综采工作面液压支架电液控制系统的故障诊断与维护技术研究

一、引言

液压支架电液控制系统作为综采工作面的核心装备，通过计算机程序控制实现支架的自动升降、推移和成组联动，使采煤效率提升 30% 以上。其技术演进经历了从机械手动控制到液压先导控制，再到电液比例控制的三次革命，目前正朝着智能化、网络化方向快速发展。然而，井下高粉尘、强振动、电磁干扰等恶劣环境导致系统故障频发，据统计，电液控制系统故障占液压支架总故障的 65% 以上，直接影响煤矿生产安全与经济效益。

二、系统结构与故障机理分析

2.1 系统构成与工作原理

电液控制系统由控制器、传感器网络、电液阀组和通信总线构成。以PM32 系统为例，其采用分布式控制架构，每台支架配备独立控制器，通过 12V直流总线与隔离耦合器互联，实现数据传输与指令下发。传感器网络包括压力传感器（量程 _0-60MPa ，精度 ±0.5% ）、行程传感器（分辨率 0.1mm ）和红外传感器（检测距离 0-10m ），实时采集支架状态参数并上传至主控计算机。主控计算机运行基于LabVIEW开发的监控软件，经算法处理后生成控制指令，驱动电液阀组完成动作。电液阀组采用比例电磁铁控制技术，通过调节输入电流（ 0-24mA ）实现阀芯开度的连续调节，进而控制液压缸的运动速度和位置精度。

2.2 故障分类与成因

2.2.1 液压系统故障

乳化液污染：铁法能源集团案例显示，未安装过滤器的电液换向阀组故障率高达42% ，主要因杂质堵塞先导阀芯导致动作失灵。乳化液中颗粒尺寸超过 25μmμy ，阀芯磨损速率增加3 倍，密封件寿命缩短 50% 。

密封失效：推移油缸密封损坏占液压故障的 28% ，表现为内泄导致支架动作缓慢或失控。密封失效的主因包括：橡胶材质老化（温度 >80% 时加速）；装配应力集中（倒角半径 <0.5mm 时易产生裂纹）；液压冲击（压力峰值超过额定值2 倍时密封易损坏）。

泵站压力异常：乳化液泵站输出压力低于 25MPa时，支架初撑力不足，易引发顶板事故。压力异常的常见原因包括：溢流阀调定压力偏低（设定值应比工作阻力高10%-15% ）；吸液管路漏气（真空度需 >0.03MPa ）；柱塞泵磨损（容积效率下降至 85% 以下需更换）。

2.2.2 电气系统故障

通信中断：阳泉煤矿 71506 工作面曾因总线电缆破损导致数据丢失，引发支架群组误动作。通信故障的典型表现包括：控制器显示“BUS OFF”报警；支架动作延迟>1s ；传感器数据无法更新。

电磁干扰：采煤机启停产生的电场扰动可使控制器输入电压波动 ±15% ，导致敏感元件失效。干扰源主要包括：变频器（谐波含量 >10% 时需加装滤波器）；接触器（触点抖动产生高频噪声）；动力电缆（与信号电缆间距 <300mm 时耦合干扰）。

传感器故障：行程传感器探头积尘或线路老化占电气故障的 35% ，表现为数据漂移或无输出。以红外传感器为例，其失效模式包括：发射管老化（光强衰减至初始值的 50% 时需更换）；接收管污染（透光率 <70% 时灵敏度下降）；线路断路（接触电阻>1Ω 时信号中断）。

2.2.3 机械结构故障

支架歪斜：底板遇水软化导致支架钻底，承受顶板压力能力下降，易引发倾倒事故。钻底深度超过 200mm 时，支架稳定性系数降低至0.7 以下（安全值需 >1.2 ）。

阀组卡滞：电液控制阀阀芯磨损或杂质嵌入导致换向失灵，占机械故障的 41% 。卡滞的力学机理可通过Stribeck曲线分析，当润滑状态进入混合摩擦区时，摩擦力急剧上升导致动作阻滞。

三、多技术融合的故障诊断方法

构建Hadoop分布式故障数据库，集成压力、流量、温度等 200 余项参数，通过机器学习算法建立故障特征模型。具体实现步骤如下：

3.1 数据采集与预处理

在泵站、阀组、液压缸等关键部位部署传感器，采样频率设为 100Hz ，数据经ZigBee无线传输至网关，再通过光纤上传至云端。采用小波阈值去噪算法消除高频噪声，信噪比提升 12dB_⨀ 。

3.2 特征提取与选择

对压力信号提取时域特征（均值、方差、峰值）和频域特征（主频、谐波成分），利用主成分分析（PCA）降维，保留累计贡献率 >95% 的主成分。

3.3 模型训练与验证

铁法能源集团采用随机森林算法对历史故障数据训练，设置树深度为15，节点最小样本数为 5，交叉验证准确率达 92% 。实际应用中，模型对电磁阀内泄故障的识别时间缩短至3 秒内。

四、系统维护策略与优化

4.1 预防性维护体系

4.1.1 水质管理

采用PE管输送纯净水，硬度控制在 ⩽150mg/L ，并安装软化装置降低钙镁离子含量。铁法能源集团实施该措施后，电液阀组寿命延长至18 个月，较之前提升 60% 。水质检测标准如下：

4.1.2 定期清洗与反冲

双滤芯反冲洗过滤器每日清洗一次，高压过滤站每周反冲一次，确保乳化液清洁度达NAS7 级（颗粒尺寸 ⩽5μ m的颗粒数 ⩽1600 个 /100mL ）。反冲流程如下：关闭过滤器进出口阀门；打开反冲排污阀；启动反冲泵，压力设为 0.8MPa ；反冲时间持续 5 分钟，观察排出液清澈后停止。

4.1.3 电气屏蔽优化

通信电缆采用双绞屏蔽结构（STP），屏蔽层接地电阻 ⩽0.5Ω ，并增设滤波装置抑制电源干扰。阳泉煤矿应用后，控制器误动作率下降 67% ，具体措施包括：变频器输出端加装LC滤波器（ L=1mH ， C=10μF ）；动力电缆与信号电缆分层敷设，间距 ⩾300mm ；控制器电源输入端增加磁环滤波器（磁导率 >5000μH/m) 。

4.2 应急处理流程

4.2.1 单架手动操作

电磁阀故障时，通过邻架控制器切换至手动模式，利用机械闭锁确保操作安全。操作步骤如下：按下邻架控制器的“手动/自动”切换按钮；旋转操作阀至目标位置（如“升柱”）；观察压力表读数，达到额定值后锁定阀柄；故障排除后，切换回自动模式并复位。

4.2.2 急停与闭锁机制

按下控制器急停按钮后，系统自动切断电磁阀电源，并通过行程开关锁定支架位置，防止误动作。急停回路采用双通道冗余设计，任一通道触发均可触发保护，响应时间 <50ms 。

4.2.3 备件快速更换

建立关键部件（如电液阀组、传感器）的库存预警机制，确保故障发生后 2 小时内完成更换。备件管理策略包括：按故障概率排序储备备件（电液阀组 > 压力传感器> 行程传感器）；采用RFID标签实现备件全生命周期追踪；与供应商建立VMI（供应商管理库存）模式，缩短补货周期。

结论

本文提出的故障诊断与维护技术体系，通过多技术融合实现故障的精准定位与快速处理，结合预防性维护策略显著提升系统可靠性。未来，随着数字孪生与 5G技术的深入应用，液压支架电液控制系统将向智能化、自适应方向持续演进，为煤矿安全生产提供更强保障。

参考文献：

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