采煤機先導回路故障模式及影響分析

寧海棟

(山西長平煤業有限責任公司， 山西 晉城 048400)

0 引言

電牽引采煤機是煤礦井下綜采工作面最重要的機電設備，用于工作面的破煤和裝煤作業，其可靠性和安全性直接決定了煤炭產量和生產安全[1-2]。煤礦井下開采條件惡劣，采煤機在使用過程中出現故障是不可避免的。配置TDECS電控系統的天地電牽引采煤機接通動力電源前，先導回路會對采煤機控制系統進行系統自檢，確定系統無重大安全問題后，先導開關控制順槽磁力啟動器或組合開關給采煤機供電。這是啟動采煤機的一個重要步驟。

先導回路故障影響采煤機的正常啟動運行，進而影響煤炭開采時間及產量。因此，對先導回路故障進行分析顯得尤為重要。本文利用系統安全分析方法中的故障模式及影響分析方法，對配置TDECS電控系統的天地采煤機典型先導回路的故障進行了分析。

1 故障模式及影響分析方法介紹

故障模式及影響分析(failure modes and effect analysis,FMEA)是一種前瞻性的可靠性分析和安全性評估方法，該方法在預防事故的保護機制系統中被廣泛使用[3]。FMEA是從基本單元的故障特征和系統的功能結構出發，分析相應系統中各種潛在的故障模式,并確定不同故障模式對系統所產生的影響，為制定系統改進措施提供支持。

故障模式及影響分析方法適用于電氣、機械、液壓等技術領域。在以上領域,該方法可用于研究相應系統中不同組成部件或元器件的故障。FMEA可用于評價和論證所設計的系統是否達到相關標準或規范，也可以用來識別生產和安裝期間的工藝過程控制和檢查試驗的重點,并可以為故障診斷和維修提供重要的信息。本文利用該方法對先導回路故障進行了分析并給出了預防措施。

2 先導回路故障與分析

采煤機先導回路異常斷開可分為兩類:一類為采煤機中安裝的傳感器檢測到相應參數異常(即工況異常)，引起采煤機保護動作，斷開先導回路；另一類是先導回路各組成部分產生故障,導致先導回路異常斷開。現利用FMEA方法對先導回路故障模式及影響進行分析。

先導回路一般分為兩部分:一部分安裝在采煤機內[4]，一部分安裝在順槽內。天地采煤機內部典型先導回路如圖1所示。

圖1 采煤機內部先導回路原理

天地采煤機內部典型先導回路主要包括主啟按鈕、主停按鈕、隔離操作閉鎖按鈕、隔離開關輔助觸點、啟動預警器、主控模塊、先導二極管、導線及壓敏組件等。各組成部分配合使用，實現先導控制功能[5]。

采煤機啟動時，閉合隔離開關，其輔助觸點也應處于閉合狀態。當按下主啟按鈕，一段延時后啟動預警器中對應繼電器吸合，其第3引腳和第4引腳導通。此時，主停按鈕、隔離操作閉鎖按鈕、隔離開關輔助觸點、啟動預警器、先導二極管及外部的磁力啟動器或組合開關構成回路。然后,主控模塊自保節點吸合，JX2的第14引腳和第16引腳導通，且啟動預警器對應繼電器斷開，其第3引腳、第4引腳不再導通。此時,主停按鈕、隔離操作閉鎖按鈕、隔離開關輔助觸點、JX2的第14引腳和第16引腳、先導二極管及外部的磁力啟動器或組合開關構成回路，并控制組合開關或磁力啟動器給采煤機供電。在先導回路無故障狀態下，采煤機正常上電啟動。

若先導回路中主啟按鈕出現故障，無法與啟動預警器的第1引腳、第2引腳形成閉合回路，那么啟動預警器中的繼電器無法吸合，其第3引腳、第4引腳不導通，先導回路為斷開狀態。在主啟按鈕和線路正常的條件下，啟動預警器的第3引腳、第4引腳導通后，與主停按鈕、隔離操作閉鎖按鈕、隔離開關輔助觸點、先導二極管、導線及采煤機外部磁力啟動器或組合開關形成回路。若啟動預警器故障，則此回路不成立，先導回路異常，采煤機啟動失敗。

