煤矿用隔爆型采煤机电机FMECA分析

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摘要由于采煤机电机的使用环境及工况复杂，常发生轴承装置损坏、对地绝缘电阻低、绕组烧毁等主要故障，从而引起采煤机事故停机、不能运行，维修难度大且过程繁琐，严重影响企业的采煤效率，对井下设备的安全运行也造成严重威胁。以某公司近五年出厂产品问题统计为基础，利用ＦＭＥＡ表格和ＣＡ危害矩阵分析方法进行ＦＭＥＣＡ失效模式分析，并与其他文献研究成果对比，最终确定采煤机电机的主要失效部件，为采煤机电机的可靠性设计奠定基础。

关键词采煤机电机；ＦＭＥＣＡ；故障模式

０引言

随着全球对煤矿资源的急剧开采，煤矿用采煤机被各国广泛采用。在煤矿开采的各个环节，采煤机电机时常处于长期时间运行下，且工作在重载、高湿和频繁启动等复杂工况，会引起采煤机电机受到周期性过载、剧烈振动，加之井下环境恶劣，有潮湿、淋水环境，还有瓦斯和煤尘的影响，电机时常出现轴承损坏、绝缘电阻低、电机烧毁等故障，导致采煤机不能正常工作，维修难度大且过程繁琐，严重影响企业的采煤效率，对井下设备的安全运行也造成严重威胁。国产采煤机电机发展速度很快，但在产品可靠性上与国际先进的采煤机电机相比，还存在较大的差距，一些有实力的煤矿，在装备高产高效工作面时，还是倾向于选用国外进口采煤机电机。因此，采用科学有效的措施和方法，开展采煤机电机的故障问题分析，是加强煤矿用采煤机电机可靠性、提高煤炭公司采煤效率和保障煤矿井下作业安全的核心。本文通过对采煤机电机进行故障模式影响及危害性分析（ＦＭＥＣＡ），确定电机的主要失效部件，在进行电机设计时，将主要失效部件作为可靠性设计的核心。ＦＭＥＣＡ分析是可靠性设计分析的一个重要科目，同时也是开展产品安全性设计、测试性设计和维修性设计等产品六性设计分析的基础。采煤机电机包括若干个零部件，各个零部件都有可能发生失效，其失效机理也不一样，因此电机的失效机理具有多样性和复杂性的特点。工程实际中，产品的薄弱地方是影响其使用寿命与运行可靠性的关键因素。

１ＦＭＥＣＡ分析思路

以某公司近五年出厂产品问题统计为基础，利用ＦＭＥＡ表格和ＣＡ危害矩阵分析方法进行ＦＭＥＣＡ失效模式分析，并与其他文献研究成果对比，最终确定采煤机电机的主要失效部件。ＦＭＥ⁃ＣＡ分析流程如图１所示。

２分析对象的组成及约定层次

分析对象的组成：采煤机电机由定子、转子、轴承装置、接线装置等组成（如图２所示）。约定层次分级：“初始约定层次”为煤矿用采煤机电机，“约定层次”及“最低约定层次”的分级如图２所示。

３绘制任务可靠性框图任务可靠性框图如图３ 所示。

４严酷度类别定义

根据参考文献［１］，ＧＪＢ／Ｚ１３９１—２００６《故障模式、影响及危害性分析指南》中严酷度类别的定义和电机各零部件的故障影响，定义电机严酷度类别如表１所示。

５故障发生概率的等级划分

定性的危害性矩阵法将每一个故障模式的发生可能性分级为离散的级别，然后按照定义的级别对每一故障模式进行相应评定。参考文献［１］，ＧＪＢ／Ｚ１３９１—２００６《故障模式、影响及危害性分析指南》中将故障模式出现概率的大小分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ五个级别，各级别定义如表２所示。

６填写ＦＭＥＣＡ表格

根据某公司近５年共３６２台采煤机电机现场运行情况，绘制ＦＭＥＣＡ故障模式影响及危害性分析表，这里我们将ＦＭＥＡ、ＣＡ表合并成一个ＦＭＥＣＡ表，使其更简明、直观，如表３所示。

７绘制危害性矩阵

从图４可知，该电机共１３个故障模式，其中严酷度为Ⅰ类的故障模式有２个、Ⅱ类的故障模式有４个。考虑发生概率的因素，在图中１３个故障模式向对角线进行投影后，投影点至原点的距离作为评定故障模式危害性大小的依据，可以清晰看出危害性程度的故障模式排序如表４所示（注：序号从１至８危害性依次降低）。从表４可以看出，识别号１０２（绕组）和３０１（轴承）危害性最大，说明绝缘和轴承是采煤机电机可靠性薄弱环节，识别号４０２（接线端子）、３０２（润滑脂）、３０３（油封）危害性较大，在电机设计时需要关注。

