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摘要由于采煤機電機的使用環(huán)境及工況復雜，常發(fā)生軸承裝置損壞、對地絕緣電阻低、繞組燒毀等主要故障，從而引起采煤機事故停機、不能運行，維修難度大且過程繁瑣，嚴重影響企業(yè)的采煤效率，對井下設備的安全運行也造成嚴重威脅。以某公司近五年出廠產(chǎn)品問題統(tǒng)計為基礎，利用ＦＭＥＡ表格和ＣＡ危害矩陣分析方法進行ＦＭＥＣＡ失效模式分析，并與其他文獻研究成果對比，最終確定采煤機電機的主要失效部件，為采煤機電機的可靠性設計奠定基礎。

關鍵詞采煤機電機；ＦＭＥＣＡ；故障模式

０引言

隨著全球?qū)?a href="http://www.rqylqx.com/article/825994.html" target="_blank">煤礦資源的急劇開采，煤礦用采煤機被各國廣泛采用。在煤礦開采的各個環(huán)節(jié)，采煤機電機時常處于長期時間運行下，且工作在重載、高濕和頻繁啟動等復雜工況，會引起采煤機電機受到周期性過載、劇烈振動，加之井下環(huán)境惡劣，有潮濕、淋水環(huán)境，還有瓦斯和煤塵的影響，電機時常出現(xiàn)軸承損壞、絕緣電阻低、電機燒毀等故障，導致采煤機不能正常工作，維修難度大且過程繁瑣，嚴重影響企業(yè)的采煤效率，對井下設備的安全運行也造成嚴重威脅。國產(chǎn)采煤機電機發(fā)展速度很快，但在產(chǎn)品可靠性上與國際先進的采煤機電機相比，還存在較大的差距，一些有實力的煤礦，在裝備高產(chǎn)高效工作面時，還是傾向于選用國外進口采煤機電機。因此，采用科學有效的措施和方法，開展采煤機電機的故障問題分析，是加強煤礦用采煤機電機可靠性、提高煤炭公司采煤效率和保障煤礦井下作業(yè)安全的核心。本文通過對采煤機電機進行故障模式影響及危害性分析（ＦＭＥＣＡ），確定電機的主要失效部件，在進行電機設計時，將主要失效部件作為可靠性設計的核心。ＦＭＥＣＡ分析是可靠性設計分析的一個重要科目，同時也是開展產(chǎn)品安全性設計、測試性設計和維修性設計等產(chǎn)品六性設計分析的基礎。采煤機電機包括若干個零部件，各個零部件都有可能發(fā)生失效，其失效機理也不一樣，因此電機的失效機理具有多樣性和復雜性的特點。工程實際中，產(chǎn)品的薄弱地方是影響其使用壽命與運行可靠性的關鍵因素。

１ＦＭＥＣＡ分析思路

以某公司近五年出廠產(chǎn)品問題統(tǒng)計為基礎，利用ＦＭＥＡ表格和ＣＡ危害矩陣分析方法進行ＦＭＥＣＡ失效模式分析，并與其他文獻研究成果對比，最終確定采煤機電機的主要失效部件。ＦＭＥ?ＣＡ分析流程如圖１所示。

２分析對象的組成及約定層次

分析對象的組成：采煤機電機由定子、轉(zhuǎn)子、軸承裝置、接線裝置等組成（如圖２所示）。約定層次分級：“初始約定層次”為煤礦用采煤機電機，“約定層次”及“最低約定層次”的分級如圖２所示。

３繪制任務可靠性框圖任務可靠性框圖如圖３ 所示。

４嚴酷度類別定義

根據(jù)參考文獻［１］，ＧＪＢ／Ｚ１３９１—２００６《故障模式、影響及危害性分析指南》中嚴酷度類別的定義和電機各零部件的故障影響，定義電機嚴酷度類別如表１所示。

５故障發(fā)生概率的等級劃分

定性的危害性矩陣法將每一個故障模式的發(fā)生可能性分級為離散的級別，然后按照定義的級別對每一故障模式進行相應評定。參考文獻［１］，ＧＪＢ／Ｚ１３９１—２００６《故障模式、影響及危害性分析指南》中將故障模式出現(xiàn)概率的大小分為Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ五個級別，各級別定義如表２所示。

６填寫ＦＭＥＣＡ表格

根據(jù)某公司近５年共３６２臺采煤機電機現(xiàn)場運行情況，繪制ＦＭＥＣＡ故障模式影響及危害性分析表，這里我們將ＦＭＥＡ、ＣＡ表合并成一個ＦＭＥＣＡ表，使其更簡明、直觀，如表３所示。

７繪制危害性矩陣

從圖４可知，該電機共１３個故障模式，其中嚴酷度為Ⅰ類的故障模式有２個、Ⅱ類的故障模式有４個?？紤]發(fā)生概率的因素，在圖中１３個故障模式向?qū)蔷€進行投影后，投影點至原點的距離作為評定故障模式危害性大小的依據(jù)，可以清晰看出危害性程度的故障模式排序如表４所示（注：序號從１至８危害性依次降低）。從表４可以看出，識別號１０２（繞組）和３０１（軸承）危害性最大，說明絕緣和軸承是采煤機電機可靠性薄弱環(huán)節(jié)，識別號４０２（接線端子）、３０２（潤滑脂）、３０３（油封）危害性較大，在電機設計時需要關注。