隔離操作閉鎖按鈕起到安全防護作用，隔離開關合閘時需要按下此按鈕，才能成功合閘；而隔離開關輔助觸點是為了檢測隔離開關是否閉合，只有隔離開關閉合，該觸點才能使先導回路導通。

先導回路中的主停按鈕在采煤機上電時需要拔出，否則采煤機無法上電，按下時使采煤機斷電；先導二極管則利用了二極管的單向導通特性，只有當二極管正向導通時，先導回路才有效；壓敏組件在電路承受過壓時進行電壓嵌位，吸收多余電流,以實現對后級先導電路的保護。

當先導回路中其他部件均無故障時，主控模塊中的對應繼電器或自保節點吸合，第14引腳、第16引腳導通，啟動預警器對應繼電器斷開，先導回路正常導通，采煤機可正常上電啟動。若該模塊出現故障，則采煤機上電失敗。

采煤機先導回路中的各組成部分出現故障，均有可能引起先導回路故障異常。利用FMEA從先導回路中的各組成部分故障分析先導回路故障模式及影響，如圖2所示。

圖2 先導回路各組成部件故障及影響流程

由圖2可知，先導回路故障主要包括按鈕本身故障、線路故障、啟動預警器故障、隔離開關輔助觸點故障、先導二極管故障、外部磁力啟動器故障及主控模塊故障等。以上故障均導致采煤機上電失敗。

造成按鈕故障的原因主要為按鈕發生機械故障而卡主，為了避免該故障發生，應使用質量可靠的按鈕。線路發生故障的原因多為接線不規范或接線頭松動，導線發生斷路、短路，生產和維修采煤機時應規范接線。啟動預警器被水沖淋后進水可導致模塊損壞，設計和生產采煤機時應盡量考慮避免該模塊被水沖淋。隔離開關輔助觸點可能因失去彈性而產生故障，不能使先導回路閉合，應選用高質量且可靠的隔離開關。先導二極管發生故障主要是反向電壓過大導致其被擊穿，選用合適的二極管可避免故障發生。主控模塊發生故障的原因主要是模塊自身損壞，無法執行相應控制操作，出廠前需要對模塊進行測試，且注意規范接線，保證該模塊能夠正常運行。以上故障均需要人工進行排查。

圖3為工況異常導致的先導回路故障及影響流程。在先導回路各部件均無故障且采煤機正常運行的前提下，判斷主動模塊自保節點是否因工況異常斷開，導致先導回路斷開，采煤機斷電停機。其中異常工況主要包括牽引輸出嚴重過載、牽引變壓器過熱、瓦斯濃度超限及截割電動機溫度超限停機保護等。該故障可通過查看煤機故障記錄及檢查傳感器是否正常進行排查。

圖3 工況異常導致的先導回路故障及影響流程

綜合采煤機在實際生產中的檢修情況及利用FMEA方法對先導回路故障模式及影響分析的結果，如表1所示。表1中故障影響及等級列中數字1、2、3分別代表的影響等級為小、中等、嚴重；故障原因及頻度列中數字1、2、3分別代表頻度等級為低、中、高；檢查方式及不可檢測度列中數字1、2、3分別表示不可檢測度為高、中、低。

3 結論

本文對FMEA方法進行了介紹，并利用該可靠性分析方法對配置TDECS電控系統的天地采煤機典型先導回路中各部件可能產生的故障、產生故障的原因、故障對先導回路功能的影響及應對措施進行了分析。該分析結果有助于相關技術人員優化產品設計，以及幫助維修人員快速定位問題并解決問題，減少采煤機故障排除過程中造成的生產時間浪費及產量損失。

表1 采煤機內部先導回路故障模式及影響分析