８总结主要故障模式

对于在ＦＭＥＣＡ中的主要故障模式（严酷度为Ⅰ、Ⅱ类的故障模式），原因分析及应对措施：（１）１０２（绕组）：此类故障直接因素有：矿井下工作条件复杂，环境恶劣，有高度潮湿、大量淋水工况，有瓦斯气体和煤炭粉尘的影响，从而煤炭粉尘和润滑油及淋水容易进入采煤机电机的内部，造成绕组对地绝缘电阻低；超载甚至满载频繁启动，频繁启动时的大电流冲击极易对绝缘造成影响；频繁过载，采煤机工况复杂，过载现象时有发生，造成电机绝缘老化急剧加速。据了解，采煤机电机过载５０％～１００％现象也算正常；温升过高导致绝缘性能下降，温升高多由电源质量差（如变频器谐波含量过高、电压波形畸变）和负载恶劣（频繁启动、频繁过载）引起。设计时适当放大热设计余量，并采用耐温性能好的绝缘体系，成熟的绝缘结构，选用质量较稳定的绝缘材料，提升绝缘可靠性。（２）３０１（轴承）：此类故障直接因素有：煤尘和机械油及泥水杂物容易进入电机轴承室内；轴承及润滑脂选型不合适；轴承保养（加脂、监听异响）不及时。因此在进行轴承设计时，应充分考虑负载情况，选用适当的轴承及润滑脂，确保轴承载荷适当，尽可能提升轴承配合件加工精度；根据以往轴承失效情况，负载与电机对接精度，是否定期维护等因素对轴承均有影响，需引起注意。（３）４０２（接线端子）：在电机使用过程中长时间处于振动作业状态，以及输出电流过大而产生较多热量，都会导致接线处发生松动或脱落现象。设计时适当放大热设计余量及防松设计，采用成熟的压接或焊接工艺。（４）４０３（引接线）：引接线端接处为电机导电部件的薄弱环节，尤其电机频繁启动或过载导致经常产生大电流的情况下，易发生此类故障；设计时通过适当放大引接线规格，进而降低该部分发热，并提高引接线与接线端子的压接工艺。（５）１０１（机座）：此类故障直接因素有：电机温升高，井下水质差，水温高造成水垢浮着在内水道壁上；井下水压高，超过标准要求的３Ｍｐａ，据了解，井下实际水压可能达到１０Ｍｐａ；焊接缺陷，长期运行后缺陷扩大，造成漏水。设计时应考虑现场水质水压情况，选择适当的外壳材料，提高焊接质量，必要时增加塞焊孔。（６）２０１（转轴）：此类故障均系结构形变引发，根本原因多为零部件本身存在制造缺陷，通过合理结构设计、采用适当的工艺处理及检测方法，能够有效降低此类故障率。

９国内外电机故障模式研究

根据ＩＥＥＥ（美国电器及电子工程师学会）工作组对１１４１台２００马力以上工业用电机所作失效统计如表５所示。

１０结语

通过上述分析对比，可以得出如下结论：（１）无论是本文某公司产品统计，还是ＩＥＥＥ及煤矿厂统计的信息，绕组和轴承失效率都很高，其他文献研究成果（根据参考文献［３］）中也证实了分析结果。因此，采煤机电机的主要失效部件为：绕组和轴承，在电机设计时，绝缘结构、轴承结构应作为可靠性设计的核心。（２）不同应用（工况条件不同）的产品，其故障模式危害性排序也不同。可以看出，在煤矿用采煤机电机领域，危害性最大的为绕组，但从ＩＥＥＥ统计的工业电机来看，危害性最大的为轴承。因此在电机进行可靠性设计时，应充分考虑工况及环境条件的影响。（３）不同电机厂家的同一种类产品，其故障模式危害性排序也不同，说明不同厂家的可靠性设计侧重点不一样。例如某公司电机产品的接线端子设计相对合理，因此接线端子故障发生的概率就小于其他厂家。因此在电机进行可靠性设计时，要充分分析公司产品在应用现场的故障情况，有针对性的进行优化设计，才能显著提高产品的可靠性。

参考文献

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

［２］李岩．关于采煤机电机运行过程主要故障分析［Ｊ］．矿业装备，２０１９．

［３］王文江，孙文清，赵洪亮，等．电牵引采煤机截割电机故障分析［Ｊ］．煤炭技术，２０１４，０３３（００２）：２５⁃２７．

作者:来海丰 单位:卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司