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摘要由于采煤機(jī)電機(jī)的使用環(huán)境及工況復(fù)雜，常發(fā)生軸承裝置損壞、對(duì)地絕緣電阻低、繞組燒毀等主要故障，從而引起采煤機(jī)事故停機(jī)、不能運(yùn)行，維修難度大且過(guò)程繁瑣，嚴(yán)重影響企業(yè)的采煤效率，對(duì)井下設(shè)備的安全運(yùn)行也造成嚴(yán)重威脅。以某公司近五年出廠產(chǎn)品問(wèn)題統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，利用ＦＭＥＡ表格和ＣＡ危害矩陣分析方法進(jìn)行ＦＭＥＣＡ失效模式分析，并與其他文獻(xiàn)研究成果對(duì)比，最終確定采煤機(jī)電機(jī)的主要失效部件，為采煤機(jī)電機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞采煤機(jī)電機(jī)；ＦＭＥＣＡ；故障模式

０引言

隨著全球?qū)?a href="http://m.bjhyfc.net/article/825994.html" target="_blank">煤礦資源的急劇開(kāi)采，煤礦用采煤機(jī)被各國(guó)廣泛采用。在煤礦開(kāi)采的各個(gè)環(huán)節(jié)，采煤機(jī)電機(jī)時(shí)常處于長(zhǎng)期時(shí)間運(yùn)行下，且工作在重載、高濕和頻繁啟動(dòng)等復(fù)雜工況，會(huì)引起采煤機(jī)電機(jī)受到周期性過(guò)載、劇烈振動(dòng)，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(jī)時(shí)常出現(xiàn)軸承損壞、絕緣電阻低、電機(jī)燒毀等故障，導(dǎo)致采煤機(jī)不能正常工作，維修難度大且過(guò)程繁瑣，嚴(yán)重影響企業(yè)的采煤效率，對(duì)井下設(shè)備的安全運(yùn)行也造成嚴(yán)重威脅。國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)電機(jī)發(fā)展速度很快，但在產(chǎn)品可靠性上與國(guó)際先進(jìn)的采煤機(jī)電機(jī)相比，還存在較大的差距，一些有實(shí)力的煤礦，在裝備高產(chǎn)高效工作面時(shí)，還是傾向于選用國(guó)外進(jìn)口采煤機(jī)電機(jī)。因此，采用科學(xué)有效的措施和方法，開(kāi)展采煤機(jī)電機(jī)的故障問(wèn)題分析，是加強(qiáng)煤礦用采煤機(jī)電機(jī)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(guò)對(duì)采煤機(jī)電機(jī)進(jìn)行故障模式影響及危害性分析（ＦＭＥＣＡ），確定電機(jī)的主要失效部件，在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，將主要失效部件作為可靠性設(shè)計(jì)的核心。ＦＭＥＣＡ分析是可靠性設(shè)計(jì)分析的一個(gè)重要科目，同時(shí)也是開(kāi)展產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)、測(cè)試性設(shè)計(jì)和維修性設(shè)計(jì)等產(chǎn)品六性設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)。采煤機(jī)電機(jī)包括若干個(gè)零部件，各個(gè)零部件都有可能發(fā)生失效，其失效機(jī)理也不一樣，因此電機(jī)的失效機(jī)理具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)。工程實(shí)際中，產(chǎn)品的薄弱地方是影響其使用壽命與運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵因素。

１ＦＭＥＣＡ分析思路

以某公司近五年出廠產(chǎn)品問(wèn)題統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，利用ＦＭＥＡ表格和ＣＡ危害矩陣分析方法進(jìn)行ＦＭＥＣＡ失效模式分析，并與其他文獻(xiàn)研究成果對(duì)比，最終確定采煤機(jī)電機(jī)的主要失效部件。ＦＭＥ?ＣＡ分析流程如圖１所示。

２分析對(duì)象的組成及約定層次

分析對(duì)象的組成：采煤機(jī)電機(jī)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(jí)：“初始約定層次”為煤礦用采煤機(jī)電機(jī)，“約定層次”及“最低約定層次”的分級(jí)如圖２所示。

３繪制任務(wù)可靠性框圖任務(wù)可靠性框圖如圖３ 所示。

４嚴(yán)酷度類別定義

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

５故障發(fā)生概率的等級(jí)劃分

定性的危害性矩陣法將每一個(gè)故障模式的發(fā)生可能性分級(jí)為離散的級(jí)別，然后按照定義的級(jí)別對(duì)每一故障模式進(jìn)行相應(yīng)評(píng)定。參考文獻(xiàn)［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(gè)級(jí)別，各級(jí)別定義如表２所示。

６填寫(xiě)ＦＭＥＣＡ表格

根據(jù)某公司近５年共３６２臺(tái)采煤機(jī)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(gè)ＦＭＥＣＡ表，使其更簡(jiǎn)明、直觀，如表３所示。

