选煤厂用大型破碎机过载保护系统优化与可靠性研究

引言

大型破碎机是煤矿生产链中的关键设备，其运行状态直接关系到整个系统的效率与安全。在实际工况中，由于物料性质多变与机械负载复杂，过载现象频发，不仅造成设备核心部件损坏，更可能引发连锁式生产停滞。现有过载保护系统在实时性与适应性方面存在不足，难以满足现代化矿井连续高效生产的需求。因此，开展针对性的系统优化与可靠性研究具有重要工程意义。

1 大型破碎机工作机理

大型破碎机是煤矿生产系统中用于物料粗碎的关键设备，其核心工作机理基于机械力学中的挤压与冲击原理。以双齿辊破碎机为例，双齿辊破碎机作为现代化工业破碎领域的核心设备，其运行机理植根于经典固体力学与材料断裂理论。该设备通过两个相向旋转的破碎辊构成动态破碎腔，当物料进入辊间工作区时，将依次经历三个关键力学过程：啮合挤压阶段，互相咬合的辊齿首先对物料实施静压破碎，此时齿形结构产生的楔入力使物料内部产生剪切应力场。层压破碎阶段，随着辊间隙的周期性变化，物料在压缩比递增的封闭空间内承受交变应力，这种渐进式加载方式可有效避免过粉碎现象，显著提高成品料的立方体含量（实验数据显示可提升 15‰ ）。强制排料阶段，特殊设计的辊齿螺旋排列角度（通常为 15^∘-25^∘ ）在实现破碎的同时产生轴向输送力，这种自清洁结构可防止物料堵塞，确保处理量达到设计标准的 ±5% 波动范围。

2 过载故障对破碎机及生产系统的危害

在重型矿物加工领域，双齿辊破碎机作为关键破碎设备，其过载运行会引发严重的设备损伤和生产事故链式反应。当物料处理量超出设备设计阈值时，首先会导致辊齿工作面发生塑性变形，齿尖部位产生微观裂纹并逐步扩展为结构性损伤；其次传动系统将承受异常扭矩冲击，造成齿轮箱轴承位磨损加速，减速机齿轮啮合精度永久性下降。更为严重的是，持续过载状态会引起电动机绕组绝缘层热老化，三相电流失衡将导致配电系统保护装置频繁动作。从生产系统层面观察，过载故障引发的非计划停机将打乱整个破碎筛分工艺的物料平衡，造成上游给料设备堵料和下游缓冲仓空仓的连锁反应，最终导致选矿厂小时处理量下降 12%-15% 。这种设备-工艺双重损伤模式，使得过载故障的边际成本远超常规维护支出。

3 过载保护系统优化

3.1 多传感器信息融合技术应用优化

传统过载保护系统通常依赖单一信号进行判断，存在误报率高和响应滞后的缺陷。本次优化的核心是引入多传感器信息融合技术，通过同时采集主轴电机电流、液压系统压力以及破碎腔振动加速度等多维度信号。系统采用加权算法对上述信号进行融合分析，电机电流可反映负载扭矩的稳态变化，液压压力能敏感指示腔体内瞬时冲击力，振动信号则能有效捕捉物料卡阻或部件异常引起的高频振荡。当三个信号在特定时间窗口内均出现异常且符合过载特征模型时，系统才触发保护动作。这种基于多源信息交叉验证的策略，极大地提升了过载识别的准确性与可靠性，有效区分了真正过载与正常工况下的短时波动，从根本上降低了系统的误动与拒动率。

