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摘要由于采煤機電機的使用環境及工況復雜,常發生軸承裝置損壞、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品問題統計為基礎,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
隨著全球對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節,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,加之井下環境惡劣,有潮濕、淋水環境,還有瓦斯和煤塵的影響,電機時常出現軸承損壞、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,嚴重影響企業的采煤效率,對井下設備的安全運行也造成嚴重威脅。國產采煤機電機發展速度很快,但在產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,同時也是開展產品安全性設計、測試性設計和維修性設計等產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品問題統計為基礎,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
根據某公司近5年共362臺采煤機電機現場運行情況,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。考慮發生概率的因素,在圖中13個故障模式向對角線進行投影后,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,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節,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,過載現象時有發生,造成電機絕緣老化急劇加速。據了解,采煤機電機過載50%~100%現象也算正常;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,成熟的絕緣結構,選用質量較穩定的絕緣材料,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;軸承及潤滑脂選型不合適;軸承保養(加脂、監聽異響)不及時。因此在進行軸承設計時,應充分考慮負載情況,選用適當的軸承及潤滑脂,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狀態,以及輸出電流過大而產生較多熱量,都會導致接線處發生松動或脫落現象。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節,尤其電機頻繁啟動或過載導致經常產生大電流的情況下,易發生此類故障;設計時通過適當放大引接線規格,進而降低該部分發熱,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,井下水質差,水溫高造成水垢浮著在內水道壁上;井下水壓高,超過標準要求的3Mpa,據了解,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。設計時應考慮現場水質水壓情況,選擇適當的外殼材料,提高焊接質量,必要時增加塞焊孔。(6)201(轉軸):此類故障均系結構形變引發,根本原因多為零部件本身存在制造缺陷,通過合理結構設計、采用適當的工藝處理及檢測方法,能夠有效降低此類故障率。
9國內外電機故障模式研究
根據IEEE(美國電器及電子工程師學會)工作組對1141臺200馬力以上工業用電機所作失效統計如表5所示。
10結語
通過上述分析對比,可以得出如下結論:(1)無論是本文某公司產品統計,還是IEEE及煤礦廠統計的信息,繞組和軸承失效率都很高,其他文獻研究成果(根據參考文獻[3])中也證實了分析結果。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,絕緣結構、軸承結構應作為可靠性設計的核心。(2)不同應用(工況條件不同)的產品,其故障模式危害性排序也不同。可以看出,在煤礦用采煤機電機領域,危害性最大的為繞組,但從IEEE統計的工業電機來看,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境條件的影響。(3)不同電機廠家的同一種類產品,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重點不一樣。例如某公司電機產品的接線端子設計相對合理,因此接線端子故障發生的概率就小于其他廠家。因此在電機進行可靠性設計時,要充分分析公司產品在應用現場的故障情況,有針對性的進行優化設計,才能顯著提高產品的可靠性。
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