated. A full-cycle safety operation guarantee system is constructed covering condition monitoring, standardized operation, preventive maintenance, safety protection and emergency response. The research findings can effectively improve the accuracy of equipment fault diagnosis, reduce failure rates, ensure the safe and stable operation of underground excavation work, and provide engineering references for refined operation and maintenance of roadheaders.

Key words: Underground Roadheader; Electromechanical System; Fault Diagnosis; Maintenance Technology; Safety Guarantee

1 前言

井下掘进机是煤矿巷道掘进的核心装备，集机械、液压、电气控制与安全监测于一体，其运行稳定性直接影响矿井掘进效率与安全生产水平。井下空间狭小、高粉尘、高湿的恶劣环境，加之设备长期重载截割、频繁启停，极易引发传动失效、液压泄漏、电气故障、保护失灵等问题，不仅会造成设备停机、延误施工进度，还可能诱发井下安全事故，威胁作业人员生命安全。随着煤矿智能化建设推进，掘进设备向大功率、集成化、自动化升级，对机电系统可靠性、故障诊断效率与应急处置能力提出更高标准。目前多数矿井仍沿用传统运维模式，存在故障诊断依赖人工经验、维修工艺不规范、预防性管控缺失、安全制度不完善等问题，设备故障复发率高、服役周期缩短，制约矿井安全生产。基于现场运维痛点，本文围绕掘进机机电系统故障机理、诊断方法、标准化维修工艺及安全保障体系展开研究，推动运维模式从被动抢修向主动预防转型，对提升设备精细化运维水平、保障井下安全高效掘进具有重要工程价值[1]。

2 井下掘进机机电系统常见故障类型及成因分析

2.1 机械传动系统故障分析

机械传动系统是掘进机作业的核心执行结构，主要包括截割部、行走部、装载转运部及回转支撑机构，是设备故障高发模块，故障多表现为运转异响、振动超标、传动失效、部件卡滞等，直接影响设备作业精度与运行稳定性。其中截割部故障最为频发，硬岩截割时的瞬时冲击载荷、截割参数匹配不当，易造成截齿崩裂脱落、齿座磨损开裂；减速器因润滑不足、油液污染、装配偏差，会出现齿轮点蚀、轴承磨损等问题，引发传动效率下降、壳体升温、周期性异响；主轴花键磨损、轴承预紧力失调，会造成主轴窜动、整机振动加剧，严重时导致设备停机。行走部故障主要表现为设备跑偏、行走无力、履带脱落，巷道底板起伏、矸石卡阻、履带张紧力不足、液压马达扭矩异常是主要诱因，长期运行会造成轮体磨损、链条断裂。装载转运部多出现刮板链卡滞、断裂问题，大块矸石冲击、润滑失效、链轮磨损超限是核心原因，直接降低装载效率、增加停机频次。整体来看，机械系统故障多由冲击载荷、疲劳磨损、润滑失效、装配不规范导致，具有渐进性、耦合性特征，早期隐性隐患难以识别，持续恶化易引发结构性设备损坏。

2.2 液压系统故障分析

液压系统为掘进机所有作业动作提供动力支撑，其运行状态直接决定设备操控精度与作业稳定性，常见故障包括系统压力不足、流量异常、油液泄漏、动作迟缓、油温过高等。系统压力偏低、执行机构无力是最普遍故障，主要因液压泵配油盘磨损、吸油管路进气、过滤器堵塞、溢流阀卡滞失效导致，柱塞泵内部磨损会大幅降低容积效率，负载升高时压力快速衰减，管路进气还会引发压力波动、泵体异响等问题。高压管路、油缸密封件老化破损，会引发内外泄漏，不仅造成油液损耗、环境污染，还会导致执行机构动作滞后、定位失准。同时，设备长期重载运行、冷却器被粉尘水垢堵塞，会造成油温持续升高，加速密封件老化、油液氧化变质，形成故障恶性循环。液压故障具备隐蔽性、传导性特点，单一故障往往涉及泵、阀、油缸、管路多个环节，需结合多参数综合排查。

2.3 电气与控制系统故障分析

电气与控制系统是掘进机的控制中枢，承担动力传输、动作控制、状态监测、安全保护等核心功能，故障具有突发性、高危险性特征，易引发设备停机、操作失控甚至重大安全事故。电机故障主要表现为过热、异响、无法启动、绕组烧毁，井下潮湿环境会降低绕组绝缘电阻，引发漏电、短路故障；长期过载、散热不畅、轴承润滑失效，会加速电机绝缘老化损坏。供电系统常见电缆破损漏电、接线端子烧蚀、缺相运行等故障，井下设备挤压、刮蹭易造成电缆绝缘破损，产生的电气火花存在瓦斯爆炸隐患，接线松动、接触不良则会引发局部过热、断电停机。控制系统故障多为PLC程序紊乱、传感器失灵、通讯中断，粉尘、潮气侵入电控模块、电网电压波动，会导致设备控制失效；传感器受振动、线路虚接影响，易出现数据漂移、采集失灵，造成安全保护装置误动或拒动。同时，电控箱密封不严、操作按钮接触不良等问题，也会严重影响设备运行安全。