７繪制危害性矩陣

從圖４可知，該電機(jī)共１３個(gè)故障模式，其中嚴(yán)酷度為Ⅰ類的故障模式有２個(gè)、Ⅱ類的故障模式有４個(gè)?？紤]發(fā)生概率的因素，在圖中１３個(gè)故障模式向?qū)蔷€進(jìn)行投影后，投影點(diǎn)至原點(diǎn)的距離作為評(píng)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(hào)從１至８危害性依次降低）。從表４可以看出，識(shí)別號(hào)１０２（繞組）和３０１（軸承）危害性最大，說(shuō)明絕緣和軸承是采煤機(jī)電機(jī)可靠性薄弱環(huán)節(jié)，識(shí)別號(hào)４０２（接線端子）、３０２（潤(rùn)滑脂）、３０３（油封）危害性較大，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注。

８總結(jié)主要故障模式

對(duì)于在ＦＭＥＣＡ中的主要故障模式（嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類的故障模式），原因分析及應(yīng)對(duì)措施：（１）１０２（繞組）：此類故障直接因素有：礦井下工作條件復(fù)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(rùn)滑油及淋水容易進(jìn)入采煤機(jī)電機(jī)的內(nèi)部，造成繞組對(duì)地絕緣電阻低；超載甚至滿載頻繁啟動(dòng)，頻繁啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊極易對(duì)絕緣造成影響；頻繁過(guò)載，采煤機(jī)工況復(fù)雜，過(guò)載現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成電機(jī)絕緣老化急劇加速。據(jù)了解，采煤機(jī)電機(jī)過(guò)載５０％～１００％現(xiàn)象也算正常；溫升過(guò)高導(dǎo)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(guò)高、電壓波形畸變）和負(fù)載惡劣（頻繁啟動(dòng)、頻繁過(guò)載）引起。設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)放大熱設(shè)計(jì)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(jī)械油及泥水雜物容易進(jìn)入電機(jī)軸承室內(nèi)；軸承及潤(rùn)滑脂選型不合適；軸承保養(yǎng)（加脂、監(jiān)聽(tīng)異響）不及時(shí)。因此在進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮負(fù)載情況，選用適當(dāng)?shù)妮S承及潤(rùn)滑脂，確保軸承載荷適當(dāng)，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(fù)載與電機(jī)對(duì)接精度，是否定期維護(hù)等因素對(duì)軸承均有影響，需引起注意。（３）４０２（接線端子）：在電機(jī)使用過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)作業(yè)狀態(tài)，以及輸出電流過(guò)大而產(chǎn)生較多熱量，都會(huì)導(dǎo)致接線處發(fā)生松動(dòng)或脫落現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)放大熱設(shè)計(jì)余量及防松設(shè)計(jì)，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(jī)導(dǎo)電部件的薄弱環(huán)節(jié)，尤其電機(jī)頻繁啟動(dòng)或過(guò)載導(dǎo)致經(jīng)常產(chǎn)生大電流的情況下，易發(fā)生此類故障；設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)適當(dāng)放大引接線規(guī)格，進(jìn)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(jī)座）：此類故障直接因素有：電機(jī)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的３Ｍｐａ，據(jù)了解，井下實(shí)際水壓可能達(dá)到１０Ｍｐａ；焊接缺陷，長(zhǎng)期運(yùn)行后缺陷擴(kuò)大，造成漏水。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)水壓情況，選擇適當(dāng)?shù)耐鈿げ牧?，提高焊接質(zhì)量，必要時(shí)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(guò)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用適當(dāng)?shù)墓に囂幚砑皺z測(cè)方法，能夠有效降低此類故障率。

９國(guó)內(nèi)外電機(jī)故障模式研究

根據(jù)ＩＥＥＥ（美國(guó)電器及電子工程師學(xué)會(huì)）工作組對(duì)１１４１臺(tái)２００馬力以上工業(yè)用電機(jī)所作失效統(tǒng)計(jì)如表５所示。

１０結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：（１）無(wú)論是本文某公司產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)，還是ＩＥＥＥ及煤礦廠統(tǒng)計(jì)的信息，繞組和軸承失效率都很高，其他文獻(xiàn)研究成果（根據(jù)參考文獻(xiàn)［３］）中也證實(shí)了分析結(jié)果。因此，采煤機(jī)電機(jī)的主要失效部件為：繞組和軸承，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，絕緣結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)應(yīng)作為可靠性設(shè)計(jì)的核心。（２）不同應(yīng)用（工況條件不同）的產(chǎn)品，其故障模式危害性排序也不同。可以看出，在煤礦用采煤機(jī)電機(jī)領(lǐng)域，危害性最大的為繞組，但從ＩＥＥＥ統(tǒng)計(jì)的工業(yè)電機(jī)來(lái)看，危害性最大的為軸承。因此在電機(jī)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮工況及環(huán)境條件的影響。（３）不同電機(jī)廠家的同一種類產(chǎn)品，其故障模式危害性排序也不同，說(shuō)明不同廠家的可靠性設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)不一樣。例如某公司電機(jī)產(chǎn)品的接線端子設(shè)計(jì)相對(duì)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(jī)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，要充分分析公司產(chǎn)品在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的故障情況，有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能顯著提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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

［２］李巖．關(guān)于采煤機(jī)電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(jī)截割電機(jī)故障分析［Ｊ］．煤炭技術(shù)，２０１４，０３３（００２）：２５?２７．

作者:來(lái)海豐 單位:臥龍電氣南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司