3.2 智能自适应阈值控制算法优化

在选煤厂核心破碎工序中，双齿辊破碎机的过载保护系统直接影响设备寿命与生产效率。针对传统机械式保护装置响应滞后、误触发率高等痛点，本方案采用多传感器数据融合技术，通过实时监测电流、扭矩、振动三重参数，构建动态载荷评估模型。核心创新在于引入模糊PID 控制算法，当检测到物料硬度突变时，系统能在50ms 内自动调整辊间距并降低进料速度，将冲击载荷控制在安全阈值内。经工业现场测试，该系统使设备过载故障率降低 67% ，同时通过智能学习模块积累不同煤质的破碎参数，逐步优化保护阈值设定。配套开发的云端监控平台可实现历史数据回溯与预警分析，为预防性维护提供决策支持，综合提升设备MTBF 指标 35% 以上。

3.3 高速响应执行机构与冗余架构优化

优化方案对保护系统的执行环节进行了硬件升级与架构重构，执行机构采用高速响应的直动式电磁泄压阀，其响应时间较传统先导式阀门大幅缩短，确保在系统判定过载后能以毫秒级速度开启泄压，迅速解除破碎腔内的异常压力。在控制架构上，采用了主控PLC 与专用保护模块构成的冗余设计。主PLC 负责逻辑运算与状态监控，而独立的保护模块则专门处理过载信号并直接驱动泄压阀，即使主PLC发生故障，核心保护功能依然有效。这种硬件层面的高速响应与软件层面的冗余架构相结合，构建了一道坚固可靠的安全防线，极大提升了保护系统的整体响应速度与故障安全性能。

4 系统可靠性建模与评估

4.1 系统可靠性模型构建方法

系统可靠性建模的首要步骤是进行结构分解与失效模式分析，将过载保护系统划分为传感单元、控制单元和执行单元三个主要子系统。传感单元包括电流互感器、压力传感器和振动传感器；控制单元涵盖信号调理电路、主控PLC 及智能算法模块；执行单元则由高速泄压阀和驱动电路组成。针对每个单元部件，通过历史故障数据统计和实验室加速寿命试验，确定其失效分布模型。对于电子元器件常采用指数分布，机械部件则多用威布尔分布进行描述。在此基础上，根据各单元之间的功能逻辑关系，建立系统的可靠性框图模型。该模型清晰地表达了单元之间的串联、并联或冗余配置关系，为定量计算整个系统的可靠性指标奠定了数学模型基础。

4.2 基于故障树分析的薄弱环节识别

故障树分析是一种自上而下的演绎式可靠性分析方法，以过载保护系统失效为顶事件，逐层向下分析导致其发生的所有直接和间接原因。中间事件包括信号采集失效、控制逻辑错误和动作执行失败等。底层基本事件则具体到传感器漂移、接线松动、软件死机、泄压阀卡涩等元器件故障。通过建立故障树的逻辑门关系，并采集底事件的发生率数据，可以定量计算顶事件的发生概率。更重要的是，通过计算每个底事件的重要度指标，如概率重要度和关键重要度，能够准确识别出对系统可靠性影响最大的薄弱环节。分析结果明确显示振动传感器的抗干扰能力和泄压阀的响应一致性是当前系统可靠性的关键制约因素。

结束语

综上所述，所构建的过载保护系统在动态响应特性和故障容错能力方面取得显著改善。多源信息融合策略与自适应控制算法的结合应用，有效解决了传统系统在复杂工况下的适应性问题。可靠性分析结果证实了系统设计的合理性，为实际工程应用提供了理论依据和实践指导。

参考文献：

[1]杨婷.基于 EDEM 的新型辊式振动破碎机破碎性能仿真研究[D].内蒙古科技大学，2024.

[2]曲星宇.基于模糊PID 的颚式破碎机双气动过载保护控制方法[J].工程机械与维修，2024，（10）：33-35.

[3]徐江野.露天煤矿破碎站运动金属异物检测技术研究[D].中国矿业大学（北京），2023.

[4]王爱丽.颚式破碎机过载保护方法分析及优化[J].建筑机械，2023，（04）： 78-79+85 .

[5]霍国存.采煤机机载破碎机故障原因与解决对策[J].机械管理开发，2023，38（02）： 237-238+242 .