3 井下掘进机机电系统故障诊断方法

3.1 直观诊断法

直观诊断法是井下现场应急排查故障的基础手段，依托检修人员经验，通过看、听、摸、测、试五种方式快速判定故障范围，无需精密仪器，适配井下快速初判与应急处置。“看”即观察设备外观、管路、线路状态，检查截齿、履带等部件完好度，查看液压渗漏、电控指示灯、电缆破损情况，判断油液质量与油位；“听”即辨别设备运行异响，通过金属撞击、摩擦、气蚀等异常声响，初步判定齿轮、轴承、液压泵、电机等部件故障；“摸”即感知设备温度与振动，部件温度超标、振动异常可预判过载、磨损、部件松动等隐患；“测”即借助万用表、压力表等简易工具，检测供电参数、液压压力，排查基础故障；“试”即通过空载、点动、分步加载操作，验证设备动作响应，区分故障与负载的关联关系。该方法高效便捷，但仅能识别显性故障，对早期隐性隐患排查能力有限[4]。

3.2 仪器检测诊断法

仪器检测诊断法可弥补人工直观诊断的短板，依托专业设备实现故障定量检测，精准识别早期隐性故障与复杂隐患。振动检测通过采集减速器、电机、截割臂振动信号，经频谱分析精准判断齿轮磨损、轴承点蚀、转子不平衡等故障；红外测温可快速扫描核心部件温度，定位异常温升点，识别过载、接触不良等问题。液压系统通过专用仪器检测压力、流量、油温、油液污染度，精准判定泵阀内泄、管路堵塞等故障；电气系统利用兆欧表、示波器、PLC编程器，检测设备绝缘性能、电路波形与故障代码，快速定位控制回路故障。此外，油液光谱、铁谱分析可检测油液金属磨粒含量，预判内部部件磨损程度，实现故障提前预警，大幅提升复杂故障的诊断精度与效率。

3.3 标准化故障诊断流程

井下掘进机故障诊断严格遵循“安全优先、先易后难、先外后内、先电后液、先机械后控制”的核心原则，标准化流程可有效规避漏诊、误诊与盲目拆解问题。首先开展安全闭锁作业，切断设备电源与液压动力，检测瓦斯浓度、释放系统残余压力，落实安全防护措施；其次通过直观诊断初步区分机械、液压、电气故障类型，排除操作失误、油位过低等简单问题；随后依托专业仪器对故障模块精准检测，对比标准参数锁定故障诱因；再按照先附件后主件、先外部后内部的顺序分步拆解验证，确认部件损坏位置与程度；最后结合设备工况、运维记录、部件寿命，综合分析故障根源，制定针对性维修、配件更换与调试方案。标准化诊断流程可有效缩短故障处置时长，避免设备二次损坏，提升检修质量[2]。

4 井下掘进机机电系统关键部件维修工艺

4.1 机械传动部件维修工艺

机械传动部件维修严格执行“拆卸—清洗—检测—修复—装配—调试”的标准化流程。截割部维修需提前标记部件位置，彻底清洗减速器、主轴、齿轮等核心部件，轻微磨损部件可抛光修复，超限损坏配件必须更换；主轴变形、磨损超差可采用校正、激光熔覆工艺修复，轴承采用高温热装工艺装配，精准控制预紧力与齿轮啮合间隙，做好密封防渗处理[5]。截割头重点更换破损截齿、堆焊修复磨损齿座，保证安装牢固、角度精准。行走部与装载部需检测履带、链轮、链条磨损状态，更换超限部件，调整链条张紧度，清除内部卡滞矸石，装配后手动调试无卡滞、无异响方可试运行。机械维修核心在于严控装配精度、配合间隙与紧固力矩，从根源消除振动、异响、传动失效等隐患。

4.2 液压系统部件维修工艺

液压系统维修以消除泄漏、稳定压力流量、保障油液清洁为核心。维修前释放系统压力、标记管路避免错接，拆解清洗液压泵、换向阀、油缸等核心部件，轻微磨损部件研磨修复，严重损坏配件直接更换。油缸维修需全部更换老化密封件，抛光修复轻微拉伤的活塞杆，杜绝内外泄漏；阀组需清洗阀芯、阀块，精准整定溢流阀压力，保障调压灵敏。定期清理冷却器水垢与表面粉尘，疏通堵塞管路，保障散热效果。液压油更换严格执行三过滤原则，选用适配井下工况的抗磨液压油。所有维修作业完成后，需通过空载、负载双重调试，确保系统压力稳定、动作精准、无泄漏异响，保障液压系统稳定运行。