８總結(jié)主要故障模式

對于在ＦＭＥＣＡ中的主要故障模式（嚴酷度為Ⅰ、Ⅱ類的故障模式），原因分析及應對措施：（１）１０２（繞組）：此類故障直接因素有：礦井下工作條件復雜，環(huán)境惡劣，有高度潮濕、大量淋水工況，有瓦斯氣體和煤炭粉塵的影響，從而煤炭粉塵和潤滑油及淋水容易進入采煤機電機的內(nèi)部，造成繞組對地絕緣電阻低；超載甚至滿載頻繁啟動，頻繁啟動時的大電流沖擊極易對絕緣造成影響；頻繁過載，采煤機工況復雜，過載現(xiàn)象時有發(fā)生，造成電機絕緣老化急劇加速。據(jù)了解，采煤機電機過載５０％～１００％現(xiàn)象也算正常；溫升過高導致絕緣性能下降，溫升高多由電源質(zhì)量差（如變頻器諧波含量過高、電壓波形畸變）和負載惡劣（頻繁啟動、頻繁過載）引起。設計時適當放大熱設計余量，并采用耐溫性能好的絕緣體系，成熟的絕緣結(jié)構(gòu)，選用質(zhì)量較穩(wěn)定的絕緣材料，提升絕緣可靠性。（２）３０１（軸承）：此類故障直接因素有：煤塵和機械油及泥水雜物容易進入電機軸承室內(nèi)；軸承及潤滑脂選型不合適；軸承保養(yǎng)（加脂、監(jiān)聽異響）不及時。因此在進行軸承設計時，應充分考慮負載情況，選用適當?shù)妮S承及潤滑脂，確保軸承載荷適當，盡可能提升軸承配合件加工精度；根據(jù)以往軸承失效情況，負載與電機對接精度，是否定期維護等因素對軸承均有影響，需引起注意。（３）４０２（接線端子）：在電機使用過程中長時間處于振動作業(yè)狀態(tài)，以及輸出電流過大而產(chǎn)生較多熱量，都會導致接線處發(fā)生松動或脫落現(xiàn)象。設計時適當放大熱設計余量及防松設計，采用成熟的壓接或焊接工藝。（４）４０３（引接線）：引接線端接處為電機導電部件的薄弱環(huán)節(jié)，尤其電機頻繁啟動或過載導致經(jīng)常產(chǎn)生大電流的情況下，易發(fā)生此類故障；設計時通過適當放大引接線規(guī)格，進而降低該部分發(fā)熱，并提高引接線與接線端子的壓接工藝。（５）１０１（機座）：此類故障直接因素有：電機溫升高，井下水質(zhì)差，水溫高造成水垢浮著在內(nèi)水道壁上；井下水壓高，超過標準要求的３Ｍｐａ，據(jù)了解，井下實際水壓可能達到１０Ｍｐａ；焊接缺陷，長期運行后缺陷擴大，造成漏水。設計時應考慮現(xiàn)場水質(zhì)水壓情況，選擇適當?shù)耐鈿げ牧?，提高焊接質(zhì)量，必要時增加塞焊孔。（６）２０１（轉(zhuǎn)軸）：此類故障均系結(jié)構(gòu)形變引發(fā)，根本原因多為零部件本身存在制造缺陷，通過合理結(jié)構(gòu)設計、采用適當?shù)墓に囂幚砑皺z測方法，能夠有效降低此類故障率。

９國內(nèi)外電機故障模式研究

根據(jù)ＩＥＥＥ（美國電器及電子工程師學會）工作組對１１４１臺２００馬力以上工業(yè)用電機所作失效統(tǒng)計如表５所示。

１０結(jié)語

通過上述分析對比，可以得出如下結(jié)論：（１）無論是本文某公司產(chǎn)品統(tǒng)計，還是ＩＥＥＥ及煤礦廠統(tǒng)計的信息，繞組和軸承失效率都很高，其他文獻研究成果（根據(jù)參考文獻［３］）中也證實了分析結(jié)果。因此，采煤機電機的主要失效部件為：繞組和軸承，在電機設計時，絕緣結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)應作為可靠性設計的核心。（２）不同應用（工況條件不同）的產(chǎn)品，其故障模式危害性排序也不同?？梢钥闯觯诿旱V用采煤機電機領域，危害性最大的為繞組，但從ＩＥＥＥ統(tǒng)計的工業(yè)電機來看，危害性最大的為軸承。因此在電機進行可靠性設計時，應充分考慮工況及環(huán)境條件的影響。（３）不同電機廠家的同一種類產(chǎn)品，其故障模式危害性排序也不同，說明不同廠家的可靠性設計側(cè)重點不一樣。例如某公司電機產(chǎn)品的接線端子設計相對合理，因此接線端子故障發(fā)生的概率就小于其他廠家。因此在電機進行可靠性設計時，要充分分析公司產(chǎn)品在應用現(xiàn)場的故障情況，有針對性的進行優(yōu)化設計，才能顯著提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻

［１］ＧＪＢ／Ｚ１３９１—２００６故障模式、影響及危害性分析指南．２００６．

［２］李巖．關于采煤機電機運行過程主要故障分析［Ｊ］．礦業(yè)裝備，２０１９．

［３］王文江，孫文清，趙洪亮，等．電牽引采煤機截割電機故障分析［Ｊ］．煤炭技術，２０１４，０３３（００２）：２５?２７．

作者:來海豐 單位:臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司