4.3 电气与控制部件维修工艺

电气维修严格遵守井下防爆作业规范，坚守安全防爆、绝缘可靠的核心原则。电机维修先检测绝缘电阻，受潮部件及时烘干处理，烧毁绕组重新绕制，更换损坏轴承与配件，装配后做好密封防护。电缆破损处采用阻燃热缩管修补或整体更换，清理接线端子氧化层并紧固螺栓，保障线路接触良好、符合防爆标准。电控箱维修需提前断电、放电、检测瓦斯，清理内部积尘潮气，更换烧蚀、失灵的PLC模块、接触器、传感器等元件，修复破损防爆面。维修完成后，精准整定漏电、过载、欠压等保护参数，通电测试设备控制与保护功能，确保无漏电、短路、操控失灵等隐患，全方位保障电气控制系统安全稳定运行[3]。

5 井下掘进机安全运行保障体系

5.1 设备状态监测与预防性维护

常态化监测与预防性维护是规避设备突发故障的核心手段。本文构建“在线监测+人工巡检”双重监测体系，在电机、减速器、液压泵等核心部位加装传感设备，实时采集温度、振动、压力等运行参数，实现隐患自动预警；同时落实班前、班中、班后三次巡检制度，重点排查部件磨损、管路泄漏、电气连接、保护装置状态，发现异常立即停机处置。建立分级预防性维护机制，日常做好设备清洁、紧固、润滑、调整等基础养护，按照设备运行时长落实500小时小修、2000小时中修、8000小时大修制度，逐级完成易损件更换、隐患排查与精度校正。建立设备全生命周期健康档案，记录运行、维护、故障处置数据，实现运维可追溯，规范润滑与配件管理，从源头降低设备故障率，延长设备服役周期。

5.2 操作规范与安全管控

规范作业与精细化管控可有效规避人为因素引发的设备故障与安全事故。针对掘进机全作业流程制定标准化操作规程，明确开机前、运行中、停机后各项安全要求：开机前检测瓦斯浓度、检查防护装置、确认作业环境安全；运行中匹配煤岩工况调控截割参数，严禁超负荷、违章作业；停机后做好设备复位、断电闭锁与运维记录。严格落实检修作业安全确认制度，所有故障处置、设备检修必须执行断电、闭锁、瓦斯检测措施，严禁带电带压作业。强化作业人员资质管理与技能培训，定期开展操作、检修、应急处置演练，落实“一人操作、一人监护”制度，规范现场作业环境，保障巷道通风、照明、降尘达标，全面提升现场安全管控水平。

5.3 安全防护与应急保障体系

完善的安全防护与应急机制是设备安全运行的兜底保障。全面配齐设备安全防护装置，在传动部位加装防护设施，完善紧急停机按钮与瓦斯断电、漏电闭锁、过载超温等保护装置，确保故障状态下设备自动停机防护。常态化开展防爆检测，严控电气设备失爆风险，优化井下作业环境，保障瓦斯、粉尘浓度达标。同时建立专项应急处置机制，针对机械卡钻、液压爆裂、电气故障、井下火灾等高频事故，制定标准化应急预案，明确处置流程、责任分工与避险路线。配齐应急抢险物资与器材，常态化开展应急演练，规范故障闭环处置流程，设备检修后必须逐项验收参数与安全性能，合格后方可投用，全方位筑牢井下掘进作业安全防线。

6 结论

本文以井下掘进机机电系统为研究对象，系统分析了机械传动、液压驱动、电气控制三大核心系统的高频故障类型、诱因及演化规律，结合井下复杂工况，构建了“直观预判+仪器精测”的分层故障诊断体系，制定了各关键部件标准化维修工艺与质量控制标准，搭建了涵盖状态监测、规范操作、预防性维护、安全防护、应急处置的全周期安全运行保障体系。研究结果表明，井下恶劣作业环境、设备重载冲击、润滑养护不当、运维装配不规范及人员违章操作是掘进机故障高发的核心原因；分层故障诊断方法可快速精准定位故障根源，标准化维修工艺能有效修复设备性能、降低故障复发率，全维度安全保障体系可显著提升设备运行稳定性，规避井下安全生产风险。

本文研究立足煤矿井下现场实际，摒弃空泛理论，聚焦实操性与实用性，可为掘进机故障排查、标准化维修、现场安全管控提供直接的工程指导。后续可结合智能化监测、大数据分析、智能诊断等新兴技术，优化设备早期故障预警与精准处置能力，进一步完善智能运维体系，推动煤矿掘进设备运维管理向智能化、精细化、高效化转型，为井下安全、高效、连续掘进作业提供坚实的技术支撑。

参考文献：

[1]郭文强.煤矿井下掘进机机电故障诊断与维护[J].能源与节能,2024,(08):204-206.

[2]孟铁柱.一种矿用掘进机电机常见故障的诊断技术[J].装备制造技术,2024,(07):136-138.

[3]龙腾肖.井下掘进机视觉定位及控制技术的研究[J].机械工程与自动化,2025,54(03):176-178.

[4]李晶文.煤矿井下掘进机电气设备的节能措施探究[J].矿业装备,2022,(06):181-183.

[5]张蒙.煤矿掘进机电气控制系统研究[J].能源与节能,2025,(10):145-147+151.